对辊破碎机子母弹簧装配体有限元分析*

陈致衡，邓小雷，张 鹏，徐 辉，朱丽凤，杨文杰

(衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州 324000)

对辊破碎机子母弹簧装配体有限元分析*

陈致衡，邓小雷，张 鹏，徐 辉，朱丽凤，杨文杰

(衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州 324000)

设计一种对辊破碎机的子母弹簧过载保护装置，解决了普通单个弹簧的回弹不足和使用寿命偏短的问题。根据对辊破碎机的工作条件，计算求得破碎力与弹簧力，并结合子母弹簧的几何特征，采用SolidWorks Simulation对子母弹簧进行有限元分析，得到了一些有益的子母弹簧装配体的仿真分析结果。

对辊破碎机，子母弹簧，有限元分析法

0 引 言

对辊破碎机是一种矿山机械，主要用于破碎矿石，适用于在矿山、冶金、建材、煤矿等行业脆性块状物料的粗，中级破碎[1-2]。对辊破碎机的弹簧一方面起保险作用而另一方面又通过辊子对物料施破碎的作用，也就是提供破碎力，是主要的工作部件。

笔者自行设计了一种用于对辊破碎机的子母弹簧装置过载保护装置，有必要对其虚拟样机装配体模型进行了有限元力学分析，以校核设计。目前，弹簧的应力计算公式是根据材料力学和弹性力学推导出来的。为了更详细地了解子母弹簧内部各部分的应力分布情况，需建立合理的有限元模型进行分析。

近年来，弹簧的有限元设计方法已经进入了实用化阶段，笔者也采用有限元法对子母弹簧装配体模型进行了仿真分析，以揭示弹簧内部各部分的详细受力情况。

1 破碎力与弹簧力计算

设被碎物料的抗压强度为σb，MPa；物料与辊子接触面积为A，mm2。当辊子给物料的破碎力为F，N，只有F>σbA时物料才能被破碎[3]。接触面积A与进料口宽度(为破碎比)、排料口e，辊子半径R、啮角等有关。如图1所示为辊子与物料间的关系。

图1 辊子与物料几何关系1.辊子 2.物料

从图1所示的几何关系知：

(1)

(2)

如图2所示，取单位辊子长度上的微圆截面分析，不难得出平衡方程：

(3)

(4)

图2 单位辊长上的微元截面

求得辊子对物料施以单位压力 ，也叫单位辊压力，故可求得破碎力F′为：

(5)

由于布料不均匀和齿形不同等原因，实际辊压力F为：

(6)

式中:K1为装填修正系数，与辊子的给料特征、破碎比物料物理性质的因素有关；K2为接触系数，取值即为0.1～0.12。

破碎机的弹簧一方面起保险作用而另一方面又通过辊子对物料施破碎的作用，也就是提供破碎力，设单位辊子长度理论弹簧力为T1，由力平衡方程式(1)求得。

(7)

同理，实际所需要的弹簧力T总为：

(8)

该设计对辊破碎机，破碎石料抗压极限不超过200 MPa，选用2台电动机功率为30 kW，给料粒度<50 mm，通过测量计算破碎机齿角为25°～50°。

由于，本子母弹簧保护装置中有6组弹簧来平均承受弹簧力，则每一组子母弹簧力T为：

T=T总/6

实际上，物料在破碎腔与辊面接触弧形区域内，其单位压力分布不均匀，而是从入料口到出料口急剧变大的过程。因为理论与实践均可证明，破碎力随压缩行程的增加而增加，并且产品中细粒含量也随之增多。这种情况，还可从辊压塑性黏土的理论分析中明显看出。

2 子母弹簧装配体的有限元分析

图3 子母弹簧装配体几何模型

辊破碎机静力学分析对于子母弹簧装配体部分的分析主要是计算在弹簧力的作用下引起的弹性变形、材料的刚度是否满足工程要求。如图3所示为子母弹簧装配体的结构简图。

主要分析过程如下[3-4]：

(1) 实体模型导入

将SolidWorks软件中完成的弹簧实体模型(图3)导入SolidWorks Simulation中。在导入前需对模型进行简化处理，比如忽略一些倒角、圆角、螺栓孔及定位孔等对子母弹簧影响不大的次要特征，这样利于后面合理建立有限元模型。

(2) 模型网格划分 选用线性实体单元SOLID92,并采用智能分网方式对子母弹簧划分网格。单元的材料为65 Mn，其参数屈服强度E=620 MPa；密度ρ=7700 kg/m3；泊松比μ=0.28;单元总数为35 328。

(3) 约束载荷处理 约束设置在弹簧两端的垫片上，零部件接触为全局接触，约束类型设置为固定和在圆柱面上，约束沿圆柱面的径向运动。载荷主要考虑弹簧在实际弹簧力的作用下X正向极限位置。子母弹簧的载荷主要包括实际弹簧力(取最大承受载荷520 000 N)，并加入子母弹簧自重影响。

(4) 计算及后处理 SolidWorks Simulation计算完成后进入后处理模块查看变形形式以并获得变形量，最终确定最大变形位置。子母弹簧装配体的有限元分析结果如图4～6所示。

图4 子母弹簧应力云图 图5 子母弹簧合位移云图

计算得出子母弹簧应力、位移、应变的变形量，各自呈现不同的变形量。由图4～6看出，在实际弹簧力的作用下，子母弹簧的变形总是以X正向变形为主，即子母弹簧沿着实际弹簧力的方向往复伸缩，这时与实际受力变形情况一致。其最大抗剪切应力为899 MPa在材料的安全系数范围内，符合要求。

图6 子母弹簧应变云图

当有破碎物料不能进入破碎腔，过载保护装置被压缩时，则活动辊退让排料口增大，排出物料。子母弹簧过载保护装置设计安全系数比单个弹簧更高，材料更省，空间更小，使对辊的移动能得到充分的保护，解决了普通单个弹簧的回弹不足和使用寿命偏短的问题,大大提高弹簧的回弹力,保证弹簧的支撑力,能有效延长弹簧使用寿命。这就需要对弹簧进行疲劳分析，如图7所示。 图8所示为弹簧的SN曲线，当交变应力为400 MPa时，周期为20万次。

图7 生命周期数结果

图8 疲劳SN曲线

3 结 语

子母弹簧作为对辊的过载保护装置，其力学分析是至关重要的。建立了子母弹簧装配体的有限元模型，通过对模型进行有限元分析，得到子母弹簧内部各部分的应力分布情况。结果表明该装置设计安全系数比单个弹簧更高，材料更省，空间更小，使对辊的移动能得到充分的保护，解决了普通单个弹簧的回弹不足和使用寿命偏短的问题,大大提高弹簧的回弹力,保证弹簧的支撑力,能有效延长弹簧使用寿命。

[1] 苗瑞红，高国锋.新型齿辊式破碎机在煤矸石电厂的应用[J].煤炭加工与综合用，2003(3)：38-40.

[2] 郎宝闲.破碎机[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[3] 张 卫,吴慧中.虚拟样机概念及体系结构研究[M].北京：清华大学出版社，2002.

[4] 郎宝贤，郎世平.物料压碎实验与破碎机载荷研究[J].矿山机械,1984(4)：38-42.

[5] 潘海寿.复杂机械的虚拟样机技术[D].南京：南京理工大学，2001.

Finite Element Analysis of Dual-Sping Assembly in Dual-Roller Crusher

CHEN Zhi-heng, DENG Xiao-lei, ZHANG Peng, XU Hui, ZHU Li-feng, YANG Wen-jie

(CollegeofMechanicalEngineering,QuzhouUniversity,QuzhouZhejiang324000,China)

In this paper, dual-spring overload protection device of the dual-roller crusher is designed. the problems are solved, such as the lack of common single spring spring-back and short service life and so on. According to the working conditions of the dual-roll crusher, the strength of the crushing force and spring force are obtained by theory calculation, and combined with the geometrical characteristics of the dual-spring the finite element analysis had been done for dual-spring using Solidworks Simulation. Some useful simulation results of dual-spring assembly are obtained.

dual-roller crusher; dual-spring; finite element analysis method

2014-02-27

国家级大学生创新创业训练计划项目(编号：201311488008)、浙江省大学生科技创新活动项目(编号：2013R427003)、衢州学院中青年学术骨干培养计划项目(编号：XNZQN201203)、校级课堂教学改革项目(编号：KG201221)资助

陈致衡(1993-)，男，浙江台州人，主要从事机械产品设计工作。

邓小雷(1981-)，男，浙江衢州人，讲师，博士，主要从事机械产品设计方面的教学科研工作。

TH164

A

1007-4414(2014)02-0076-03