XJPG-150型盘辊破碎机星形架强度分析及结构改进

闫少华， 田海兰

（1.机械工业第六设计研究院有限公司，郑州450007；2.郑州财经学院机电工程系，郑州450044）

0 引言

矿山资源需求的日渐增大和现代制造技术的迅猛发展使得破碎机朝着大型化方向发展［1］，XJPG-150型星形架式盘辊破碎机是某公司为顺应市场需求而研制的大破碎比的物料粉碎设备，可广泛用于矿山、冶金以及建材等行业中岩矿物料的破碎工艺过程。

星形架作为该破碎机中的关键结构，主要由Q235A材料的星形架箱型支臂、竖直圆立柱、锥辊支承板等通过焊接组合而成，当破碎机进行工作时，物料在辊盘之间进行破碎时产生的机械冲击力会直接通过3个破碎锥辊对星形架的3个支臂产生作用，产生较大且较为复杂的机械振动，对星形架及整机的寿命起到至关重要的影响，因此很有必要对星形架的强度特性进行研究，从而更好地指导整机的设计及改进。

图1 XJPG-150型星形架式盘辊破碎机结构图

1 星形架结构受力分析

如图1，星形架支臂6属于变刚度静定结构，它的每个箱型支臂P点均受到加载液压缸施加的40 t的向下的作用力，自身受到的内力和支反力可由静力平衡条件求解得出［2］。这里以锥辊为研究对象，综合破碎时的极限工况，锥辊的自身重量由物料的支承力相互抵消，分析其受力情况，如图2所示，由力的平衡条件可得

图2 架辊受力示意图

因 ON∶MN＝880∶1175，OM∶MN＝295∶1175，F=4×105N，依据作用力与反作用力的关系，可知星形架支臂 M、N 点的受力为 FM′=3×105N，FN′=1×105N，方向竖直向上。

2 星形架有限元强度与刚度分析

2.1 星形架有限元模型的建立

在进行有限元静强度分析之前，将SolidWorks中建立的星形架三维模型导入到ANSYS Workbench中，其主要技术参数如表1所示，进行网格划分的结果如图3所示。

表1 星形架有限元模型技术参数

2.2 计算结果分析

星形架由Q235A钢板经过焊接而成，这种低碳钢失效的形式多为塑性屈服失效，因此作数值分析的时候选择Von Mises等效应力作为其结构强度的判断标准［2］。对星形架的3个支臂进行约束，按极限工况施加载荷后计算，得到的结果如图4、图5所示。

图3 星形架有限元网格划分结果

图4 星形架变形分布图

据此，星形支架本身的机械变形和应力都较小，其最大变形产生在竖直圆立柱下面的锥辊支承销孔的周围，最大变形量达到0.13971 mm，根据《钢结构设计规范（GB50017-2003）》查其许用挠度为［f］=0.45 mm，所以变形量完全满足设计要求；图5为星形架各节点的等效应力云图，根据云图可知星形架最大等效应力在星形架支臂连接与3个液压缸的销轴孔处，为80.888 MPa，远远小于其许用应力，因此有必要对星形架的结构进行优化，在满足使用性能和力学要求的前提下达到降低材料成本和结构轻量化的目的。

3 星形架结构优化及结果验证

机械优化设计是依据设备性能、承载能力、结构重量或者产品成本等要求来确定有关结构参数，希望达到结构设计的最优化目标，广泛应用于机电产品、航空航天、航海等多个领域［3-4］。

根据前面的静强度分析得知，星形支架的最大变形部位为锥辊下支承板及支臂架与液压缸的连接处，由于它整体刚度及强度余量较大，总优化目标为：在满足强度与刚度的前提下，尽可能减小星形支架结构的板厚，以期达到结构重量、整体的变形以及等效应力三者之间的最优化。对星形支架进行优化时，将其支臂架板及衬板的厚度x1、中间支撑管厚度x2及锥辊支承座耳板壁厚x3作为优化设计的2个变量，优化目标为减轻星形支架的重量，根据使用工况，对其进行优化的数学模型如下：

根据优化结果，当星形支架臂板以及衬板厚度取20 mm，中间支撑管厚度及锥辊支承板左右2个耳板厚度为原始值时，目标函数为最小值并且各项参数指标都在设计要求的范围之内，可视为最佳方案。这时，优化之后的星形支架的总重量（Weight）仅为3740.8 kg，比原始重量5062.6 kg降低了26.11%，其最大变形量fmax也仅为0.16 mm，等效应力最大值σmax仅为120.98 MPa，分布云图如图6、图7所示。

图6 优化后的变形分布图

图7 优化后的等效应力分布图

根据优化后的星形支架的受力情况及变形情况，其最大应力小于星形架的最大许用应力150 MPa，最大变形量也在许用挠度范围之内，均可满足星形支架的强度及刚度要求。

4 结论

1）利用ANSYS Workbench软件对星形支架的关键结构部件进行静态强度分析，计算出等效应力和最大变形情况，根据分析结果，星形支架最大变形量为0.13971 mm，最大等效应力为80.888 MPa，整体强度富余量较大，有必要对星形支架进行结构优化和改进。

2）基于静强度分析和星形架的数学优化模型，对其进行整体结构优化，使重量减少了26.11%，并对改进之后的星形支架进行强度分析及验证，其应力及变形都在许可的范围之内。

3）通过对星形支架结构强度进行分析及优化，证明了有限元分析方法在机械设备设计过程中的重要作用。

［1］ 彭光.常用破碎机的发展现状及日常维护［J］.中国新技术新产品，2009（22）：149-150.

［2］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 胡明振，彭会清，刘艳杰.基于COSMOS的永磁盘式强磁选机磁盘结构优化设计［J］.矿山机械，2011（39）：92-95.

［4］ Hyder M J，Asif M.Optimization of location and size of opening in a pressure vessel cylinder using ANSYS［J］.Engineer Failure Analysis，2007（1）：1-19.