基于SolidWorks的固定式破碎机设计验证一体化研究 （一）

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作者：徐必勇
固定式破碎机主要应用于各类矿山和采石场破碎机的入料口或格筛处，进行大块物料的二次破碎，也可用于冶炼厂对钢包和冶金炉进行打壳拆包等处理。本文采用三维软件SolidWorks对某型号固定式破碎机进行三维建模，并利用无缝插件Motion和Simulation对工作装置整体进行了运动学、动力学、静力学和模态的分析。整个分析过程是相互关联的，并得到了与实际相符的计算结果。为提高设计水平，解决同类产品一些共性问题提供了具有参考价值的分析方法。
一、虚拟样机的建模和仿真
1.三维实体建模
固定式破碎机工作装置主要由底盘、回转机构、动臂、斗杆、连杆、摇杆、液压锤、动臂油缸、斗杆油缸和转锤油缸等部件组成，以某型号型固定式破碎机为例，采用SolidWorks2010对工作装置主要部件进行三维建模，然后根据结构特点和功能要求，用内嵌的装配方法将各零部件装配起来，可以得到整体装配模型，结合仿真需要，将工作装置调整到合适的初始位姿(本文研究初始位置选用各油缸全缩状态)，如图1所示。

图1 固定式破碎机工作装置结构图

2.仿真平台
SolidWorks Motion是与SolidWorks 2010软件无缝集成的全功能运动仿真软件，Motion可以提供运动机构所有零部件的运动学性能(包括位置、速度和加速度)和动力学性能(包括接点反作用力、惯性力和功率要求)的完整量化信息。由于Motion和SolidWorks的无缝结合，不用耗费更多的时间就可以获得运动模拟结果，同时由于执行运动模拟所需的所有内容都已在CAD装配体模型中定义好了，只需将它们传输到运动模拟程序即可。Motion还可用于检查干涉，冗余约束检查和消除。通过仿真得出各零部件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等，并以动画、图形和表格等多种形式输出结果，以满足用户对运动仿真分析的诸多需求。
Simulation是一套强大的有限元分析软件。能对用SolidWorks设计的实体模型进行静态、热力、振动频率、疲劳、流体和扭曲等多项工程分析，也可以进行优化设计和非线性分析，是目前流行的CAE软件。
3.仿真工况
根据实际工作情况设定某型号型固定式破碎机的工作仿真时间为28s，采用SolidWorks motion插件中内嵌的阶跃函数STEP(TIME,t1,x1,t2,x2)按照各油缸工作顺序、油缸直径大小确定每阶段的时间分配，通过马达模块控制各油缸伸缩的位移，从而驱动液压锤锤尖实现期望的运动。为了获得工作范围的包络图、各构件的运动学和动力学特性，只需给出其在X-Y 面的仿真结果(马达旋转不作考虑)，将各部件重力加入后，通过函数表达式即可实现对整个工作过程的仿真。
通过motion动力学仿真，可以适时地分析各工况的受力情况，确定各部件出现危险工况的位置。本文在此基础上利用Simulation软件进行了工作装置整体静力学与模态的分析。
二、仿真分析
1.运动学仿真分析
当工作装置以一定的形式运动时，其速度、加速度与各油缸伸缩的速度和加速度有着严格的依赖关系，在进行运动控制时，将实现给定的打击部件位置和速度信息变换为各油缸伸长的控制指令，从而驱动打击部件实现期望的运动。因此当工作装置的结构尺寸及油缸铰点已经确定时，工作范围主要取决于各油缸选型尺寸。运行仿真打击部件的运动轨迹如图2，该图也表示出了整个装置的运动极限包络图。在结果中可以得出各点的速度、位移和加速度等运动学相关特性参数曲线，并可以输出到Excel中处理，图3为锤尖在XY平面的位移曲线。

图3 XY平面的位移曲线