固定式破碎機主要應(yīng)用于各類礦山和采石場破碎機的入料口或格篩處，進行大塊物料的二次破碎，也可用于冶煉廠對鋼包和冶金爐進行打殼拆包等處理。本文采用三維軟件SolidWorks對某型號固定式破碎機進行三維建模，并利用無縫插件Motion和Simulation對工作裝置整體進行了運動學(xué)、動力學(xué)、靜力學(xué)和模態(tài)的分析。整個分析過程是相互關(guān)聯(lián)的，并得到了與實際相符的計算結(jié)果。為提高設(shè)計水平，解決同類產(chǎn)品一些共性問題提供了具有參考價值的分析方法。

　　一、虛擬樣機的建模和仿真

　　1.三維實體建模

　　固定式破碎機工作裝置主要由底盤、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿、連桿、搖桿、液壓錘、動臂油缸、斗桿油缸和轉(zhuǎn)錘油缸等部件組成，以某型號型固定式破碎機為例，采用SolidWorks2010對工作裝置主要部件進行三維建模，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和功能要求，用內(nèi)嵌的裝配方法將各零部件裝配起來，可以得到整體裝配模型，結(jié)合仿真需要，將工作裝置調(diào)整到合適的初始位姿(本文研究初始位置選用各油缸全縮狀態(tài))，如圖1所示。

　　2.仿真平臺

　　SolidWorks Motion是與SolidWorks 2010軟件無縫集成的全功能運動仿真軟件，Motion可以提供運動機構(gòu)所有零部件的運動學(xué)性能(包括位置、速度和加速度)和動力學(xué)性能(包括接點反作用力、慣性力和功率要求)的完整量化信息。由于Motion和SolidWorks的無縫結(jié)合，不用耗費更多的時間就可以獲得運動模擬結(jié)果，同時由于執(zhí)行運動模擬所需的所有內(nèi)容都已在CAD裝配體模型中定義好了，只需將它們傳輸?shù)竭\動模擬程序即可。Motion還可用于檢查干涉，冗余約束檢查和消除。通過仿真得出各零部件的運動情況，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等，并以動畫、圖形和表格等多種形式輸出結(jié)果，以滿足用戶對運動仿真分析的諸多需求。

　　Simulation是一套強大的有限元分析軟件。能對用SolidWorks設(shè)計的實體模型進行靜態(tài)、熱力、振動頻率、疲勞、流體和扭曲等多項工程分析，也可以進行優(yōu)化設(shè)計和非線性分析，是目前流行的CAE軟件。

　　3.仿真工況

　　根據(jù)實際工作情況設(shè)定某型號型固定式破碎機的工作仿真時間為28s，采用Solidworks motion插件中內(nèi)嵌的階躍函數(shù)STEP(TIME,t1,x1,t2,x2)按照各油缸工作順序、油缸直徑大小確定每階段的時間分配，通過馬達(dá)模塊控制各油缸伸縮的位移，從而驅(qū)動液壓錘錘尖實現(xiàn)期望的運動。為了獲得工作范圍的包絡(luò)圖、各構(gòu)件的運動學(xué)和動力學(xué)特性，只需給出其在X-Y 面的仿真結(jié)果(馬達(dá)旋轉(zhuǎn)不作考慮)，將各部件重力加入后，通過函數(shù)表達(dá)式即可實現(xiàn)對整個工作過程的仿真。

　　通過motion動力學(xué)仿真，可以適時地分析各工況的受力情況，確定各部件出現(xiàn)危險工況的位置。本文在此基礎(chǔ)上利用Simulation軟件進行了工作裝置整體靜力學(xué)與模態(tài)的分析。

　　二、仿真分析

　　1.運動學(xué)仿真分析

　　當(dāng)工作裝置以一定的形式運動時，其速度、加速度與各油缸伸縮的速度和加速度有著嚴(yán)格的依賴關(guān)系，在進行運動控制時，將實現(xiàn)給定的打擊部件位置和速度信息變換為各油缸伸長的控制指令，從而驅(qū)動打擊部件實現(xiàn)期望的運動。因此當(dāng)工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及油缸鉸點已經(jīng)確定時，工作范圍主要取決于各油缸選型尺寸。運行仿真打擊部件的運動軌跡如圖2，該圖也表示出了整個裝置的運動極限包絡(luò)圖。在結(jié)果中可以得出各點的速度、位移和加速度等運動學(xué)相關(guān)特性參數(shù)曲線，并可以輸出到Excel中處理，圖3為錘尖在XY平面的位移曲線。

　　2.動力學(xué)仿真分析

　　對于工作裝置中各部件的受力(例如液壓缸的推力的計算)，目前多采用軌跡圖法或根據(jù)幾何約束關(guān)系建立力學(xué)方程組進行求解，計算起來不僅要耗費大量人力物力，而且結(jié)果比較粗糙。運行仿真后，以油缸為例，從圖4中可以直觀地看出工作裝置在動作過程中，對應(yīng)的每一時刻各油缸的受力狀況和極值出現(xiàn)的位置，從而為液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計，以及極限工況下相關(guān)構(gòu)件的強度校核和改進設(shè)計提供了參考依據(jù)。除液壓缸的受力外，還可以根據(jù)動力學(xué)仿真結(jié)果，得到各關(guān)鍵點的受力特性，為后面各部件轉(zhuǎn)入Simulation中做有限元分析提供依據(jù)。

　　3.靜力學(xué)分析

　　對于不同工況，根據(jù)工作裝置承受載荷的不同，有限元分析結(jié)果也存在差異。本文以最大打擊半徑工況為例，利用Simulation對工作裝置進行裝配體靜力學(xué)分析。通過軟件的仿真運算后可以得出整個工作裝置的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和安全系數(shù)圖解，如圖5。從圖中可以方便地得出該狀況下最大應(yīng)力為42.8MPa，最大位移為5.4mm以及最小安全系數(shù)為5.8。本工作裝置主要采用不同厚度的16Mn鋼板焊接而成，材料彈性模量為2.06x106MPa，泊松比0.3，屈服極限為345Mpa;最大應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，滿足強度條件，符合設(shè)計要求。

　　4.模態(tài)分析

　　由于固定式破碎站工作中存在振動不穩(wěn)定的情況，在設(shè)計時必須對其進行模態(tài)分析，模態(tài)分析的主要任務(wù)是研究無阻尼系統(tǒng)的自由振動，特別是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以有效通過改變構(gòu)件質(zhì)量或形狀避開這些頻率或最大限度地減小在這些頻率上的激勵，從而消除過度疲勞或損壞。

　　在Simulation中選擇頻率分析算例，并定義各部件的材料屬性和邊界條件，運行后，程序給出頻率及振型圖，圖5為上述工況狀態(tài)下的前四階振型圖，從放大比例的振型圖中可以看出，工作裝置的一階模態(tài)振型是在XZ水平面內(nèi)的彎曲變形，二階模態(tài)振型是在XY垂直面內(nèi)的彎曲變形，三階模態(tài)振型是自身的扭轉(zhuǎn)變形，四階模態(tài)和五階模態(tài)振型表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的不同部位出現(xiàn)鼓起狀振動，表現(xiàn)出系統(tǒng)的空間固有特性。

　　振動可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合，其中低階自振頻率所引起的共振往往引起結(jié)構(gòu)較大的應(yīng)變和應(yīng)力集中，高階的影響則很小，因此我們選取前4階模態(tài)來分析，圖6為上述工況下的前4階振型圖。從圖中可知1階固有頻率為5.76Hz，2階固有頻率為9.48Hz，3階固有頻率為32.4Hz。4階固有頻率為36.5Hz。由于此工況下破碎機馬達(dá)轉(zhuǎn)速為6～60r/min，其頻率為0.1～1Hz;破碎站電機的轉(zhuǎn)速一般為1460～1470r/min，頻率為24.4Hz左右，可以得出前4階固有頻率與馬達(dá)和電機頻率沒有產(chǎn)生耦合，不會發(fā)生共振破壞。

　　三、結(jié)論

　　本文利用SolidWorks 2010軟件中嵌入的插件Simulation和Motion對某型號型固定式破碎機進行了三維建模、運動仿真和有限元技術(shù)的分析，整個過程是相關(guān)聯(lián)的。分析過程中所做的修改都會自動映射到仿真模型和工程圖中，大大節(jié)省了分析時間。并在理論分析和實際相結(jié)合的基礎(chǔ)上對仿真的結(jié)果做出正確評估，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)對設(shè)計工作具有重要的指導(dǎo)意義。通過在產(chǎn)品開發(fā)過程中使用SolidWorks相關(guān)軟件，將CAD和CAE技術(shù)有機的結(jié)合起來，提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，減少試驗環(huán)節(jié)， 縮短設(shè)計周期，產(chǎn)生了顯著地經(jīng)濟效益。