针对圆锥破碎机的有限元计算与分析

圆锥破碎机是破碎设备的代表机型，具有电耗少、处理量大及产品粒度均匀等特点，主要应用于冶金、化工、建材、电力及交通等行业，用于粗碎坚硬和中硬度的各种矿石和岩石。随着产品大型化和市场较高化的需求，对设计制造水平的要求越来越高。

离散元方法用于研究离散体的运动行为，可在介质运动分析、功率预测、衬板设计及碰撞能量分布等方面提供很多量化数据，但在结构受力分析等方面尚有欠缺。而有限元方法的长处在于结构受力及运动分析，可广泛应用于各种静力、动能学分析。对于大型破碎机主要部件的受力分析，国内目前仍然主要采用理论分析与有限元静力分析相结合的方法。下面红星圆锥破碎机生产厂家进行了圆锥破碎机关键部件的有限元分析研究。这种基于传统静态受力分析的机械设计方法越来越难以满足产品设计的需求，设计者越来越倾向于在设计阶段就能明确设备在运行过程中的受力、偏载以及振动等状况，以便在设计阶段通盘考虑，而运用动态仿真有限元技术即可满足此要求。

我们针对某国产大型圆锥破碎机，克服了设备结构庞大、有限元建模复杂和计算量超大等困难，基于动载有限元分析软件 ，就整机破碎矿石进行了动态仿真模拟，给出了各关键部件的受力计算情况，并结合实际进行了合理分析，为设计提供了参考。

1、有限元模型的建立与计算

破碎机的动能源是电动机，电动机带动圆锥齿轮，圆锥齿轮带动偏心套，偏心套带动破碎圆锥做偏心旋转运动，处在破碎圆锥和机架衬板之间的矿石受到挤压、弯曲、碰撞和摩擦等作用而被破碎，最终从破碎圆锥和机架衬板下端的排料口排除，完成破碎过程。

由于圆锥破碎机机身庞大，结构复杂，为适应有限元分析的需要，提高网格质量和计算的准确性，需要对几何实体进行结构简化，删去一些不重要的倒角、圆角、螺孔以及肋板等，简化一部分细小的接触结构（如平键接触以及齿轮啮合接触等）。在动载有限元 中所有零部件均采用实体单元建模，为简化计算，对接触部件进行六面体单元网格划分，其他部分均为四面体单元，单元总数约为70 个，单元属性设为常应变，采用随动塑性材料模型。在本计算模型中，各部件之间的界面接触均采用自动的面对面接触，静摩擦因数为0.11，动摩擦因数为0.08。

根据模型简化设计方案，动能（角速度）直接加载在简化的圆锥齿轮上，矿石的大小与强度根据设备最恶劣受力条件假设，材料为随动硬化屈服材料，初始屈服应力为220MPa，不施加任何位置约束，只施加重力加速度；对下机架底面进行全约束，其他部分主要根据它们之间的装配关系来施加约束。采用显式动能有限元方法对上述破碎过程进行了模拟分析。

2、有限元计算结果分析

在额定转速下破碎矿石某一瞬时各部件等效应力分别为：

（1）上横梁局部位置（与动锥棱边摩擦处）等效应力值较大，达到309.1MPa，其余位置等效应力值均较小；

（2）衬板及机架等效应力值均不大，较大值分别为14.52和17.17MPa；

（3）底座个别单元等效应力偏大，达到289MPa，主要是局部应力集中；

（4）动锥及液压缸接触区域分别达到128.1和209.4MPa，其余部位较小，动锥圆角处没有明显应力集中现象；

（5）偏心钢套中部区域约为126.3MPa，底部部分区域达到307.5MPa，这主要与简化接触设置有关；

（6）偏心铜套个别单元达到187.5MPa，中部区域约为114.7MPa；

（7）矿石较大等效应力为243.2MPa；

（8）地脚螺栓局部等效应力达292.6MPa。

从以上分析可以看出，在既定载荷状态下，机架、衬板这些不直接与运动部件接触的部件受力状态较好，而其他与运动部件直接接触的部件均出现个别单元受力较大的情况。经分析，除了有个别模型简化、网格质量等原因外，振动、碰撞是造成等效应力值较大的主要因素。

3、计算分析结果及总结

（1）运用动载有限元分析方法可以对破碎机破碎过程进行较为全面的过程状态分析，各部件不同时刻的受力、位置等情况可以随时表现出来，可真实描述矿石的破碎瞬间。

（2）在破碎矿石的过程中，由于运动速度较高，依靠静力分析无法真实反映设备在动态下的真实状态，可借助动态有限元分析达到此目的。

（3）由于动载有限元计算结果的存储并不是连续的，因此，不一定能非常准确地捕捉到载荷较大的那一刻，某一时刻的计算数据不一定能完全代表最危险状态。

（4）由于动载有限元分析通常不是针对单个零件，而是会涉及到一系列的零部件，对于大型复杂设备势必会造成系统单元数超大、计算量急剧增加的问题，而过度简化又会引起计算失真，因此，期待有更好的有限元动态分析计算方法。

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