圆锥破碎机动锥衬板的有限元分析

张　周， 陈水胜， 沈　琛， 张梦莎

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068；2 武汉铁路职业技术学院机车车辆学院，湖北 武汉 430205；3 湖北铁道运输职业学院， 湖北 武汉 430064



圆锥破碎机动锥衬板的有限元分析

张周1， 陈水胜1， 沈琛2， 张梦莎3

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068；2 武汉铁路职业技术学院机车车辆学院，湖北 武汉 430205；3 湖北铁道运输职业学院， 湖北 武汉 430064

利用圆锥破碎机分层破碎的原理，将动锥衬板进行分层，分析各层的受力情况。将建立好的衬板三维模型导入到ANSYS Workbench中，分析衬板的静力学和动力学特性，从而了解衬板在工作状态中的应力应变及振动情况，为衬板的结构优化提供理论基础。

圆锥破碎机； 分层破碎原理； ANSYS Workbench； 结构优化

圆锥破碎机是一种广泛应用于冶金、建筑、化工等行业的重型机械设备。动锥衬板是该设备上的重要部件，也是易损零件。本文将动锥衬板进行分层，分析衬板各个破碎层的受力，以便模拟出衬板在工作状态下真实的受力情况，通过对动锥衬板的静力学和模态分析，为后面动锥衬板的结构优化提供理论依据。

1　圆锥破碎机动锥衬板受力分析

在正常工作状态下，圆锥破碎机破碎力的大小会受到矿石的物理化学性质、硬度、机械性质、破碎方法以及矿石在破碎腔中的分布状态等诸多因素影响[1]，如果用理论公式来计算破碎力是很困难的，所以采用通过破碎机正常工作时液压缸所产生的压力来计算破碎力，即破碎力[2-3]

(1)

式中：D是液压缸的柱塞直径；P是正常破碎矿石时液压缸的所受工作压力；N为液压缸的个数；α为动锥的锥底角；γ为圆锥破碎机的进动角。将参数带入到式(1)中，算出圆锥破碎机的总破碎力F=2.5×106N。

圆锥破碎机破碎腔中，单位破碎力与破碎腔宽度成正比，而与动锥的摆动行程成反比，公式如下[4]：

(2)

式中：dn为各截面所对应的破碎腔宽度，mm；en为各截面所对应的偏心距，mm；k为系数，大小为常数。

将破碎腔分成13层(图1)，每一层所对应的破碎腔宽度和动锥摆动行程见表2。

图 1　破碎腔分层图

表1　衬板各截面数据　mm

根据式(2)可以求出各个截面所对应的单位破碎力Pn，破碎机的总破碎力等于各个破碎层单位破碎力相加的和，而fi为各个破碎层截面所分布的破碎力，计算方法为各截面所占破碎力的比与总破碎力的乘积，即

(3)

根据该公式可以得到各截面数分布的破碎力值，其值如表2。

表2　衬板各截面的力　N

2　动锥衬板的静力学分析

2.1动锥衬板有限元模型的建立

利用三维建模软件SOLIDWORKS建立衬板的立体模型，然后将建立好的衬板模型导入到Workbench中(图2)。采用六面体单元，将模型划分为5 735个有限单元，共有31 880个节点。将衬板内表面施加全约束，载荷的施加为节点力，力的大小如表2所示。

图 2　衬板的三维模型

2.2结果分析

衬板求解后的应力云图见图3，位移分布云图见图4。

图 3　应力云图

图 4　位移分布云图

从动锥衬板应力云图可知，动锥衬板的最大等效应力值为619.09 MPa，发生在动锥衬板外表面的边缘处，且衬板的最大等效应力值小于衬板材料的许用应力值625 MPa，此外动锥衬板与矿石直接接触的外表面应力值也很大，主要分布在衬板破碎区域的下边缘附近，越靠近排料口处衬板所受到的应力越大，非破碎区域的应力值则很小。

由动锥衬板的位移分布云图可知，动锥衬板的最大位移值为0.509 mm，发生在衬板下边缘，主要是由于衬板的一侧受到挤压后产生弯曲形成的，非破碎区域的位移变化很小。

3　动锥衬板的模态分析

由于圆锥破碎机在工作过程中有剧烈的振动，所以要对衬板进行模态分析，而低阶振型对结构的动态特性起决定性作用，高阶振型作用较小[5]，通过模态分析来避免因为共振而引起的机械零件的损坏。圆锥破碎机的偏心套的转速为330 r/min，所以固有频率为f=5.5 Hz。将衬板与动锥相结合的面施加全约束，提取前六阶模态。振型图见图5。

(a)一阶振型

(b)二阶振型

(c)三阶振型

(d)四阶振型

(e)五阶振型

(f)六阶振型图 5　动锥衬板振型

表4　衬板的振型描述

由表4可知，衬板振动时的固有频率大于5.5 Hz的圆锥破碎机工作频率，所以衬板不会发生共振。衬板的第一阶振型频率和第二阶振型频率比较接近，第三阶振型频率和第四阶振型频率也比较接近，第五阶振型频率和第六阶振型频率也接近，都可视为重根。衬板的振动主要是衬板底部的内外振动，因此，振动的危险点主要集中在衬板的中下部分，且随着振型阶数的增高，危险点的数量也递增，衬板的中部到底部之间振动剧烈。

[1]董钢, 范秀敏, 张曦,等. 基于层压破碎理论的圆锥破碎机破碎力分析及运动学研究[J]. 机械工程学报, 2010, 46(17):159-164.

[2]尚思思, 张园园, 张巨伟. 基于ANSYS的某圆锥破碎机主要部件的静力分析[J]. 当代化工, 2013(3):336-338.

[3]闵希春. H8800圆锥破碎机关键部件的有限元分析[D]. 沈阳：东北大学, 2011.

[4]王伟. 圆锥破碎机耐磨腔型优化设计[D]. 沈阳：辽宁科技大学, 2012.

[5]李厚旭. 圆锥破碎机动力学研究[D]. 秦皇岛：燕山大学, 2014.

[责任编校： 张众]

The Finite Element Analysis of Lining Board ofthe Cone Broken Mobile Cone

ZHANG Zhou1，CHEN Shuisheng1，SHEN Chen2，ZHANG Mengsha3

(1SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China;2DepartmentofLocomotiveandVehicleEngineering,WuhanRailwayVocationalCollegeofTechnology,Wuhan430205China;3HubeiVocationalCollegeofEailwayTransportation,Wuhan430064,China)

Using the hierarchical crushing principle of cone crusher, this paper will layer the dynamic cone plate and analyze the stress distribution of each layer. The established 3D model will be imported into ANSYS Workbench in order to analyze the statics and dynamics properties of liner. The results will be helpful for understanding the lining in the working state of stress and strain and vibration situation, and for providing theoretical basis for the structure optimization of lining the board .

cone crusher; hierarchical crushing principle; ANSYS Workbench; structure optimization

2016-03-02

张周(1989-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械设计理论

1003-4684(2016)04-0024-03

TD451

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