颚式破碎机动鄂结构轻量化优化研究

陈中红

云南冶金昆明重工有限公司 云南昆明 650000

颚式破碎机由于具有结构简单、工作可靠、容易制造和使用维修方便等优点，因此被广泛应用于冶金、建材、化工和煤炭等行业原料的破碎。国外从 20 世纪中后期便开始利用计算机仿真优化技术对颚式破碎机进行仿真优化分析，研制生产的碎机整体性能较高，我国颚式破碎机的设计基本上采用传统方法，很难准确地设计出既经济又满足强度要求的破碎机。动鄂作为破碎机的重要零部件之一，它应具有足够的强度和刚度。但是目前破碎机动鄂的质量普遍较重，其结构有待改进[1]。

1 概述

破碎作业是将大块物料加工成小块物料的过程，实现该处理过程的设备称为破碎机械。破碎作业广泛用于矿山、冶金、建材等行业中，在经济发展中起到至关重要的作用。依据设备结构及工作原理的不同，破碎机械主要分为颚式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机以及冲击式破碎机等，其中颚式破碎机主要用于原料的粗碎作业。根据被破碎物料的物理性质、企业生产规模、工艺流程布置及地形等不同条件，选用适合的设备规格型号。在金属选矿厂，颚式破碎机常作为第一段破碎工序，布置于破磨工艺流程中，处理从采矿场运送过来的矿石，为后面的中细碎设备提供原料。颚式破碎机的破碎过程主要采用了挤压破碎方式，并伴有部分的剪切、弯曲和拉伸等作用，主要破碎方式为单颗粒破碎。

2 动鄂轻量化设计流程

本文以PE—400＊600型号颚式破碎机的动鄂为研究对象，其轻量化流程如图 1 所示。先通过 Pro5．0 参数化建模软件建立了动鄂参数化三维模型，接着运用 ANSYSWorkbench 对动鄂进行静力分析和拓扑优化； 根据静力学和拓扑优化结果结合动鄂的受力特点设计多种轻量化方案，并初选设计变量； 利用 ANSYS Workbench 中的优化工具来进行灵敏度分析，将其结果作为最佳设计变量选定的依据；最终经过响应曲面优化确定最佳轻量化方案。

图1 动鄂轻量化设计流程图

3 动鄂结构轻量化方案设计

3.1 动鄂静力学分析

在 ANSYS Workbench 中对动鄂进行静力学分析来验证是否可以去除多余材料优化其结构来达到轻量化的目的。动鄂受力比较复杂，为了简化计算，通常用作用在破碎腔下部 1/3 高度处的集中力来代替破碎机工作时动鄂上所受的破碎力。该型号破碎机的实验测破碎力为 1510kN，将实验测破碎力转换为压力载荷加载到动颚受力表面。根据实际情况对动颚头轴承孔圆柱面及下端的肘板支撑面进行约束[2]。在 ANSYS Workbench 中查看动鄂的等效应力云图如图2所示。

图2 静载荷作用下的动颚等效应力图

由图2可知，动鄂最大应力值为 153．61MPa，根据其选用材料 ZG270-500，查手册得其屈服极限为 270MPa，由第四强度理论可知，动鄂强度满足使用要求且有较大冗余量。

3.2 减重孔方案设计

目前轻量化的实现途径有如下三种： （1）形状轻量化；（2）材料轻量化； （3）制造轻量化。形状轻量化主要考虑产品创新设计，根据轻量化原则，在传统设计基础上，优化力的传递，以降低材料质量、加工及使用成本。形状轻量化以有限元理论为基础，并以软件为依托，本文对动鄂的轻量化设计主要采用形状轻量化设计[3]。

3.3 拓扑优化

在最初的轻量化设计阶段进行拓扑优化分析，其分析结果为设计出合理的结构提供一定的参考，使其结构更加接近实际所需结构。拓扑优化是根据优化目标计算生成优化后形状及材料分布的数学方法，其本质是使零件的结构材料分布更加合理。本文利用ANSYS Workbench中的拓扑优化模块（Shape Optimization）在固定约束和载荷下，以减轻材料质量 80%为目标，对动鄂结构进行拓扑优化。得到优化后的材料分布图如图3所示，图中阴影部分为建议去除材料部分。

图3 动鄂拓扑结果

比较图2和图3的分析结果可知，动鄂有足够的优化空间。结合动鄂的实际工作环境对其轻量化改进设计可考虑减薄动鄂筋板厚度的A 和B 两个椭圆区域去除多余材料优化结构，以获得动鄂的最佳质量分配方案。

3.4 灵敏度分析

对动鄂进轻量化行优化前，首先对方案一和方案二的设计变量进行灵敏度分析，计算出对动鄂质量影响较大的变量，并作为最终设计变量。从而使结构优化有的放矢，提高优化效率。灵敏度的数学表达式为1 ，即结构性能参数 Tj的函数对某些结构设计参数 χi的变化梯度。在CAE软件中的灵敏度分析大多是利用设计优化模块提供的优化方法中的梯度评估工具进行的，因此可以计算目标函数和状态变量对设计变量在某一参考点的梯度。本文利用 ANSYS Workbench中的优化工具来进行灵敏度分析。经过相关分析，敏感性系数为负值，说明随着输入参数增大，输出参数减小。设计变量 L 对动鄂的质量灵敏度最大，其敏感性系数在-0． 015左右； 设计变量 D1对动鄂的质量灵敏度最小； 设计变量 D2对动鄂的最大等效应力灵敏度最大，其敏感性系数接近-0．11； 设计变量 L 和 D1对动鄂的最大等效应力几乎没有影响。设计变量 φ1对动鄂的质量和最大等效应力的灵敏度最大。

4 轻量化方案对比分析

4.1 数据处理

在材料和施加载荷一致、去除质量相同的条件下，分别对以上两种方案在 ANSYS Workbench 中进行静力学分析，提取动鄂质量分别为 800kg、805kg、810kg、815kg 和 820kg 的 5 组最大应力和最大变形数据，绘制曲线图如图4 所示。

图4（a）最大变形情况 （b）最大应力情况

4.2 轻量化方案对比分析

由图4可知，随着动鄂去除材料的质量增加，方案一和方案二的动鄂最大变形都在增大[4]。方案一的最大应力在155MPa 附近波动，但是方案二的动鄂最大应力逐渐增大。同时在材料和施加载荷一致、去除质量相同的条件下方案一中动鄂的最大应力和最大变形都比方案二小，且方案一的动鄂最大应力基本不变，证明方案一对于动鄂轻量化优化具有实际的指导意义。方案一轻量化前后动鄂力学性能比较见表 1，由表 1 可知，在满足力学性能的基础上动鄂的质量减轻近 6．15%。

表1 轻量化前后动鄂力学性能比较

5 结语

通过对颚式破碎机动鄂的两种轻量化方案进行研究，得到结论如下：

（1）对动鄂进行静力学分析和拓扑优化表明，其结构满足强度要求且具有一定的冗余量，可以进行轻量化设计。

（2） 对动鄂进行灵敏度分析，根据灵敏度分析结果最终确定动鄂轻量化的最佳设计变量。

（3）在材料和施加载荷一致、去除质量相同的条件下，对两种轻量化设计方案进行比较表明，方案一具有更好轻量化效果，且在满足力学性能的基础上动鄂的质量减轻近6．15%。