1、設計計算DESIGN&CALOULATION固定式破碎機虛擬樣機的設計與仿真研究徐必勇1,羅(1.驚天液壓機械制造有限公司,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型固定式破碎機虛擬樣機模型,并采用插件COSMOSMotion與COSMOSWorks作為仿真平臺,通過運動載荷的傳遞,進行了整機運動學及典型結構有限元和模態的協同計算,分析結果對縮短產品開發周期,合理匹配相關設計參數提供了理論依據。關鍵詞固定式破碎機;虛擬樣機;COSMOSMotion;COSMOSWor

2、ks;仿真中圖分類號TD451文獻標識碼B文章編號1001554X(200909007603Design and simulation analysis for virtual prototype of stationary crusherXU Biyong,LUO Ming,IXNG Chunyu,SUN Wang-ming固定式破碎機主要應用于各類礦山、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。本文采用虛擬樣機技術對GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機進行實體化建模,并利用Solidworks無縫銜接的C0sMOSMoti

3、on與COSM0sworks插件進行仿真和分析,實現了機構運動學與零部件有限元分析的集成仿真計算。整個分析過程相互關聯,并得到了與實際相符的計算結果,為提高設計水平、解決同類產品的共性問題提供了具有參考價值的分析方法。1虛擬樣機的建模和仿真1.1三維實體建模固定式破碎機工作裝置主要由回轉馬達、回轉機構、動臂、斗桿、連桿、搖桿、液壓錘、動臂油缸、斗桿油缸和轉錘油缸等部件組成。以GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機為例,采用Solidworks08軟件對工作裝置主要部件進行三維建模,然后根據結構特點和功能要求,采用同心、重合等幾何約束關系將各零部件裝配起來,得到整體裝配圖。結合仿真需要,將

4、工作裝置調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,如圖1所示。1.2仿真平臺COSMOSMotion08是與Solidworks08軟件無縫集成的全功能運動仿真軟件,可以對復雜機械系統進行完整的運動學和動力學仿真,它繼承了裝配體的約束關系,可以進行冗余約束檢查和自動消除,并添加了馬達模塊來模擬直線和旋圖1固定式破碎機實體結構圖轉驅動,可分別按位移、速度或加速度,通過等速、距離、振蕩、插值和表達式來定義各種運動,得到系統中各零部件的位移、速度、加速度和作用收稿日期20090511通訊地址徐必勇,安徽省馬鞍山市經濟技術開發區紅旗南路5號驚天液壓機械制造有限公司研發部 建冠札械200

5、9.09(上半月刊萬方數據力及反作用力等情況,并以動畫、圖形、表格等多種形式輸出結果,以滿足用戶對運動仿真分析的諸多需求。CoSMOSWos是一套強大的有限元分析軟件,能對用Solidworks設計的實體模型進行靜態、熱力、振動頻率、疲勞、流體、扭曲等多項工程分析,也可以進行優化設計和非線性分析,是目前廣為流行的CAE軟件。本文通過應用COSMOSMotion對工作裝置的運動分析后得出一系列數據,包括各時刻各部件的運動特性和受力情況,然后可以方便地在COSMoSworks中進行模態分析和有限元等分析。1.3仿真工況根據GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機的實際情況設定仿真時間為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間分配,采用COSMOSMotion插件中內嵌階躍函數STEP (TIME,1,z1,t2,x2,通過馬達模塊控制各油缸的伸縮位移,從而驅動液壓錘錘尖實現期望的運動。為了獲得工作范圍的包絡圖、各構件的運動學和動力學特性,只需給出其在Xy平面的仿真結果(馬達旋轉不作考慮,將各部件重力加入后,通過下列函數表達式實現整個工作過程的仿真。動臂油缸位移表達式:STEP(TIME,10, 0,15,0.65+STEP(TIME,23,0,28,一0.65;斗桿油缸位移表達式:STEP(TIME, 0,0,6,0.85+STEP(TIME,15,0,20,一

7、0.85;轉錘油缸位移表達式:STEP(TIME, 6,0,10,0.45+STEP(T1ME,20,0,23,一0.45。通過動力學仿真結果,可以適時地分析各工況的受力情況,確定各部件出現危險工況的位置。2仿真分析2.1運動學仿真分析錘尖運動的速度、加速度與各油缸伸縮的速度和加速度有著嚴格的依賴關系,在進行運動控制時,將給定的錘尖位姿和速度信息變換為各油缸伸長的控制指令,從而驅動液壓錘錘尖實現期望的運動。當工作裝置的結構尺寸及油缸鉸點已定時,工作范圍主要取決于各油缸的選型尺寸。運行仿真后錘尖的運動軌跡如圖2,即整個工作裝置的運動極限包絡圖,然后在結果中可以得出各點的速度、位移、加速度等運動學

8、相關特性參數曲線,并可以輸出到execl中進行處理。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,在設計過程中可以根據客戶現場需要合理選擇油缸的長度。64675020要.35722125678圖2工作裝置工作范圍包絡圖攤瞄塞量罨l寫里獸曼瑩N Nu擊一H N N瑩l l l星i驀N擊一二N時間/s時問/5圖3在肼平面的錘尖運動位移曲線2.2動力學仿真分析對于工作裝置中各部件的受力(例如液壓缸推力的計算,目前多采用軌跡圖法或根據幾何約束關系建立力學方程組進行求解,設計過程相當煩瑣,設計結果也不盡如意。在COS便

9、S餡tion中將各部件重力載荷用引力模塊計入,液壓錘的載荷通過力模塊中諧波函數加入,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每一時刻各油缸的受力狀況和極值出現的位置,從而為液壓系統和控制系統設計,以及極限工況下相關構件的強度校核和改進設計提供了參考依據。除液壓缸的受力外,還可以根據動力學仿真結果,得到各關鍵點的受力特性,為后面各部件轉入C(S:M口SWorks中做有限元分析提供依據。 建元機牧2009.09(上半月刊萬方數據DESIGN&GALcuLATION時間/s動臂油缸受力曲線時間/S斗桿油缸受力曲線時間/s轉錘油缸受力曲線圖4液壓缸受力隨時間變化曲線2.

10、3模態分析由于固定式破碎機工作中存在振動不穩定的情況,在設計時必須對各部件進行模態分析。模態分析的主要任務是研究無阻尼系統的自由振動,特別是確定結構的固有頻率,以便有效地通過改變構件質量或形狀避開這些頻率或最大限度地減小對這些頻率的激勵,從而消除過度疲勞或損壞。模態分析中最重要的材料參數是質量和剛度,以動臂為例,首先建立三維模型和劃分有限元網格,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動臂各階模態和振型描述階數頻率/Hz振型描述127.035動臂在XZ平面內的彎曲232.155動

11、臂在YZ平面內的彎曲3152.36動臂在XZ平面內的蛇型彎曲4160.24動臂在YZ平面內大幅度彎曲動臂在XZ平面內的蛇型彎曲并伴5181.12隨向上大幅翹曲圖5動臂4階振型圖2.4有限元分析由于在動力學仿真結果中,可以方便地得到關鍵點的受力情況,工作裝置中的各部件就可以在COSMOSWorks中進行有限元分析,同樣以動臂為例,給出在最大工作半徑工況時的有限元分析結果。靜態位移如圖6所示,最大位移8.677mm;VonMises應力分布如圖7,最大應力為375.2MPa。其他位置的應力、應變、位移及安全系數數據可以通過探測得知。本次分析中,除上蓋板與軸套表面因線接觸出現一處應力集中外,其他處經

12、探測應力最大值為158.6MPa,低于材料許用應力,為后續結構的改進和優化分析提供了依據。建冤札拭2009.09(上半月刊圖6動臂靜態位移圖解 (下轉第82頁萬方數據PRODUCTS&STRUCTURE控回路和先導控制回路,采用先進的負載反饋技術,可使流量按需分配到系統各個工作裝置,實現不同工況的最佳匹配。先導控制使操作更加靈活、安全、舒適、精確。系統獨立散熱,泵、馬達、閥、油管和管接頭全采用進口產品,確保系統的高可靠性。(4高效的工作裝置。桅桿采用特制箱梁鋼結構,具有良好的剛度和穩定性,抗沖擊、耐振動,無需拆卸的可折疊式結構能減小整機運輸長度和高度。為提高工作效率并降低勞動強度,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構,通過變幅油缸的作用,可以使桅桿遠離機體或靠近機體,并可改變桅桿的角度,以調整桅桿的工作幅度或運輸狀態下桅桿的高度。采用獨特的卷揚加壓方式,突破了加壓油缸對行程的限制。加壓卷筒安裝于中桅桿上,通過滑輪的組合在工作時對動力頭進行加壓和提升。因此動力頭的行程大大加長,實現鉆機的多功能化,達到一機多能的效果。動力頭可根據不同的地質條件自動地無級改變旋轉速度和輸出轉矩,供油采用三閥合流,降低系統能量損失。加裝有獨立的冷卻、潤滑和變速液壓系統,確保動力頭能可靠高效地工作。YTRD260型多功能旋挖鉆機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,以適應黏土層、卵石層、沙礫層和中風化泥巖層等不同的施工要求。(5舒適的人機操作界面。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,內設大功率綠色冷暖空調,擁有可調、減振司機座椅,右側的監控器顯示系統狀態參數,提供非正常狀態報警項目和故障確認消除等;人性化設計的操縱手柄分立在座椅兩旁;在原有設備的基礎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多功能旋挖鉆機整機經過優化設計,整體布置更加合理,不但造型美觀、性能穩定可靠,而且技術先進成熟,具有良好的使用性和經濟眭。營(上接第78頁圖7動臂應力圖解3結論利用Solidworks08軟件中嵌入的COSMOS 軟件對GTPH604.0/3.0一W型固定式破碎機進行了虛擬樣機建模、運動仿真和有限元技術的分析,整個過程是相關聯的,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,大大節省了分析時間,并在理論分析和實際相結合的基礎上對仿真的