1、設(shè)計(jì)計(jì)算DESIGN&CALOULATION固定式破碎機(jī)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真研究徐必勇1,羅(1.驚天液壓機(jī)械制造有限公司,安徽馬鞍山銘1,董春玉2,孫旺明2243002:2.馬鋼股份有限公司,安徽馬鞍山243002摘要采用Solidworks軟件建立了GTPH604.o/3.0一W型固定式破碎機(jī)虛擬樣機(jī)模型,并采用插件COSMOSMotion與COSMOSWorks作為仿真平臺(tái),通過(guò)運(yùn)動(dòng)載荷的傳遞,進(jìn)行了整機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及典型結(jié)構(gòu)有限元和模態(tài)的協(xié)同計(jì)算,分析結(jié)果對(duì)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,合理匹配相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞固定式破碎機(jī);虛擬樣機(jī);COSMOSMotion;COSMOSWor

2、ks;仿真中圖分類(lèi)號(hào)TD451文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)1001554X(200909007603Design and simulation analysis for virtual prototype of stationary crusherXU Biyong,LUO Ming,IXNG Chunyu,SUN Wang-ming固定式破碎機(jī)主要應(yīng)用于各類(lèi)礦山、采石場(chǎng)破碎機(jī)的入料口或格篩處,進(jìn)行大塊物料的二次破碎,也可用于冶煉廠對(duì)鋼包和冶金爐進(jìn)行打殼拆包等處理。本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機(jī)進(jìn)行實(shí)體化建模,并利用Solidworks無(wú)縫銜接的C0sMOSMoti

3、on與COSM0sworks插件進(jìn)行仿真和分析,實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與零部件有限元分析的集成仿真計(jì)算。整個(gè)分析過(guò)程相互關(guān)聯(lián),并得到了與實(shí)際相符的計(jì)算結(jié)果,為提高設(shè)計(jì)水平、解決同類(lèi)產(chǎn)品的共性問(wèn)題提供了具有參考價(jià)值的分析方法。1虛擬樣機(jī)的建模和仿真1.1三維實(shí)體建模固定式破碎機(jī)工作裝置主要由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿、連桿、搖桿、液壓錘、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和轉(zhuǎn)錘油缸等部件組成。以GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機(jī)為例,采用Solidworks08軟件對(duì)工作裝置主要部件進(jìn)行三維建模,然后根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求,采用同心、重合等幾何約束關(guān)系將各零部件裝配起來(lái),得到整體裝配圖。結(jié)合仿真需要,將

4、工作裝置調(diào)整到合適的初始位姿,本文中將初始位姿定為各油缸全縮狀態(tài),如圖1所示。1.2仿真平臺(tái)COSMOSMotion08是與Solidworks08軟件無(wú)縫集成的全功能運(yùn)動(dòng)仿真軟件,可以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,它繼承了裝配體的約束關(guān)系,可以進(jìn)行冗余約束檢查和自動(dòng)消除,并添加了馬達(dá)模塊來(lái)模擬直線和旋圖1固定式破碎機(jī)實(shí)體結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),可分別按位移、速度或加速度,通過(guò)等速、距離、振蕩、插值和表達(dá)式來(lái)定義各種運(yùn)動(dòng),得到系統(tǒng)中各零部件的位移、速度、加速度和作用收稿日期20090511通訊地址徐必勇,安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)紅旗南路5號(hào)驚天液壓機(jī)械制造有限公司研發(fā)部 建冠札械200

5、9.09(上半月刊萬(wàn)方數(shù)據(jù)力及反作用力等情況,并以動(dòng)畫(huà)、圖形、表格等多種形式輸出結(jié)果,以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真分析的諸多需求。CoSMOSWos是一套強(qiáng)大的有限元分析軟件,能對(duì)用Solidworks設(shè)計(jì)的實(shí)體模型進(jìn)行靜態(tài)、熱力、振動(dòng)頻率、疲勞、流體、扭曲等多項(xiàng)工程分析,也可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和非線性分析,是目前廣為流行的CAE軟件。本文通過(guò)應(yīng)用COSMOSMotion對(duì)工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析后得出一系列數(shù)據(jù),包括各時(shí)刻各部件的運(yùn)動(dòng)特性和受力情況,然后可以方便地在COSMoSworks中進(jìn)行模態(tài)分析和有限元等分析。1.3仿真工況根據(jù)GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機(jī)的實(shí)際情況設(shè)定仿真時(shí)間為28s,

6、然后按照各油缸工作順序、油缸直徑大小確定每階段的時(shí)間分配,采用COSMOSMotion插件中內(nèi)嵌階躍函數(shù)STEP (TIME,1,z1,t2,x2,通過(guò)馬達(dá)模塊控制各油缸的伸縮位移,從而驅(qū)動(dòng)液壓錘錘尖實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。為了獲得工作范圍的包絡(luò)圖、各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,只需給出其在Xy平面的仿真結(jié)果(馬達(dá)旋轉(zhuǎn)不作考慮,將各部件重力加入后,通過(guò)下列函數(shù)表達(dá)式實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作過(guò)程的仿真。動(dòng)臂油缸位移表達(dá)式:STEP(TIME,10, 0,15,0.65+STEP(TIME,23,0,28,一0.65;斗桿油缸位移表達(dá)式:STEP(TIME, 0,0,6,0.85+STEP(TIME,15,0,20,一

7、0.85;轉(zhuǎn)錘油缸位移表達(dá)式:STEP(TIME, 6,0,10,0.45+STEP(T1ME,20,0,23,一0.45。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果,可以適時(shí)地分析各工況的受力情況,確定各部件出現(xiàn)危險(xiǎn)工況的位置。2仿真分析2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析錘尖運(yùn)動(dòng)的速度、加速度與各油缸伸縮的速度和加速度有著嚴(yán)格的依賴(lài)關(guān)系,在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí),將給定的錘尖位姿和速度信息變換為各油缸伸長(zhǎng)的控制指令,從而驅(qū)動(dòng)液壓錘錘尖實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及油缸鉸點(diǎn)已定時(shí),工作范圍主要取決于各油缸的選型尺寸。運(yùn)行仿真后錘尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2,即整個(gè)工作裝置的運(yùn)動(dòng)極限包絡(luò)圖,然后在結(jié)果中可以得出各點(diǎn)的速度、位移、加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)

8、相關(guān)特性參數(shù)曲線,并可以輸出到execl中進(jìn)行處理。例如從其位移曲線圖3中,可以得出最大打擊深度3810ram和最大工作高度5852mm,最大工作半徑6467mm等,限于篇幅不予列舉,在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)需要合理選擇油缸的長(zhǎng)度。64675020要.35722125678圖2工作裝置工作范圍包絡(luò)圖攤瞄塞量罨l寫(xiě)里獸曼瑩N Nu擊一H N N瑩l l l星i驀N擊一二N時(shí)間/s時(shí)問(wèn)/5圖3在肼平面的錘尖運(yùn)動(dòng)位移曲線2.2動(dòng)力學(xué)仿真分析對(duì)于工作裝置中各部件的受力(例如液壓缸推力的計(jì)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(jìn)行求解,設(shè)計(jì)過(guò)程相當(dāng)煩瑣,設(shè)計(jì)結(jié)果也不盡如意。在COS便

9、S餡tion中將各部件重力載荷用引力模塊計(jì)入,液壓錘的載荷通過(guò)力模塊中諧波函數(shù)加入,運(yùn)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(dòng)作過(guò)程中每一時(shí)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(jì),以及極限工況下相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度校核和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。除液壓缸的受力外,還可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果,得到各關(guān)鍵點(diǎn)的受力特性,為后面各部件轉(zhuǎn)入C(S:M口SWorks中做有限元分析提供依據(jù)。 建元機(jī)牧2009.09(上半月刊萬(wàn)方數(shù)據(jù)DESIGN&GALcuLATION時(shí)間/s動(dòng)臂油缸受力曲線時(shí)間/S斗桿油缸受力曲線時(shí)間/s轉(zhuǎn)錘油缸受力曲線圖4液壓缸受力隨時(shí)間變化曲線2.

10、3模態(tài)分析由于固定式破碎機(jī)工作中存在振動(dòng)不穩(wěn)定的情況,在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)各部件進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析的主要任務(wù)是研究無(wú)阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng),特別是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率,以便有效地通過(guò)改變構(gòu)件質(zhì)量或形狀避開(kāi)這些頻率或最大限度地減小對(duì)這些頻率的激勵(lì),從而消除過(guò)度疲勞或損壞。模態(tài)分析中最重要的材料參數(shù)是質(zhì)量和剛度,以動(dòng)臂為例,首先建立三維模型和劃分有限元網(wǎng)格,然后在COSMOSWorks中選擇頻率分析,并定義材料屬性和邊界條件,運(yùn)行后程序給出前5階的頻率及振型如表1所示,限于篇幅,只給出4階振型圖如圖5所示。表1動(dòng)臂各階模態(tài)和振型描述階數(shù)頻率/Hz振型描述127.035動(dòng)臂在XZ平面內(nèi)的彎曲232.155動(dòng)

11、臂在YZ平面內(nèi)的彎曲3152.36動(dòng)臂在XZ平面內(nèi)的蛇型彎曲4160.24動(dòng)臂在YZ平面內(nèi)大幅度彎曲動(dòng)臂在XZ平面內(nèi)的蛇型彎曲并伴5181.12隨向上大幅翹曲圖5動(dòng)臂4階振型圖2.4有限元分析由于在動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中,可以方便地得到關(guān)鍵點(diǎn)的受力情況,工作裝置中的各部件就可以在COSMOSWorks中進(jìn)行有限元分析,同樣以動(dòng)臂為例,給出在最大工作半徑工況時(shí)的有限元分析結(jié)果。靜態(tài)位移如圖6所示,最大位移8.677mm;VonMises應(yīng)力分布如圖7,最大應(yīng)力為375.2MPa。其他位置的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及安全系數(shù)數(shù)據(jù)可以通過(guò)探測(cè)得知。本次分析中,除上蓋板與軸套表面因線接觸出現(xiàn)一處應(yīng)力集中外,其他處經(jīng)

12、探測(cè)應(yīng)力最大值為158.6MPa,低于材料許用應(yīng)力,為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化分析提供了依據(jù)。建冤札拭2009.09(上半月刊圖6動(dòng)臂靜態(tài)位移圖解 (下轉(zhuǎn)第82頁(yè)萬(wàn)方數(shù)據(jù)PRODUCTS&STRUCTURE控回路和先導(dǎo)控制回路,采用先進(jìn)的負(fù)載反饋技術(shù),可使流量按需分配到系統(tǒng)各個(gè)工作裝置,實(shí)現(xiàn)不同工況的最佳匹配。先導(dǎo)控制使操作更加靈活、安全、舒適、精確。系統(tǒng)獨(dú)立散熱,泵、馬達(dá)、閥、油管和管接頭全采用進(jìn)口產(chǎn)品,確保系統(tǒng)的高可靠性。(4高效的工作裝置。桅桿采用特制箱梁鋼結(jié)構(gòu),具有良好的剛度和穩(wěn)定性,抗沖擊、耐振動(dòng),無(wú)需拆卸的可折疊式結(jié)構(gòu)能減小整機(jī)運(yùn)輸長(zhǎng)度和高度。為提高工作效率并降低勞動(dòng)強(qiáng)度,在滑

13、輪架和下桅桿上分別加裝有伸縮油缸。采用平行四邊形桅桿支撐結(jié)構(gòu),通過(guò)變幅油缸的作用,可以使桅桿遠(yuǎn)離機(jī)體或靠近機(jī)體,并可改變桅桿的角度,以調(diào)整桅桿的工作幅度或運(yùn)輸狀態(tài)下桅桿的高度。采用獨(dú)特的卷?yè)P(yáng)加壓方式,突破了加壓油缸對(duì)行程的限制。加壓卷筒安裝于中桅桿上,通過(guò)滑輪的組合在工作時(shí)對(duì)動(dòng)力頭進(jìn)行加壓和提升。因此動(dòng)力頭的行程大大加長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的多功能化,達(dá)到一機(jī)多能的效果。動(dòng)力頭可根據(jù)不同的地質(zhì)條件自動(dòng)地?zé)o級(jí)改變旋轉(zhuǎn)速度和輸出轉(zhuǎn)矩,供油采用三閥合流,降低系統(tǒng)能量損失。加裝有獨(dú)立的冷卻、潤(rùn)滑和變速液壓系統(tǒng),確保動(dòng)力頭能可靠高效地工作。YTRD260型多功能旋挖鉆機(jī)還可配套短螺旋鉆具、普通鉆頭、筒式巖石鉆頭、

14、撈沙鉆頭等鉆具,以適應(yīng)黏土層、卵石層、沙礫層和中風(fēng)化泥巖層等不同的施工要求。(5舒適的人機(jī)操作界面。采用卡特彼勒公司原裝駕駛室,大面積成型玻璃窗寬敞明亮,內(nèi)設(shè)大功率綠色冷暖空調(diào),擁有可調(diào)、減振司機(jī)座椅,右側(cè)的監(jiān)控器顯示系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù),提供非正常狀態(tài)報(bào)警項(xiàng)目和故障確認(rèn)消除等;人性化設(shè)計(jì)的操縱手柄分立在座椅兩旁;在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上加裝了觸摸屏和壓力表,為操作人員提供更為直觀的操作方式。宇通重工YTRD260多功能旋挖鉆機(jī)整機(jī)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),整體布置更加合理,不但造型美觀、性能穩(wěn)定可靠,而且技術(shù)先進(jìn)成熟,具有良好的使用性和經(jīng)濟(jì)眭。營(yíng)(上接第78頁(yè)圖7動(dòng)臂應(yīng)力圖解3結(jié)論利用Solidworks08軟件中嵌入的COSMOS 軟件對(duì)GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機(jī)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建模、運(yùn)動(dòng)仿真和有限元技術(shù)的分析,整個(gè)過(guò)程是相關(guān)聯(lián)的,分析過(guò)程中所做的修改都會(huì)自動(dòng)映射到仿真模型和工程圖中,大大節(jié)省了分析時(shí)間,并在理論分析和實(shí)際相結(jié)合的基礎(chǔ)上對(duì)仿真的