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新型低矮式破碎機的虛擬設計與運動仿寅 木屑顆粒機|秸稈顆粒機|秸稈壓塊機|木屑制粒機|生物質顆粒機|富通新能源 / 15-07-17

0、引言
    低矮式破碎機是新一代高效節能的新型顎式破碎機,具有理想的動顎軌跡,該設備具有外形低矮、破碎比大、襯板磨損低、處理能力大、能耗低等顯著特點,它的問世受到了市場的普遍關注,并提出了各種犁號的需求。
     本文以PEQ400×600低矮式破碎機為例,探討在Solidworks軟件環境下,對整機進行三維實體建模、虛擬裝配、動態模擬、干涉檢查、運動仿真、分析動顎的運動軌跡,以期實現在Solidworks軟件環境下的低矮式破碎機的虛擬樣機設計。
1、低矮式破碎機的虛擬模型設計
    在低矮式破碎機的結構設計中,最困難、最繁瑣的工作就是運動機構的設計與運動軌跡校核。目前主要采用的軌跡圖法或根據幾何約束條件建立方程組來求解,但這種設計比較麻煩,且設計工作不直觀,設計結果不盡人意,而利用三維設計軟件Solidworks能較好地解決上述問題,首先建立零件的三維模型,進行虛擬裝配,然后運用工具欄下的零部件旋轉和移動,對原動件進行旋轉,檢查運動部件中有無干涉,運動部件可否達到要求,就像一臺真正的破碎機在人們面前運動一樣。
    (1)零件設計建模
    利用拉伸、陣列、切除、掃描、鏡像等特征,建立低矮式破碎機主要零件的三維模型,包括動顎、定顎、機架、軸承、軸承座、肘板、密封圈等100多個零件。因電機、減速器等為選購件,在設計時沒有建立這些零件的三維模型,僅建立低矮式破碎機主機上零件模型。在建模過程中,充分利用參數化尺寸、方程式、共享數值、配置、派生零件等設計技術,便于虛擬裝配時對結構不合適零件進行修改。
    (2)虛擬裝配
    破碎機的虛擬裝配采用自下而上的裝配形式。整機用到的零件很多,為了使裝配緊湊,在組裝前,將某些相對固定配合在一起的零件先組裝成部件。在低矮式破碎機的裝配過程中,有動顎、定顎、機架、偏心軸等部件,肘板、飛輪、皮帶輪、彈簧、軸承端蓋等主要零件及一些螺母、螺釘、密封套等小零件。這些零部件都在整機裝配前建立好三維零件和裝配好各部件模型。然后利用零件(部件)的平移、旋轉、重合(共面、共線、共點)、同心(同軸)、垂直、平行、夾角等裝配約束關系,通過對零件之間添加裝配約束使設計好的所有零部件裝配在一起。
2、運動仿真的實現
2.1零部件分類
    利用SolidWorks軟件完成破碎機裝配體設計后,可以對其進行運動學分析和動態仿真。在仿真之前,必須在零部件中確定運動部件和固定部件,將固定部件拖動到Ground Pans目錄下。余下的就是運動部件放在Moving Parts目錄下,在破碎機仿真中,Cround Parts有定顎、軸承座、機架部件、螺栓等.Moving Parts包括動顎部件、偏心軸部件、肘板、皮帶輪、飛輪等,也可以在進入Motion時,選擇自動零部件分類,計算機按照裝配時的裝配關系決定運動部件和固定部件。
2.2約束的添加
    約束的添加取決于零部件的裝配關系,添加約束時必須知道約束跟自由度的關系,即約束限制的自由度。當所有的約束添加完后,必須和實際中機械系統運動相同,既不能過約束,導致機械系統不能運動,也不能少約束,使機械系統不能按一定規律運動。
    添加約束時,應該逐步地對構件施加各種約束,并且經常對施加的約束進行試驗,檢查是否有約束錯誤,注意約束方向是否正確,錯誤的方向可能導致某些自由度沒有被約束,或者約束了不應該約束的方向,注意檢查約束類型是否正確,檢查模型系統的自由度。
    在破碎機系統中,添加的約束有50多個,其中鉸鏈約束、圓柱副最多。破碎機的約束類型取決于破碎機裝配時的約束關系,如同軸關系在約束中就添加為圓柱副約束。在破碎機中,動顎與肘板之間的約束為鉸鏈約束,彈簧和拉桿之間為圓柱副約束,偏心軸和機架為圓柱副約束,動顎與偏心軸之間為圓柱副約束。
2.3運動的獲得
    在Motion中,定義一個系統的運動是靠定義一個約束的運動來獲得。在約束中,如果不是固定約束,總有一個或幾個自由度沒有約束,而在這些自由度上就可以添加運動來約束自由度。
    在破碎機中,破碎機的動力是通過電機獲得的。電機的運動帶動皮帶輪的轉動,而皮帶輪是用鍵跟偏心軸固定在一起,因此,給予皮帶輪的運動就等同于給偏心軸的運動,破碎機的機架是固定的,于是,就可以在偏心軸和機架的圓柱副約束上添加沿Z軸的旋轉運動。偏心軸的轉速是勻速轉動,如型號PEQ400×600的中碎破碎機,偏心軸轉速為300 r/min,即l 800( o)/s,添加此轉速到偏心軸上。設定仿真的時間和仿真的幀數等參數后,由AVI動畫可以看到,皮帶輪帶動破碎機運動,動顎向定顎做擠壓運動,同時,還做上下來回的往復運動。排料口隨著動顎的運動由寬到窄、由窄到寬的變化,符合破碎的實際情況。
2.4仿真結果分析
    (1)動顎運動軌跡曲線分析
    獲得運動仿真的軌跡是對仿真結果進行分析的有效手段之一。在低矮式破碎機中,動顎的運動軌跡是設計中至關重要的部分,它對破碎機的生產率、動顎襯板的磨損、破碎效果、破碎機受力以及機體外形尺寸和重量等都有影響。
    在仿真時,為了研究各點的軌跡,可以在動顎齒板上從進料口到排料口自上而下的選取均勻分布的5個點進行分析,如圖2所示。各點行程與運動軌跡見表1。
    由表1可以看出,動顎齒面上部是極度扁平
橢圓,逐漸到動顎下端為近似的橢圓。動顎齒面水平行程和垂直行程分布規律為:水平行程變化不大,一般為偏心距的近2倍;垂直行程,是從動顎上部較小,逐漸到動顎下端較大,垂直行程最大值,一般約比偏心距的值略小。
    分析運動軌跡可知,低矮式破碎機由于水平行程大,能實現強力破碎和喂料作用;垂直行程小,可使齒板磨損大大減少。該機型破碎機具有良好的運動特性。
    (2)質心速度曲線
    以動顎部件的質心作為研究對象,分析動顎部件的運動,如圖3所示,從圖中可以看出,X和y方向的速度是不同步的:當X方向速度為最大值時,y方向速度接近為零;當X方向速度為零時,方向速度接近為最大或最小值;X方向和y方向的速度總是接近相差一個相位。由于偏心軸給定的速度是一圓周角速度,是周期性的,所以,從動件的速度變化也是周期性的,從圖中可以看出,動顎部件質心X方向的速度最大值和最小值在正負每±0. 407 m/s左右。y方向的速度最大值和最小值在±0. 168m/s左右,從速度的大小可以得出,在動顎部件的質心處,動顎的運動軌跡并不是一個圓,而是一個橢圓,X方向的行程比y方向的行程要大。
圖3動顎部件質心的J和y方向速度曲線圖
(3)質心加速度曲線對于動顎部件來說,在破碎機運轉時會產生很大的慣性力,這種慣性力將在機器各運動副中引起一種動壓力,因而會增加運動副中的磨損,影響構件的強度,降低機器的效率。此外,由于慣性力的大小和方向周期性變化,將使機器及其基礎發生振動和偏心軸不均勻性回轉。因此有必要獲取動顎部件質心的加速度,為后續動力學分析提供依據。動顎部件質心的加速度曲線如圖4所示。
3、結語
    制作一臺大型物理樣機要花費大量的人力和財力,且周期較長。應用虛擬設計技術,可以使研發周期大大縮短。合理運用三維設計軟件的動態仿真技術,可以使設計工作更為直觀、準確和快速,從而提高設計效率,避免傳統設計中的“試驗修改”環節。
    本文以Solidworks軟件為設計平臺,對新型低矮式破碎機進行了虛擬建模,虛擬裝配,并進行了運動仿真,仿真結果顯示該機型破碎機具有良好的運動特性,其水平行程大,能實現強力破碎和喂料作用;垂直行程小,可使齒板磨損大大減少。
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