1、前言
    北京礦冶研究總院在粉碎機構學研究的基礎上，研制出自主創新的新型外動顎勻擺顎式破碎機，是用于礦物加工及土石質原料加工工業的新一代高效節能破碎設備。與同型號傳統顎式破碎機相比，能獲得動顎理想運動軌跡，生產能力提高10%、功耗降低10%～20%、外形高度降低20%、襯板壽命至少延長3倍以上、破碎比大2-3.5倍，產品的技術性能居國內外領先水平，經過多年研究，目前已開發出低矮型、大破碎比型兩個系列十幾種產品。低矮型特別適于井下、隧道等空間受限制場所及尖硬物料的地下強化開采連續出礦、建立移動破碎工廠。新開發的大破碎比型，設備配置成新的短流程，大大簡化和優化了破碎工藝流程。    在新型破碎設備的開發中，采用現代先進的破碎機設計與研究方法——數字化技術、虛擬樣機技術、動態設計等進行創新設計，大大提高新產品的技術性能、可靠性和設計水平，提高新產品對物料的適應性，縮短新產品的開發周期。本文分上、下兩篇介紹新型外動顎破碎機的理論研究，上篇介紹新型外動顎破碎機虛擬樣機的技術研究，下篇介紹新型外動顎破碎機的動態設計及機構動力平衡研究。
2、新型外動顎破碎機虛擬樣機的技術。研究
    傳統的產品設計開發模式是實體樣機，它不能在產品的開發設計階段就對產品生命周期全進程中的各種因素考慮周全，致使在產品設計甚至制造出來后才發現各式各樣的缺陷，實體樣機中任何系統設計方面的失誤都會帶來巨大的經濟損失。
    虛擬樣機是20世紀90年代初出現的一種新型產品設計和過程開發的方法。通過將虛擬現實技術和計算機仿真技術以及CAD技術相結合，建立起一個具有高度可視性的物理樣機的數字仿真原型，它是一種基于產品的計算機仿真模型的數字化設計方法。
    本研究在PA100120破碎機上進行。創建外動顎破碎機虛擬樣機，進行虛擬樣機運動學和數值仿真研究。
2.1新型外動顎破碎機虛擬樣機的創建
2.1.1新型外動顎破碎機數字化三維建摸
   在三維建模軟件Solid Edge的基礎平臺上建立了顎式破碎機的三維特征造型。通過零件建模、部件建模和干涉分析，創建了部件的三維數字模型。圖1、2、3分別為PA100120破碎機機架部、可調顎部和動顎部的三維數字模型。
2.1.2  VN仿真模型的建立
    在運動仿真軟件Virual Nastran(VN)的基礎平臺上，創建外動顎勻擺破碎機虛擬樣機。VN是集有限元分析、機構運動學與動力學和可視化技術于一體的多體系動力學理論開發的虛擬仿真系統。本課題選擇SE軟件進行建模工作。
    第一步：導人SE三維模型。
    第二步：確定仿真模型的基礎裝配零件。為了建模裝配和修改的方便，需要定義一個基礎裝配零件。基礎裝配零件應該選擇物理樣機里與地基固定在一起的較大的那個零件。在本研究中，選擇機架部的下底板作為基礎裝配零件。
   第三步：添加原動件。在VN中提供原動機約束來模擬實際的原動機。PA100120破碎機的原動機為功率110kW、轉速220r/min的電動機，電動機通過皮帶把扭矩傳遞給皮帶輪，帶動顎式破碎機的動顎運動，實現顎式破碎機的周期運動，忽略實際工作過程中的運動波動因素的影響，則可知該仿真模型的轉速是恒定的，在仿真分析中選擇轉速恒為220r/min的原動機約束來模擬電動機的作用。
    第四步：修改調整約束關系對。零部件裝配時選擇的裝配關系及它們之間的裝配距離合稱力裝配關系對。裝配約束對的選擇對仿真模型的結果至關重要。
    第五步：對所關心的變量進行監控輸出。
2.1.3新型外動顎破碎機虛擬樣機的創建
    新型大破碎比顎式破碎機是由動力部、機架部、動顎部、可調顎部、調整部、拉緊部幾大部件構成(圖4)。每個部件又由很多的零件構成，各零件之間通過各種連接方式聯系在一起，零件間的連接關系大致可以劃分為：固定連接（焊接）、螺栓連接、軸承連接和機構約束連接四種方式，下面根據這四種連接方式的特點來確定零件間的邊界條件。
2.1.3.1裝配約束對的選擇
    整個機架部除了掛軸、軸承部和肘板座外在運動過程中都不參與運動，可以認為機架部是與地基固連在一起的（掛軸、軸承和肘板座除外），因此在約束對選擇時，選擇剛性鉸鏈進行約束分配。
    可調顎部只有可調顎軸參與部件之間的關聯，而其他零件都不參與運動，故選擇剛性鉸鏈進行約束分配。
    動顎部是參與運動的重要部件，根據前面的分析，皮帶輪為顎式破碎機提供原動力，故選擇旋轉原動件作為皮帶輪的裝配約束。肘板座與動顎肘板相連，采取的是機構約束連接，動顎肘板與動顎部肘板座之間的連接簡化為旋轉鉸鏈作為它們之間的裝配約束。外軸承與機架部的軸承座相連，軸承座只容許外軸承繞其軸線作旋轉運動，而其它自由度都被限制，故可以選擇旋轉鉸鏈約束作為它們二者連接的裝配約束。
2.1.3.2運動仿真模型的建立
    顎式破碎機的運動可以近似地看作是一個鉸鏈四連桿機構，動顎邊板為連桿，肘板相當于作擺動的從動件，它們與偏心輪，機架構成了平面四桿機構。
在從SE導入到仿真軟件Visual Nastran時，VN自動為動顎肘板添加了兩個約束，一個是與偏心軸的平面旋轉運動（約束2736），一個是與前肘板墊剛性鉸平移約束（約束2734）。把顎式破碎機的運動簡化為鉸鏈四連桿機構，動顎肘板簡化為機構中的擺桿，接觸點1處用一剛性鉸鏈作為動顎肘板與動顎連桿的裝配約束；這樣這兩個約束就可以近似地仿真動顎肘板的周期擺動運動。
    通過對約束的不斷更改，直到最終能滿足或近似地滿足運動仿真需求，建立起與物理樣機相近的仿真模型。
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