CN106021807B - 分级破碎机三维动态设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及破碎机设计技术领域，具体公开了一种分级破碎机三维动态设计方法。该设计方法包括如下步骤：1）初步设计破碎机的齿辊直径、齿辊长度、破碎齿形状及装机功率；2）进行破碎齿结构安全性能静态仿真；3）进行破碎齿结构静态试验；4）进行整机模态分析及动态仿真；5）进行整机的动态试验；6）基于正交试验法进行结构优化设计。本发明提供的设计方法更加***化、更加规范和高效，大幅度降低研发成本，加快研发速度，同时在保证破碎机安全性能及可靠性的前提下，使设备轻量化，进一步提高性价比。

Description

分级破碎机三维动态设计方法

技术领域

本发明涉及破碎机设计技术领域，具体是一种分级破碎机三维动态设计方法。

背景技术

分级式破碎机属于一种新型的破碎机，主要针对煤矿井下集中破碎煤炭，煤矿井上煤楼及选煤厂有粒度要求的破碎而设计的分级破碎机，主要用于高产量要求的煤炭破碎，也适用于矿山、冶金矿物的粗、中级破碎。因分级破碎机的研究历史较短，因此存在很多弊端。破碎机的设计主要根据技术人员的经验，进行相似放大，其使用效果无法保证。***设计方法的缺失，直接影响着分级破碎机的发展。有必要开发一种新的***的分级破碎机设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种分级破碎机的三维动态设计方法，解决了***方法缺失，破碎机使用效果无法保证的问题。

为解决上述问题，本发明通过以下技术方案得以解决：

一种分级破碎机三维动态设计方法，包括以下步骤：

1）根据待破碎产品的硬度、粒度组成及粒度要求，根据经验和类比，初步设计破碎机的齿辊直径、齿辊长度、破碎齿形状及装机功率。

2）进行破碎齿结构安全性能静态仿真，包括破碎齿模型建立、有限元单元选取、边界条件的确定和结果分析。

3）进行破碎齿结构静态试验。

4）进行整机模态分析及动态仿真，包括整机模型建立、单元选取、边界条件确定，仿真结果分析。

5）进行整机动态试验，包括整机制造、检测***设计、试验台设计、安装传感器、检测***调试、试验、结果分析。

6）基于正交试验法进行结构优化设计。

采用上述技术方案的本发明与现有设计方法相比，带来的意料不到的技术效果如下：本发明提供的分级破碎机三维动态设计方法，使分级破碎机设计方法更加***化、更加规范和高效，大幅度降低研发成本，加快研发速度，同时在保证破碎机安全性能及可靠性的前提下，使设备轻量化，进一步提高性价比。

本发明的优选技术方案如下：

步骤2）中所述破碎齿结构安全性能静态仿真工况依次为：切向承载能力分析、法向承载能力分析和轴向承载能力分析；若破碎齿结构安全性能静态仿真不合格，则修改初始设计方案，包括：加大破碎齿厚度、降低破碎齿高度，修改破碎齿截面，再次进行静态仿真，直至达到材料强度的要求。

步骤3）中所述进行破碎齿结构静态试验，按以下步骤进行：首先确定切向、法向和轴向力大小及加载位置；试验按切向承载、法向承载和轴向承载依次进行；根据实验结果判断破碎齿机构的合理性；若实验不合格，则根据实验结果更改设计方案，修改仿真模型，直至满足要求。

步骤4）中所述整机模态分析及动态仿真，若破碎齿结构安全性能静态仿真不合格，则修改初始设计方案，包括：加大破碎齿厚度、降低破碎齿高度，修改破碎齿截面，再次进行静态仿真，直至达到材料强度的要求。

步骤5）中所述进行整机的动态试验，若动态试验某结构安全性能不符合要求，则更改其设计和修改仿真模型，包括：增加机架及主轴的截面尺寸、加大焊接件板厚，再次进行动态试验，直至完成破碎机结构定型设计。

步骤6）中所述基于正交试验进行结构优化，是以破碎机通过能力最大化为边界条件，以整机质量最轻为目标，对整机结构进行优化设计。

所述步骤1）至步骤6）的各个步骤，可根据实际工矿要求进行步骤选择，各步骤之间可交叉进行。

附图说明

图1为本发明分级破碎机三维动态设计方法流程图。

图2为本发明实施例1的齿板式破碎齿几何模型图。

图3为本发明实施例1的破碎齿网格图。

图4为本发明实施例1的顶面加载时的应力分布图。

图5为本发明实施例1的破碎齿前面加载时的应力分布图。

图6为本发明实施例1的侧面加载时的应力分布图。

图7为本发明实施例2的齿头模型图。

图8为本发明实施例2的模型网格划分图。

图9为本发明实施例2的顶面加载时的应力分布图。

图10为本发明实施例2的切向力加载时的应力分布图。

图11为本发明实施例2的轴向力加载时的应力分布图。

图12为本发明实施例2的齿头模型修改设计前后比较图。

图13为本发明实施例2的修改设计后的网格划分图。

图14为本发明实施例2的修改设计后的齿头法向加载应力分析图。

图15为本发明实施例2的修改设计后的切向力加载分析图。

图16为本发明实施例2的修改设计后的轴向力加载分析图。

具体实施方式

本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。

实施例1

1）初始设计：

待破物料：原煤（含矸量为58%），抗压强度40Mpa；

入料粒度：≤500mm，含5%超粒，最大粒度500mm，+50mm可见含矸量为58%；

出料粒度：≤150mm；

处理能力： 1200t/h；

根据经验和类比，初步设计破碎机的齿辊直径、齿辊长度、破碎齿形状及装机功率如下：

初定齿辊直径900mm，采用齿盘结构，齿辊长度2500mm，装机功率：2x200kW。

步骤2）破碎齿结构安全性能静态仿真：

1、几何模型的建立

分级破碎机破碎齿与齿盘是一体的，齿盘具有较高的刚度，保证破碎过程中破碎齿根部不会发生较大的变形和位移。在物料破碎过程中，破碎齿本身会承受大小、空间、时间上随机分布的载荷的作用，比齿盘的受力情况复杂很多。在实际使用中也表明破碎齿损坏的几率远远高于破碎齿板损坏的几率。因此，可将破碎齿从破碎齿板上隔离出来，单独对其强度进行分析。将齿板式破碎齿从齿板分离出来，并建立的几何模型如图2所示。

2、网格划分及物性参数设置

应用软件进行有限元分析时，网格划分和物性参数设置是影响分析结果准确性的两个重要因素。在本文的研究中，破碎齿上两点之间的最大距离为89.2mm，破碎齿的尺寸较小，只对破碎齿进行静力分析，网格数目和计算量相对较小。同时，破碎齿的边缘倒角较多，这种情况下，用***格不会使网格数目和计算量过大，也可降低网格划分的工作量。故采用四面体网格对破碎齿进行网格化，见图3，网格总数为270364个。

静力分析法是分析分级破碎机破碎齿在可能受到的各种不同形式的最大载荷的作用下时的应力的有效方法。在破碎齿应力分析中，物性参数如表1所示。

表1 破碎齿物性参数

弹性模量(N/mm<sup>2</sup>)	泊松比	质量密度(kg/m<sup>3</sup>)	屈服强度(MPa/m<sup>2</sup>)
				213000	0.286	7870	1215

法向承载能力分析：

=3.24× N

图4是顶面加载时的应力分布，从图中可见，应力最大值出现在前面齿根中心处，最大应力值为325MPa，低于材料许用应力值。

切向承载能力分析：

扭矩：T=9549 × P / n=9549×200/74=25808N.m

图5是破碎齿前面加载时的应力分布图，最大应力值为827Mpa，出现在破碎刃与底面连接的齿根处。可见，破碎齿最大应力低于许用应力。

轴向承载能力分析：

=0.8=4.588×N

图6是侧面加载时的应力分布图，由图可见，最大应力值出现在加载面齿根处，尤其是靠近破碎齿前面的齿根角上，应力集中更为明显，最大应力值为642MPa，低于许用应力值。

步骤3）对制作的破碎齿盘进行受力分析，分别按切向承载、法向承载和轴向承载依次进行试验，观察破碎齿的变形情况。

法向加载部位在破碎齿顶，加载力为3.24× N；切向加载在破碎齿的前端刃，加载力为；轴向加载在破碎齿的侧面，加载力为，破碎齿均未有明显变形或损坏。

步骤4）利用有限元软件建立整机三维动态模型，对其进行模态分析计算出固有频率及振型以防止其发生共振。依次进行整机模型建立、单元选取、边界条件确定，仿真结果分析，应力应变小于材料的许用强度。

步骤5）

设备制造组装完毕后，在应力应变较大处安装应变传感器，接电试运转，经检测，设备噪音、振动、温升等各项目全部符合检测要求，整机较大应力应变与步骤4分析相同，均小于材料的许用强度。

实施例2

步骤1)初始设计：

待破物料：原煤；

入料粒度：≤700mm；

出料粒度：≤300mm；

处理能力： 2000t/h；

根据经验和类比，初步设计破碎机的齿辊直径、齿辊长度、破碎齿形状及装机功率如下：

初定齿辊直径830mm，采用齿盘结构，齿辊长度2500mm，装机功率：2x315kW，材料性能与实施例1相同。

步骤2）破碎齿静态仿真

1、几何模型的建立

齿头模型图见图7。

模型网格划分图见图8。

2、网格划分

网格划分的细节如下：

节点数：10954；

单元大小：6.85606mm；

公差：0.342803 mm；

单元总数：7178。

3、法向承载能力分析：

法向受力=6240 N；

图9是顶面加载时的应力分布图，从图中可见，最大应力值为19.5MPa，应力很小，可以忽略。

4、切向承载能力分析：

扭矩：T=9549 ×P / n=9549×315/74=40648N.m；

；

图10是切向力加载时的应力分布，最大应力值为1155.1Mpa，出现在破碎刃与底面连接的齿根处，最大应力超出材料的许用应力。

5、轴向承载能力分析：

=0.8=78358N；

图11是轴向力加载时的应力分布图，最大应力值出现在加载面齿根处，尤其是靠近破碎齿前面的齿根角上，最大应力值为503MPa，低于许用应力值。

6、修改设计：

切向力加载分析，齿根处应力1155.1MPa，超出了材料的许用应力需要修改设计，在不改变破碎参数的前提下，把齿根处厚度方向加大20mm，由60mm修改为80 mm。长度方向加大23mm，由89mm修改为112 mm。齿高不变，齿顶尺寸也不变，具体参见图12。

修改设计后，需重复步骤1～5，重新制作模型、进行受力分析，各方向载荷与修改前相同。

图13是修改设计后的齿头网格划分图，节点数10909，单元总数7117。

图14是修改设计后的齿头法向加载应力分析图，最大应力19.8MPa，与修改前没有大的变化。

图15是修改设计后的切向力加载分析图，产生最大应力的部位与修改设计前相同，最大应力891.3MPa，低于材料的许用应力。

图16是修改设计后的轴向力加载分析图，产生最大应力的部位与修改设计前相同，最大应力305MPa，与修改前也有所降低。

以上分析说明，修改设计的齿头分别在法向、切向和轴向三个方向加载，应力都低于许用应力。

步骤3）破碎齿静态试验

按修改后的参数制作试件，分别在三个方向加载作静力试验，径向出现明显变形和损坏，重复步骤2），直至破碎齿强度满足设计要求。

步骤4）利用有限元软件建立整机三维动态模型，对其进行模态分析计算出固有频率及振型 以防止其发生共振。依次进行整机模型建立、单元选取、边界条件确定，仿真结果分析：工作频率与固有频率接近时，改变驱动布置形式或者改变齿辊直径及长度，以避免共振；应力集中处适当增大圆角或者增大截面尺寸。

步骤5）

设备制造组装完毕后，在应力应变较大处安装应变传感器，接电试运转，经检测，设备噪音、振动、温升等各项目全部符合检测要求，整机较大应力应变与步骤4）分析相同，均小于材料的许用强度。

本发明提供的上述实施例，使分级破碎机设计方法更加***化、更加规范和高效，大幅度降低研发成本，加快研发速度，同时在保证破碎机安全性能及可靠性的前提下，使设备轻量化，进一步提高性价比。

上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种分级破碎机三维动态设计方法，按如下步骤进行：

1）根据待破碎产品的硬度、粒度组成及粒度要求，初步设计破碎机的齿辊直径、齿辊长度、破碎齿形状及装机功率；

2）进行破碎齿结构安全性能静态仿真，包括破碎齿模型建立、有限元单元选取、边界条件的确定和结果分析；所述破碎齿结构安全性能静态仿真工况依次为：切向承载能力分析、法向承载能力分析和轴向承载能力分析；若破碎齿结构安全性能静态仿真不合格，则修改初始设计方案，包括：加大破碎齿厚度、降低破碎齿高度，修改破碎齿截面，再次进行静态仿真，直至达到材料强度的要求；

3）进行破碎齿结构静态试验；按以下步骤进行：首先确定切向、法向和轴向力大小及加载位置；试验按切向承载、法向承载和轴向承载依次进行；根据实验结果判断破碎齿机构的合理性；若实验不合格，则根据实验结果更改设计方案，修改仿真模型，直至满足要求；

4）进行整机模态分析及动态仿真，包括整机模型建立、单元选取、边界条件确定，仿真结果分析；所述整机模态分析及动态仿真，若破碎齿结构安全性能静态仿真不合格，则修改初始设计方案，包括：加大破碎齿厚度、降低破碎齿高度，修改破碎齿截面，再次进行静态仿真，直至达到材料强度的要求；

5）进行整机动态试验，包括整机制造、检测***设计、试验台设计、安装传感器、检测***调试、试验、结果分析；进行整机的动态试验，若动态试验某结构安全性能不符合要求，则更改其设计和修改仿真模型，包括：增加机架及主轴的截面尺寸、加大焊接件板厚，再次进行动态试验，直至完成破碎机结构定型设计；

6）基于正交试验法进行结构优化设计；基于正交试验进行结构优化，是以破碎机通过能力最大化为边界条件，以整机质量最轻为目标，对整机结构进行优化设计。