固定式液壓破碎機體結(jié)構(gòu)有限元分析

固定式液壓破碎機是集機、電、液于一體的大功率破碎、拆除作業(yè)設備，主要應用于各類礦山、采石場破碎機的入料口或格篩處，進行大塊物料的二次破碎，也可用于冶煉廠對鋼包和冶金爐進行打殼、拆包等工作。近年來，隨著市場需求，固定式液壓破碎機向大型、重載、超高和超長方向發(fā)展，GTPH90-8.5/9.5-W型作為國內(nèi)自主研發(fā)的最大規(guī)格固定式破碎機，整機重量近30t，工作半徑達18m（一臂8.5m/二臂9.5m），前端配套近3t重GT90液壓錘。在超長臂、重載、強沖擊載荷下，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性顯得尤為重要。
由于各部件間的耦合作用，不宜采用解析方法計算結(jié)構(gòu)的應力、應變和位移，而傳統(tǒng)的樣機試驗評價其結(jié)構(gòu)的可靠性，成本高、周期長、費時費力。有限元分析法大多數(shù)應用僅限于對某個關鍵部件或者部分結(jié)構(gòu)進行強度、剛度及模態(tài)分析，而結(jié)構(gòu)件分開計算存在邊界條件及載荷難以確定、結(jié)構(gòu)簡化等問題，從而影響計算結(jié)果的準確性。本文以該大型破碎機整體結(jié)構(gòu)為研究對象，采用系統(tǒng)CAE方法和技術進行靜力學分析和模態(tài)分析，為其結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化和改進設計提供依據(jù)。
固定式破碎機的整體結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)平臺、液壓馬達、回轉(zhuǎn)支承、大臂、二臂、連桿、搖桿、液壓錘、動臂油缸、斗桿油缸、轉(zhuǎn)錘油缸及與固定地基連接的螺栓、減振彈簧組件等組成，如圖1所示。破碎機使用工況復雜，考慮篇幅，本文選用最大工作半徑姿態(tài)進行建模仿真分析，此工況下載荷作用線距離各個關鍵傳遞路徑點（銷軸等）以及底座中心線達到最遠，可以認為這是最惡劣的工作位姿。
首先，利用SolidWorks軟件建立固定式液壓破碎機的三維幾何模型，導入HyperMesh中建立CAE分析的整體模型。在CAE模型的建立過程中，對于銷軸采用賦予橫截面和材料的梁單元進行簡化模擬；對于銷軸孔和銷軸之間的轉(zhuǎn)動，通過釋放軸向自由度來模擬；螺栓連接使用RBE2 spider-beam-RBE2 spider模擬；對于厚長比小于1/15的零件均采用板殼單元，特殊情況下，對于厚長比在1/15～1/10之間的零件也采用板殼單元，其它情況均采用三維實體單元，板與板之間的焊縫采用RBE2剛性單元連接。其次，進行有限元模型簡化處理，回轉(zhuǎn)底座處的減振彈簧組件以軸向拉壓彈簧單元表示其功能；回轉(zhuǎn)馬達以等效集中質(zhì)量單元替代；大臂、二臂、轉(zhuǎn)錘液壓缸需要考慮在沖擊作業(yè)中的軸向伸縮，需要定量計入液壓彈簧和活塞桿軸向彈性變形的綜合作用，故采用串聯(lián)彈簧方式模擬。通過有限元模型簡化得到了包含269825個節(jié)點和228527個單元的整體CAE模型。
固定式液壓破碎機回轉(zhuǎn)底座底板的16個螺栓孔通過地腳螺栓與地面固結(jié)，施加固定約束（即6個自由度均約束）。對底座上的回轉(zhuǎn)馬達施加繞Y軸的旋轉(zhuǎn)約束，施加在回轉(zhuǎn)座底板上安裝電機位置的軸心處，模擬破碎機在實際工作中回轉(zhuǎn)馬達處于制動狀態(tài)。由于液壓破碎機在釬桿頭部受到Y(jié)向正方向的力（液壓錘打擊反作用力），致使回轉(zhuǎn)支承受到力矩作用，因此，對軸承內(nèi)外圈接觸的兩邊進行節(jié)點融合，模擬其真實受力和力傳遞的狀況。
液壓破碎錘是二元彈性系統(tǒng)，由于沖擊過程的復雜性，在沖擊作用時間和被沖擊物體的位移未知的情況下，無論古典的碰撞理論或現(xiàn)代波動力學理論，均難以給出精確的沖擊力解析，只能根據(jù)以下公式近似求解。
經(jīng)估算沖擊力F=196kN，加載在釬桿端部，方向沿Y軸正向（模擬釬桿輸出能量不足以擊碎巖石，所有反作用力通過釬桿傳遞到工作裝置上的狀態(tài)），同時還應考慮液壓破碎錘整體的自身重力，因此設置重力加速度g=9.810mm/s。

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