顎式破碎機(jī)是礦山生產(chǎn)、建設(shè)用料加工及聚合化工生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，被廣泛地應(yīng)用于各種金屬與非金屬礦山、化工礦物以及水泥、建材等物料的生產(chǎn)加工中。近年來(lái)，隨著礦山生產(chǎn)和建材加工中一些新理論的提出，用戶(hù)希望散體礦石能夠在破碎階段盡可能地得到粒度更細(xì)、塊度更好的產(chǎn)品。此外，隨著全球礦產(chǎn)貧化現(xiàn)象的出現(xiàn)，在保持或增加各種金屬與非金屬礦產(chǎn)量的前提下，要求處理的原礦量就大大增加，這對(duì)破碎設(shè)備提出更高的要求，也面臨更大的挑戰(zhàn)。無(wú)疑，現(xiàn)行落后的顎式破碎機(jī)不能承擔(dān)新時(shí)期的生產(chǎn)任務(wù)，必須開(kāi)發(fā)高性能、低能耗的新型顎式破碎機(jī)。
國(guó)外從上世紀(jì)中后期開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)鄂式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)、腔型、產(chǎn)量和磨損等進(jìn)行優(yōu)化，研制開(kāi)發(fā)出無(wú)塞點(diǎn)、高度低、重量輕、產(chǎn)品粒型好、產(chǎn)量高的高性能、低能耗的新型顎式破碎機(jī)，從而大大提高了破碎機(jī)的性能，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而國(guó)內(nèi)對(duì)顎式破碎機(jī)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究主要限于對(duì)特定型號(hào)的顎式破碎機(jī)編寫(xiě)相應(yīng)程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些程序大多重用性差，只能解決特定型號(hào)中的特定問(wèn)題。然而破碎機(jī)的優(yōu)化內(nèi)容是根據(jù)不同客戶(hù)要求需要經(jīng)常變化的，因而仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)工作經(jīng)常要重復(fù)大量而繁鎖的編寫(xiě)程序工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還延長(zhǎng)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。本文嘗試?yán)孟冗M(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)工具對(duì)新型顎式破碎機(jī)進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)，對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而大大減小了仿真設(shè)計(jì)的工作量，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了仿真模型重用率。本文利用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件ADAMS對(duì)新型復(fù)擺顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真優(yōu)化，其主要任務(wù)是優(yōu)化破碎機(jī)給、排料口水平及垂直行程和行程特性系數(shù)，從而提高破碎機(jī)處理量，減小破碎機(jī)重量，增強(qiáng)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小破碎機(jī)襯板磨損，從而大大提高破碎機(jī)工作性能。
一、優(yōu)化仿真模型的建立
1.顎式破碎機(jī)工作原理及其結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)破碎機(jī)性能的影響
顎式破碎機(jī)是典型的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖1中四桿機(jī)構(gòu)中AB曲柄為破碎機(jī)偏心軸，BD連桿為破碎機(jī)動(dòng)顎，CD搖桿為破碎機(jī)肘板，EF為破碎機(jī)定顎。增大曲柄AB的長(zhǎng)度，將增大破碎動(dòng)顎上各點(diǎn)的水平行程值，從而提高破碎機(jī)生產(chǎn)能力，但另一方面也會(huì)增加破碎機(jī)功耗，惡化破碎腔受力狀況。減小A點(diǎn)相對(duì)于E點(diǎn)的高度（減小懸掛高度h），可增大動(dòng)顎上各點(diǎn)的水平行程，減小破碎機(jī)高度，減輕破碎機(jī)重量，減小動(dòng)顎上各點(diǎn)行程特性系數(shù)，從而大大提高破碎機(jī)工作性能。減小連桿長(zhǎng)度則有利于增大動(dòng)顎下端水平行程，減小行程特性系數(shù)，對(duì)提高生產(chǎn)能力和延長(zhǎng)顎板使用壽命都是極為有利的。但過(guò)短的連桿給機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難并使動(dòng)顎受力惡化。連桿傾角對(duì)應(yīng)于破碎腔嚙角，減小破碎腔嚙角有利于提高破碎機(jī)產(chǎn)量，改善破碎作用力并有利于采用新的破碎原理（如層壓破碎原理）。但嚙角過(guò)小，將使破碎機(jī)高度增大，機(jī)重增加，機(jī)架長(zhǎng)度加長(zhǎng)。傳動(dòng)角的大小對(duì)破碎機(jī)性能影響很大，增大傳動(dòng)角有利于改善破碎機(jī)受力，提高散體物料破碎力，但同時(shí)也會(huì)減小動(dòng)顎下端水平行程，增加垂直行程，從而加大動(dòng)顎襯板磨損，減小襯板壽命。
2.設(shè)計(jì)任務(wù)的提出與機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立
(1)設(shè)計(jì)任務(wù)的提出
隨著全球礦產(chǎn)貧化，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)各種金屬及非金屬礦產(chǎn)需求量的增加，各大礦山及建設(shè)用料加工單位對(duì)顎式破碎機(jī)提出更高要求，因此，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)量大，低能耗，高性能的顎式破碎機(jī)需求量大大增加。此外，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品需求的多樣化、個(gè)性化對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)提高更高的要求。本文所討論的新產(chǎn)品PF1600X2100復(fù)擺顎式破碎機(jī)是某用戶(hù)對(duì)廠(chǎng)家提出的新要求。PF1600X2100大型復(fù)擺顎式破碎機(jī)的單重達(dá)到150噸，機(jī)高超過(guò)4米，設(shè)計(jì)生產(chǎn)此種大型顎式破碎機(jī)在國(guó)內(nèi)尚屬首次，對(duì)設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為對(duì)PF1600X2100破碎機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)達(dá)到一次成功，最大程度地減小產(chǎn)品潛在的影響因素，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)PF1600X2100進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(2)機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型的建立
機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)變量的確定，目標(biāo)函數(shù)的建立以及設(shè)計(jì)約束的確定，此三部分組成了機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。所以在顎式破碎機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)以顎式破碎機(jī)偏心軸偏心距和動(dòng)顎上、下端行程特性值為目標(biāo)函數(shù)，以破碎機(jī)的功耗、產(chǎn)量、機(jī)重、襯板磨損以及破碎腔性能為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，另外還要以以上七種優(yōu)化目標(biāo)的某幾種的通過(guò)加權(quán)因子組合函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。其中通過(guò)加權(quán)因子組合變量?jī)?yōu)化時(shí)，由于加權(quán)因子的確定比較困難，故常常以前面七種情況為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本文中所討論P(yáng)F1600X2100復(fù)擺顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)要求為：破碎機(jī)偏心軸偏心距為30mm，連桿長(zhǎng)度為3000mm左右，破碎腔設(shè)計(jì)為3640mm，破碎腔嚙角22度，傳動(dòng)角為45~55度，動(dòng)顎上端厚度為850mm，動(dòng)顎下端為1490mm，肘板長(zhǎng)度為800~1000mm，行程特性系數(shù)為1.1~3.0，破碎機(jī)懸掛高度為100~160mm。本文中主要對(duì)新型顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取動(dòng)顎上、下端行程特性系數(shù)值最小為目標(biāo)函數(shù)，其設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件如下所示：
設(shè)計(jì)變量
取連桿長(zhǎng)度，破碎機(jī)懸掛高度，肘板長(zhǎng)度及傳動(dòng)角為設(shè)計(jì)變量：
目標(biāo)函數(shù)
目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，以表示，優(yōu)化過(guò)程可以按目標(biāo)函數(shù)極大或者極小來(lái)處理，在本文中即是動(dòng)顎上、下端行程特性系數(shù)m為極小，可表示為：
 
約束條件
根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，約束條件為：
在已有的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在建立設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件后，主要工作就是編寫(xiě)針對(duì)本次優(yōu)化的仿真設(shè)計(jì)程序來(lái)優(yōu)化顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。其主要弊端是針對(duì)不同的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束方程，必須編寫(xiě)不同的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，這不僅要做大量類(lèi)似的重復(fù)工作，而且還延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和上市時(shí)間，降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)反映能力。本文基于現(xiàn)有成熟的ADAMS虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，對(duì)PF1600X2100復(fù)擺顎式破碎機(jī)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，這不僅大大減小優(yōu)化設(shè)計(jì)工作量，而且極大提高仿真分析可靠性，加快產(chǎn)品上市時(shí)間，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
二、ADAMS對(duì)破碎機(jī)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)
1.虛擬機(jī)構(gòu)模型的建立
ADAMS提供非常方便的三維建模技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、模型分析技術(shù)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)、優(yōu)化仿真分析技術(shù)、利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的技術(shù)等等。本文主要利用ADAMS/VIEW模塊對(duì)PF1600X2100新型顎式破碎機(jī)進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。在優(yōu)化分析之前，先建立虛擬機(jī)構(gòu)模型，如圖2所示。
圖2 虛擬機(jī)構(gòu)模型
如圖2中所示，采用ADAMS中的連桿模型建立破碎機(jī)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其中右上部橙色桿件為破碎機(jī)偏心軸、綠色板塊是破碎機(jī)動(dòng)顎部件，青色桿件為破碎機(jī)肘板，紅色板塊為破碎機(jī)定顎齒板。此外，建立工作桿件之間的約束與驅(qū)動(dòng)關(guān)系，右上部半圓箭頭是對(duì)破碎機(jī)偏心軸施加的驅(qū)動(dòng)力矩，各桿之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接，其中定顎、肘座基部及曲柄中心與大地固接。
2.設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件的確定
設(shè)計(jì)變量在ADAMS中的表達(dá)主要是通過(guò)給定各端點(diǎn)坐標(biāo)值變化約束范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值并使之為極小，從而達(dá)到最優(yōu)化的目的。目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)ADAMS的測(cè)量功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)量定義機(jī)構(gòu)中動(dòng)顎上、下端點(diǎn)水平行程與垂直行程的變化及行程特性系數(shù)，在仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中監(jiān)控上、下端行程特性系數(shù)，而優(yōu)化變量則在整個(gè)約束允許的范圍內(nèi)按規(guī)律離散取值，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極小或者極大時(shí)，仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束。約束條件是通過(guò)ADAMS所提供的設(shè)計(jì)變量變化范圍和傳感器功能來(lái)確定的，當(dāng)取值超出允許范圍時(shí)，此次仿真迭代取消，進(jìn)入下一仿真迭代計(jì)算。
3.仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)
在ADAMS中確定設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件后，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真優(yōu)化按目標(biāo)函數(shù)的不同分兩種情況進(jìn)行，即以下端行程特性系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)和以上端行程特性系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)。在仿真分析過(guò)程中，主要對(duì)動(dòng)顎上、下端行程特性系數(shù)，上、下端水平行程，懸掛高度，連桿長(zhǎng)度，肘板長(zhǎng)度，破碎腔嚙角和傳動(dòng)角等等進(jìn)行跟蹤記錄。以下端行程特性系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)的部分優(yōu)化結(jié)果記錄如圖3及表1所示。
圖3 仿真分析結(jié)果
表1 以排料口行程特性系數(shù)[代碼7]為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)
將顎式破碎機(jī)動(dòng)顎水平行程設(shè)計(jì)得大些有利于提高破碎機(jī)產(chǎn)量，強(qiáng)化對(duì)散體物料的破碎作用。而將將顎式破碎機(jī)動(dòng)顎水平行程設(shè)計(jì)得小些則有利用減小定、動(dòng)顎襯板磨損，改善破碎機(jī)受力，延長(zhǎng)襯板使用壽命。破碎腔嚙角的大小直接關(guān)系到物料的受力狀態(tài)，機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和破碎機(jī)產(chǎn)量，小的嚙角有利于提高破碎機(jī)產(chǎn)量，利用先進(jìn)破碎原理進(jìn)行物料破碎，但破碎機(jī)高度將增加。衡量各方面因素，結(jié)合破碎機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，表1中第一組和第二組數(shù)據(jù)比較合理，可作為破碎機(jī)設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)。
以上端行程特性系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。
表2 排料口行程特性系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)
同表1中分析相似，綜合考慮破碎機(jī)產(chǎn)量、受力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)高、重量和襯板磨損情況等因素，從表2中取出第一組及第二組數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)。
4.仿真優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析
根據(jù)以上分析，取出表1、表2的第一、第二組數(shù)據(jù)作為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參考依據(jù)并列于表3。
表3 目標(biāo)函數(shù)不同時(shí)結(jié)果對(duì)比分析
從表3中數(shù)據(jù)可知，在分別以排料口行程特性系數(shù)和給料口行程特性系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化仿真分析，可得到1、3兩組完全相同的優(yōu)化結(jié)果，依據(jù)破碎機(jī)設(shè)計(jì)原則（破碎機(jī)產(chǎn)量、受力狀況、行程特性系數(shù)、襯板磨損原則、機(jī)器重量等因素）可知，這兩組完全相同的數(shù)據(jù)優(yōu)于其它兩組數(shù)據(jù)。從表中可知，1、3兩組數(shù)據(jù)有較小的連桿長(zhǎng)度，較大的動(dòng)顎上、下端水平行程、相應(yīng)較小的破碎腔下端行程特性系數(shù)，這些因素有利于提高破碎機(jī)產(chǎn)量，改善破碎機(jī)受力，減小襯板磨損及減輕機(jī)器重量，從而大大提高了破碎機(jī)工作性能，故應(yīng)采用表3中第1或者第3組數(shù)據(jù)對(duì)PF1600X2100復(fù)擺顎式破碎機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，采用ADAMS對(duì)PF1600X2100顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行而可靠的。該仿真優(yōu)化分析結(jié)果用于某破碎機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家，該新型顎式破碎機(jī)一次試制成功并成功運(yùn)用于某廠(chǎng)礦企業(yè)，得到用戶(hù)好評(píng)。
三、結(jié)語(yǔ)
大多數(shù)設(shè)計(jì)人員對(duì)顎式破碎機(jī)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)采用針對(duì)不同型號(hào)的破碎機(jī)，不同的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件需要編寫(xiě)不同的仿真設(shè)計(jì)程序，大量重復(fù)許多繁鎖的相似工作，這不僅增加了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作量，而且延長(zhǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，影響產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文利用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件對(duì)PF1600X2100顎式破碎機(jī)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品工作性能，為產(chǎn)品一次試制成功奠定基礎(chǔ)。
利用ADAMS軟件對(duì)顎式碎石機(jī)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同型號(hào)的顎式破碎機(jī)，不同的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件，研發(fā)人員不需要自己編寫(xiě)程序，不需要重復(fù)大量繁鎖的程序編寫(xiě)工作，研發(fā)人員只需更改各桿件端點(diǎn)的坐標(biāo)范圍值就可對(duì)不同型號(hào)、不同規(guī)格、不同設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)及約束條件的各種型號(hào)的顎式破碎機(jī)進(jìn)行各種仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而極大地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市時(shí)間，提高產(chǎn)品工作性能，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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