破碎机箱体结构设计与动态特性研究
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摘 要 随着社会经济的发展，我国的工程建设越来越多，对破碎机的应用也越来越广泛。本文以一种前后带有双开门的可逆式反击式破碎机箱体为例，利用SolidWorks软件建立三维模型，再利用ANSYS Workbench软件对破碎机箱体进行有限元模态分析。通过分析了解了箱体固有频率与振型等破碎机箱体动态特性，为破碎机箱体动态优化设计奠定了基础。
关键词 可逆式反击式破碎机箱体;有限元分析;动态特性
引言
近些年来，许多地下矿物开采单位，出于降低矿石提升成本及降低运输费用等方面的考虑，已经将矿石的破碎工序转移至矿井下进行。但由于传统破碎机最大件（机架、动颚体）基本都是整体焊接结构，外形较高，使得大型破碎机无法通过罐笼或斜坡道正常运输到井下。这就大大提高了井下矿石破碎作业对大型拆分式外动颚式破碎机的需求，使得大型拆分外动颚式破碎机的推广应用具有极大的市场潜力和产业化前景。
1 破碎机箱体的结构形式
破碎机箱体是破碎机的关键承载部件，不同种类的破碎机的破碎机箱体也不同。在破碎机箱体结构的设计上，应力求结构简单。在结构设计中应满足功能的要求，有恰当的刚度、强度和稳定性。破碎机箱体按结构分为整体箱体与组合箱体两种形式。整体箱体由于制造、安装和运输困难，故不适于用于大型破碎机，而多为中小型破碎机采用。它比组合箱体刚性好，但制造比较复杂。组合箱体用于大型破碎机，它有两种形式：一种是上箱体与下箱体结构形式，上下箱体间用螺栓连接。另一种是左右箱体形式，或左中右箱体形式，箱体之间用螺栓连接。较特殊的有英國某公司制造的破碎机箱体，是由四个部分拼接而成，侧壁采用焊接结构。日本某公司制造的破碎机箱体，采用组合结构，侧壁是由钢板焊接而成，前后箱体则是铸钢件。原西德制造的旧式破碎机箱体为铸造整体结构，而大型破碎机箱体则采用了组合结构，箱体外围设有加强筋。国内制造的破碎机箱体，大多采用整体结构，大型破碎机箱体采用焊接结构[1]。
2 破碎机设计方案
传动系统包括电机、液力偶合器、减速机、联轴器，其中电机主要为设备输出动力;液力偶合器能够提高电机的启动平稳性，减少冲击和振动，同时也是破碎机卡堵时的一种机械保护装置;减速器的主要作用为降低齿辊转速、提高破碎扭矩;联轴器主要用于破碎齿辊与减速机的连接。通过对破碎齿辊进行特殊的齿型设计与布置，使其旋转起来类似于滚轴筛，能够使小块物料直接从2辊之间通过，仅对大块物料进行破碎，从而达到节能降耗的目的。齿辊破碎物料的过程中，首先齿尖对物料产生刺破作用，随着齿辊的旋转，物料被辊齿咬合，在1个辊的相邻2个齿及对面齿辊的1个齿形成1个啮合空间，对物料产生剪切及弯曲破碎作用，随着物料的进一步下落，大块物料在2个齿辊中间又会受到一定的挤压破碎作用，通过以上3步完成整个破碎过程[2]。
3 有限元的概述
近年来，有限元已经发展到流体力学、温度场、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解一些交叉学科的问题。从网格划分的功能来说，则包括四种划分方式：延伸划分、映像划分、自由化分与自适应划分。分析求解模块是对已建立好的模型在一定的载荷与边界条件下进行有限元计算。后处理模块是对计算结果进行处理，可将计算结果用图形、图表或者曲线的方式显示出来。在强调可视化的今天，有限元软件在前置建模和后置数据处理模块取得了较大的进展。另一方面，有限元分析系统的通用CAD软件的集成，形成了一个新领域的CAE，给工程设计带来巨大的变革。随着科学技术的发展，线性理论已不能满足设计的要求，比如建筑行业的高层建筑和大跨度旋索桥的出现，就要考虑结构的大位移和大应变等非线性问题;航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题。仅靠线性计算理论已经不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解决。为了简化有限元网格的划分，在不影响仿真计算结果的条件下，忽略可逆式反击式破碎机箱体的过度圆角以及螺栓孔、定位孔上的倒角、箱体加工定位的孔以及细小的凹凸槽。经过网格划分的检查，认为划分是合理的。关于约束，考虑可逆式反击式破碎机箱体在使用中是通过地脚螺栓组固定在地基上，所以采用固定约束类型。可逆式反击式破碎机箱体是可逆式反击式破碎机的重要结构，其动态特性的好坏对整个破碎机有着重要的影响。可逆式反击式破碎机箱体可以通过模态分析来确定它的振动特性。箱体的激励源主要来自于反击板的悬挂和支撑。物料对门板的撞击也产生激励。
4 刮板转载机和破碎机改进前、后主要技术性能比较
刮板转载机和破碎机改进前、后主要技术性能对比。改进后的大采高工作面顺槽转载机、破碎机具有摩擦阻力小，推进速度快，全液压控制等优势，大大提高了整机设备的安全性能，缩短辅助推进工作量，降低了工人的劳动强度，有效地解决了顺槽转载机、破碎机由于重量重、底板软等因素造成的推进困难问题，提高了生产效率;尤其是在大倾角顺槽内可有效利用调高油缸和推移油缸的配合，使转载机和导轨互为支点实现设备自身的迈步自移功能，具有其他推进方式不可比拟的优越性。
5 结束语
综上所述，双开门的箱体结构方式极大地方便了设备的耐磨件更换和设备维修和检查，占地空间小，对于特定狭窄工况环境，其优点更为明显。利用SolidWorks软件对可逆式反击式破碎机箱体进行三维建模设计，再用ANSYS Workbench软件对可逆式反击式破碎机箱体进行了模态分析，求解出了前6阶的固有频率与振型。主轴转动频率以及其2倍频率均远低于第一阶模态频率，不会发生激起共振现象。通过用有限元方法对破碎机箱体进行动态分析是一种可行的动态设计和验证方法，为可逆式反击式破碎机箱体在刚度、强度方面进行优化设计奠定了基础。
参考文献
[1] 吕廷，石秀东，张秋菊，等.基于ANSYS的破碎机机架模态分析[J].机械设计与制造，2008，（11）：99-101.
[2] 王景立，刘选伟.基于有限元法的深松机机架静力学分析[J].中国农机化学报，2015，36（6）：4-6.
作者简介
徐境泽（1990-），女，辽宁省沈阳市人;学历：本科，助理工程师，现就职单位：沈阳翰熙机械设备有限公司，研究方向：重型设备，矿山设备破碎设备。
赵宇男（1990-），辽宁省沈阳市人;学历：本科，助理工程师，现就职单位：北方重工（沈阳）制造有限公司，研究方向：矿山球磨机。
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