搜索有限元分析及運動仿真在破碎機的應用
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
為充分認識顎式破碎機的運動特性及結構安全性,采用SolidWorks建立了產品數字化模型?；贑osmosMotion與CosmosWorks仿真平臺,通過運動載荷的傳遞,進行了運動學及結構有限元的協同計算。計算結果表明動顎應力大小隨工作位置改變而變化。提出了動顎在最大載荷工況點的結構應力分布規(guī)律,為指導產品設計與改進提供了依據。
作者: 張珂*劉佳男*楊昌明 來源: 萬方數據
關鍵字: 顎式破碎機 運動仿真 有限元
0前言
破碎機廣泛應用于冶金、化工等行業(yè),其中復擺 顎式破碎機因具有性能良好,生產率高等優(yōu)點,所以 在中小型系列破碎機中占有較大比例,并有不斷向 大型化發(fā)展的趨勢。但機器振動、機重和摩擦等問 題仍較突出,能耗較高,合理選擇工作參數和設計其結構參數,有利于節(jié)約能源。
從破碎機的現狀來看,國內產品的機重高于國 外,而且顎式破碎機的設計目前仍偏重于經驗方法。 隨著計算方法與計算機技術的發(fā)展,在滿足強度、剛 度以及安全性能的前提下,對動顎結構設計進行優(yōu) 化,以減輕機重,是一個可行的解決方案。
1 復擺顎式破碎機機構模型
復擺顎式破碎機主要由偏心軸、動顎、肘板和機 架組成,屬于典型的平面四桿機構,其機構如圖1所 示。以曲柄轉軸為原點,Y軸垂直向下、菇軸水平向左建立平面直角坐標系。在機構簡圖中AB為曲柄,CD為搖桿,在破碎機中分別對應偏心軸和肘板。BD為動顎,EF為定顎。BD與EF組成破碎腔,由動顎(連桿)往復擺動實現破碎機的功能。
2運動學仿真
首先采用SolidWorks完成整機數字樣機設計,對破碎機三維裝配模型作合理簡化,保留機器工作裝置部分。在此基礎上采用Cosmos Motion進行運動學仿真,基于無縫集成接口Cosmos Motion對SolidWorks三維裝配模型進行自動轉化,建立運動學仿真模型,如圖2所示。
在Cosmos Motion應用環(huán)境中,對裝配模型施加約束。肘板座和軸承座定義為固定約束,動顎與偏心軸之間及肘板與肘板襯之間設置為旋轉約束,以及其他部件約束如圖2所示。對機構添加驅動力,選擇帶輪為主動件,定義屬性:帶輪為第1部件,肘板座為第2部件,約束類型是旋轉副,繞z軸旋轉,運動類型為速度,偏心軸的轉速n=275 r/min。參照國產復擺顎式破碎機性能參數,選擇相應電動機型號JO3-160M,額定功率15 kW,轉速l 000 r/rain。在Intelli Motion瀏覽器的約束頁面中,對偏心軸和動顎所構成的旋轉副的屬性進行定義,選擇偏心軸的外表面及動顎的內表面為一對承載面,同時對肘板墊和動顎之間的約束做FEA定義,作為另外一組承載面。
為與實際工況相符,對動顎上表面添加載荷(破碎力反作用力),因而可以同時完成真實工況下運動機構所有零部件的運動學性能(位置、速度和加速度)和動力學性能(接點反作用力、慣性力和功率要求)等完整量化信息的計算。最后設定仿真參數,持續(xù)時間為1 s,幀數為50。在IntelliMotion.環(huán)境下完成運動模擬,得到了仿真結果(圖略)。從動顎水平位移的仿真結果可以看出動顎的水平行程較大,這樣有利于破碎物料。沿動顎運動軌跡的運動方向有促進排料作用,所以在一定的程度上可以保證破碎機的生產效率。從動顎豎直位移仿真結果中也可以看出垂直的行程較大,從而導致襯板磨損較快,降低襯板的使用壽命,故復擺顎式破碎機一般用于中小型機型。但隨著耐磨材料的不斷發(fā)展,襯板耐磨性的提高,這種機型也逐漸向大型化方向發(fā)展。動顎加速度X、y方向曲線表明,動顎在X、y方向上的加速度呈周期性變化。而且x、y方向的加速度不同步,X方向的加速度要比l,方向滯后180。左右,這樣在整個周期內,機架都會受到較大的沖擊,從而引起機器及其基礎部件產生振動,使偏心軸回轉不均勻,影響機構構件的強度,降低機器的可靠性,縮短機器的使用壽命。
3有限元分析
采用CosmosWorks軟件,通過導入運動學仿真過程中的多個時間瞬間的運動載荷,進一步分析三維裝配體中的零件在該時刻的受力狀況,以便確定最壞工況點。選擇裝配體中的動顎為計算對象,進行多畫面分析,分析每組具有關聯的時間瞬間產生的運動載荷。
動顎材料為ZG35,彈性模量為2E+5 MPa,泊松比為0.3a單位設置為psi,設定結果為VON:vonMises應力。采用三維實體單元進行網格劃分,同時考慮到動顎結構比較復雜,局部區(qū)域網格需進行加密處理。時間參數為1 s,設定為10組,完成計算后,結果分析如圖3所示。
從圖3可以看出最大應力值出現在第6組(t=0.58 s),表明一個周期內動顎在該時刻工況最差,對該工作位置的動顎進行詳細的靜態(tài)分析,應力分布云圖如圖4所示。圖4中動顎肘板座附近應力最大,與實際情況相吻合,表明計算方法有效。在應力分布云圖的基礎上,進一步在肘板墊與動顎連接處以及沿動顎板長方向提取計算結果,分別見圖5與圖6。從2個圖中可以發(fā)現局部結構區(qū)域出現應力集中現象,應力峰值甚至超過許用應力,如肘板座與動顎連接處。同時,動顎A點處(見圖4)也存在一定程度的應力集中,且沿板長方向靠近肘板座處應力逐漸增加。
根據d Alambert原理,作用于動顎的慣性力與接點反作用力相互平衡。因此,當動顎工作位置隨時間變化,對視為處于動態(tài)載荷的結構進行有限元分析,其最差工況下的計算結果往往大于靜態(tài)分析結果。這種隨時間變化的應力突變對結構安全的危害,需在設計中加以充分重視。所以除了對重要的零部件做靜態(tài)有限元分析,還要進行動態(tài)仿真計算,以找出最差工況下的最大應力值,以及所在的位置,從而進一步在結構上進行優(yōu)化設計。如可以對應力較大的地方進行結構上的再設計,保證工作中的安全系數達到許用值;在應力最低的地方,安全余量可能過大,則可以進行優(yōu)化設計,以達到減小機重的目的。
4結語
針對復擺顎式破碎機這一典型傳統產品,綜合應用SolidWorks、CosmosMotion及CosmosWorks等現代設計與分析工具,實現了機構運動學與零部件有限元分析的集成仿真計算,得到了與實際相符的計算結果。數據表明,動顎在往復擺動的周期內,應力大小隨工作位置改變而變化。
通過運動學模擬,確定了動顎最大載荷發(fā)生的時刻,并對該工況點進行了詳細的有限元分析計算,發(fā)現了動顎局部結構區(qū)域出現應力集中的現象,同時揭示了結構應力的分布規(guī)律,從而為產品設計與改進提供了依據,并提出了進一步優(yōu)化分析的設想。
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