顎式破碎機是礦山生產(chǎn)、建設用料加工及聚合化工生產(chǎn)的主要設備之一，被廣泛地應用于各種金屬與非金屬礦山、化工礦物以及水泥、建材等物料的生產(chǎn)加工中。近年來，隨著礦山生產(chǎn)和建材加工中一些新理論的提出，用戶希望散體礦石能夠在破碎階段盡可能地得到粒度更細、塊度更好的產(chǎn)品。此外，隨著全球礦產(chǎn)貧化現(xiàn)象的出現(xiàn)，在保持或增加各種金屬與非金屬礦產(chǎn)量的前提下，要求處理的原礦量就大大增加，這對破碎設備提出更高的要求，也面臨更大的挑戰(zhàn)。無疑，現(xiàn)行落后的顎式破碎機不能承擔新時期的生產(chǎn)任務，必須開發(fā)高性能、低能耗的新型顎式破碎機。
國外從上世紀中后期開始利用計算機仿真技術對鄂式破碎機機構(gòu)、腔型、產(chǎn)量和磨損等進行優(yōu)化，研制開發(fā)出無塞點、高度低、重量輕、產(chǎn)品粒型好、產(chǎn)量高的高性能、低能耗的新型顎式破碎機，從而大大提高了破碎機的性能，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。然而國內(nèi)對顎式破碎機的仿真優(yōu)化設計的研究主要限于對特定型號的顎式破碎機編寫相應程序進行優(yōu)化設計，這些程序大多重用性差，只能解決特定型號中的特定問題。然而破碎機的優(yōu)化內(nèi)容是根據(jù)不同客戶要求需要經(jīng)常變化的，因而仿真優(yōu)化設計工作經(jīng)常要重復大量而繁鎖的編寫程序工作，費時費力，而且還延長了產(chǎn)品開發(fā)周期。本文嘗試利用先進的運動學與動力學仿真設計工具對新型顎式破碎機進行快速開發(fā)，對機構(gòu)設計參數(shù)進行仿真優(yōu)化設計，從而大大減小了仿真設計的工作量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了仿真模型重用率。本文利用先進的運動學與動力學仿真優(yōu)化設計軟件ADAMS對新型復擺顎式破碎機機構(gòu)設計進行仿真優(yōu)化，其主要任務是優(yōu)化破碎機給、排料口水平及垂直行程和行程特性系數(shù)，從而提高破碎機處理量，減小破碎機重量，增強破碎機結(jié)構(gòu)強度，減小破碎機襯板磨損，從而大大提高破碎機工作性能。
一、優(yōu)化仿真模型的建立
1.顎式破碎機工作原理及其結(jié)構(gòu)尺寸對破碎機性能的影響
顎式破碎機是典型的曲柄搖桿機構(gòu)，其機構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 顎式破碎機機構(gòu)簡圖
圖1中四桿機構(gòu)中AB曲柄為破碎機偏心軸，BD連桿為破碎機動顎，CD搖桿為破碎機肘板，EF為破碎機定顎。增大曲柄AB的長度，將增大破碎動顎上各點的水平行程值，從而提高破碎機生產(chǎn)能力，但另一方面也會增加破碎機功耗，惡化破碎腔受力狀況。減小A點相對于E點的高度（減小懸掛高度h），可增大動顎上各點的水平行程，減小破碎機高度，減輕破碎機重量，減小動顎上各點行程特性系數(shù)，從而大大提高破碎機工作性能。減小連桿長度則有利于增大動顎下端水平行程，減小行程特性系數(shù)，對提高生產(chǎn)能力和延長顎板使用壽命都是極為有利的。但過短的連桿給機架結(jié)構(gòu)設計帶來困難并使動顎受力惡化。連桿傾角對應于破碎腔嚙角，減小破碎腔嚙角有利于提高破碎機產(chǎn)量，改善破碎作用力并有利于采用新的破碎原理（如層壓破碎原理）。但嚙角過小，將使破碎機高度增大，機重增加，機架長度加長。傳動角的大小對破碎機性能影響很大，增大傳動角有利于改善破碎機受力，提高散體物料破碎力，但同時也會減小動顎下端水平行程，增加垂直行程，從而加大動顎襯板磨損，減小襯板壽命。
2.設計任務的提出與機構(gòu)優(yōu)化設計模型的建立
(1)設計任務的提出
隨著全球礦產(chǎn)貧化，經(jīng)濟發(fā)展對各種金屬及非金屬礦產(chǎn)需求量的增加，各大礦山及建設用料加工單位對顎式破碎機提出更高要求，因此，市場對產(chǎn)量大，低能耗，高性能的顎式破碎機需求量大大增加。此外，用戶對產(chǎn)品需求的多樣化、個性化對現(xiàn)代產(chǎn)品設計提高更高的要求。本文所討論的新產(chǎn)品PF1600X2100復擺顎式破碎機是某用戶對廠家提出的新要求。PF1600X2100大型復擺顎式破碎機的單重達到150噸，機高超過4米，設計生產(chǎn)此種大型顎式破碎機在國內(nèi)尚屬首次，對設計與制造帶來機遇和挑戰(zhàn)。為對PF1600X2100破碎機的設計生產(chǎn)達到一次成功，最大程度地減小產(chǎn)品潛在的影響因素，采用計算機仿真技術對PF1600X2100進行仿真優(yōu)化設計。
(2)機構(gòu)優(yōu)化模型的建立
機構(gòu)優(yōu)化設計包括設計變量的確定，目標函數(shù)的建立以及設計約束的確定，此三部分組成了機構(gòu)優(yōu)化設計的數(shù)學模型。所以在顎式破碎機的優(yōu)化設計中，應以顎式破碎機偏心軸偏心距和動顎上、下端行程特性值為目標函數(shù)，以破碎機的功耗、產(chǎn)量、機重、襯板磨損以及破碎腔性能為優(yōu)化目標函數(shù)，另外還要以以上七種優(yōu)化目標的某幾種的通過加權(quán)因子組合函數(shù)為優(yōu)化目標函數(shù)。其中通過加權(quán)因子組合變量優(yōu)化時，由于加權(quán)因子的確定比較困難，故常常以前面七種情況為目標函數(shù)進行優(yōu)化設計。
本文中所討論PF1600X2100復擺顎式破碎機的設計要求為：破碎機偏心軸偏心距為30mm，連桿長度為3000mm左右，破碎腔設計為3640mm，破碎腔嚙角22度，傳動角為45~55度，動顎上端厚度為850mm，動顎下端為1490mm，肘板長度為800~1000mm，行程特性系數(shù)為1.1~3.0，破碎機懸掛高度為100~160mm。本文中主要對新型顎式破碎機的機構(gòu)設計性能參數(shù)進行優(yōu)化，選取動顎上、下端行程特性系數(shù)值最小為目標函數(shù)，其設計變量、目標函數(shù)及約束條件如下所示：
設計變量
取連桿長度，破碎機懸掛高度，肘板長度及傳動角為設計變量：
目標函數(shù)
目標函數(shù)是設計變量的函數(shù)，以表示，優(yōu)化過程可以按目標函數(shù)極大或者極小來處理，在本文中即是動顎上、下端行程特性系數(shù)m為極小，可表示為：
 
約束條件
根據(jù)設計要求以及優(yōu)化目標函數(shù)，約束條件為：
在已有的優(yōu)化設計中，在建立設計變量、目標函數(shù)及約束條件后，主要工作就是編寫針對本次優(yōu)化的仿真設計程序來優(yōu)化顎式破碎機的機構(gòu)設計參數(shù)。其主要弊端是針對不同的設計變量、目標函數(shù)及約束方程，必須編寫不同的仿真優(yōu)化設計程序，這不僅要做大量類似的重復工作，而且還延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期和上市時間，降低了產(chǎn)品的市場反映能力。本文基于現(xiàn)有成熟的ADAMS虛擬產(chǎn)品開發(fā)軟件，對PF1600X2100復擺顎式破碎機進行仿真優(yōu)化設計，這不僅大大減小優(yōu)化設計工作量，而且極大提高仿真分析可靠性，加快產(chǎn)品上市時間，提高產(chǎn)品競爭力。
二、ADAMS對破碎機的仿真優(yōu)化設計
1.虛擬機構(gòu)模型的建立
ADAMS提供非常方便的三維建模技術、結(jié)構(gòu)分析技術、模型分析技術、控制系統(tǒng)設計與分析技術、優(yōu)化仿真分析技術、利用實驗數(shù)據(jù)進行建模的技術等等。本文主要利用ADAMS/VIEW模塊對PF1600X2100新型顎式破碎機進行優(yōu)化仿真設計。在優(yōu)化分析之前，先建立虛擬機構(gòu)模型，如圖2所示。
圖2 虛擬機構(gòu)模型
如圖2中所示，采用ADAMS中的連桿模型建立破碎機的曲柄搖桿機構(gòu)，其中右上部橙色桿件為破碎機偏心軸、綠色板塊是破碎機動顎部件，青色桿件為破碎機肘板，紅色板塊為破碎機定顎齒板。此外，建立工作桿件之間的約束與驅(qū)動關系，右上部半圓箭頭是對破碎機偏心軸施加的驅(qū)動力矩，各桿之間通過轉(zhuǎn)動副相連接，其中定顎、肘座基部及曲柄中心與大地固接。
2.設計變量、目標函數(shù)及約束條件的確定
設計變量在ADAMS中的表達主要是通過給定各端點坐標值變化約束范圍來實現(xiàn)，計算目標函數(shù)值并使之為極小，從而達到最優(yōu)化的目的。目標函數(shù)的實現(xiàn)主要是通過ADAMS的測量功能來實現(xiàn)，通過測量定義機構(gòu)中動顎上、下端點水平行程與垂直行程的變化及行程特性系數(shù)，在仿真優(yōu)化設計過程中監(jiān)控上、下端行程特性系數(shù)，而優(yōu)化變量則在整個約束允許的范圍內(nèi)按規(guī)律離散取值，當目標函數(shù)達到極小或者極大時，仿真優(yōu)化設計結(jié)束。約束條件是通過ADAMS所提供的設計變量變化范圍和傳感器功能來確定的，當取值超出允許范圍時，此次仿真迭代取消，進入下一仿真迭代計算。
3.仿真優(yōu)化設計
在ADAMS中確定設計變量、目標函數(shù)及約束條件后，即可開始進行仿真優(yōu)化設計。仿真優(yōu)化按目標函數(shù)的不同分兩種情況進行，即以下端行程特性系數(shù)為目標函數(shù)和以上端行程特性系數(shù)為目標函數(shù)。在仿真分析過程中，主要對動顎上、下端行程特性系數(shù)，上、下端水平行程，懸掛高度，連桿長度，肘板長度，破碎腔嚙角和傳動角等等進行跟蹤記錄。以下端行程特性系數(shù)為目標函數(shù)的部分優(yōu)化結(jié)果記錄如圖3及表1所示。
圖3 仿真分析結(jié)果
表1 以排料口行程特性系數(shù)[代碼7]為優(yōu)化目標函數(shù)
將顎式破碎機動顎水平行程設計得大些有利于提高破碎機產(chǎn)量，強化對散體物料的破碎作用。而將將顎式破碎機動顎水平行程設計得小些則有利用減小定、動顎襯板磨損，改善破碎機受力，延長襯板使用壽命。破碎腔嚙角的大小直接關系到物料的受力狀態(tài)，機架結(jié)構(gòu)設計和破碎機產(chǎn)量，小的嚙角有利于提高破碎機產(chǎn)量，利用先進破碎原理進行物料破碎，但破碎機高度將增加。衡量各方面因素，結(jié)合破碎機設計經(jīng)驗，表1中第一組和第二組數(shù)據(jù)比較合理，可作為破碎機設計參考數(shù)據(jù)。
以上端行程特性系數(shù)為目標函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。
表2 排料口行程特性系數(shù)為優(yōu)化目標函數(shù)
同表1中分析相似，綜合考慮破碎機產(chǎn)量、受力、結(jié)構(gòu)設計、機高、重量和襯板磨損情況等因素，從表2中取出第一組及第二組數(shù)據(jù)作為設計參考數(shù)據(jù)。
4.仿真優(yōu)化結(jié)果對比分析
根據(jù)以上分析，取出表1、表2的第一、第二組數(shù)據(jù)作為機構(gòu)設計參考依據(jù)并列于表3。
表3 目標函數(shù)不同時結(jié)果對比分析
從表3中數(shù)據(jù)可知，在分別以排料口行程特性系數(shù)和給料口行程特性系數(shù)為目標函數(shù)的優(yōu)化仿真分析，可得到1、3兩組完全相同的優(yōu)化結(jié)果，依據(jù)破碎機設計原則（破碎機產(chǎn)量、受力狀況、行程特性系數(shù)、襯板磨損原則、機器重量等因素）可知，這兩組完全相同的數(shù)據(jù)優(yōu)于其它兩組數(shù)據(jù)。從表中可知，1、3兩組數(shù)據(jù)有較小的連桿長度，較大的動顎上、下端水平行程、相應較小的破碎腔下端行程特性系數(shù)，這些因素有利于提高破碎機產(chǎn)量，改善破碎機受力，減小襯板磨損及減輕機器重量，從而大大提高了破碎機工作性能，故應采用表3中第1或者第3組數(shù)據(jù)對PF1600X2100復擺顎式破碎機進行機構(gòu)設計。實踐表明，采用ADAMS對PF1600X2100顎式破碎機的設計參數(shù)進行仿真優(yōu)化設計是可行而可靠的。該仿真優(yōu)化分析結(jié)果用于某破碎機生產(chǎn)廠家，該新型顎式破碎機一次試制成功并成功運用于某廠礦企業(yè)，得到用戶好評。
三、結(jié)語
大多數(shù)設計人員對顎式破碎機的仿真優(yōu)化設計采用針對不同型號的破碎機，不同的設計變量、目標函數(shù)及約束條件需要編寫不同的仿真設計程序，大量重復許多繁鎖的相似工作，這不僅增加了產(chǎn)品開發(fā)工作量，而且延長產(chǎn)品設計周期，影響產(chǎn)品市場競爭力。本文利用ADAMS運動學與動力學仿真優(yōu)化設計軟件對PF1600X2100顎式破碎機進行仿真優(yōu)化設計，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品工作性能，為產(chǎn)品一次試制成功奠定基礎。
利用ADAMS軟件對顎式碎石機進行仿真優(yōu)化設計，針對不同型號的顎式破碎機，不同的設計變量、目標函數(shù)及約束條件，研發(fā)人員不需要自己編寫程序，不需要重復大量繁鎖的程序編寫工作，研發(fā)人員只需更改各桿件端點的坐標范圍值就可對不同型號、不同規(guī)格、不同設計變量，目標函數(shù)及約束條件的各種型號的顎式破碎機進行各種仿真優(yōu)化設計，從而極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市時間，提高產(chǎn)品工作性能，提高市場競爭力。
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