顎式破碎機是礦山生產、建設用料加工及聚合化工生產的主要設備之一，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、建材等物料的生產加工中。近年來，隨著礦山生產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、塊度更好的產品。此外，隨著全球礦產貧化現象的出現，在保持或增加各種金屬與非金屬礦產量的前提下，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。無疑，現行落后的顎式破碎機不能承擔新時期的生產任務，必須開發高性能、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、腔型、產量和磨損等進行優化，研制開發出無塞點、高度低、重量輕、產品粒型好、產量高的高性能、低能耗的新型顎式破碎機，從而大大提高了破碎機的性能，縮短了產品開發周期，提高了產品的市場競爭力。然而國內對顎式破碎機的仿真優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。然而破碎機的優化內容是根據不同客戶要求需要經常變化的，因而仿真優化設計工作經常要重復大量而繁鎖的編寫程序工作，費時費力，而且還延長了產品開發周期。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，對機構設計參數進行仿真優化設計，從而大大減小了仿真設計的工作量，縮短了產品開發周期，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化設計軟件ADAMS對新型復擺顎式破碎機機構設計進行仿真優化，其主要任務是優化破碎機給、排料口水平及垂直行程和行程特性系數，從而提高破碎機處理量，減小破碎機重量，增強破碎機結構強度，減小破碎機襯板磨損，從而大大提高破碎機工作性能。
一、優化仿真模型的建立
1.顎式破碎機工作原理及其結構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，其機構圖如圖1所示。
圖1 顎式破碎機機構簡圖
圖1中四桿機構中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，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，對提高生產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構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優化設計模型的建立
(1)設計任務的提出
隨著全球礦產貧化，經濟發展對各種金屬及非金屬礦產需求量的增加，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，用戶對產品需求的多樣化、個性化對現代產品設計提高更高的要求。本文所討論的新產品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，設計生產此種大型顎式破碎機在國內尚屬首次，對設計與制造帶來機遇和挑戰。為對PF1600X2100破碎機的設計生產達到一次成功，最大程度地減小產品潛在的影響因素，采用計算機仿真技術對PF1600X2100進行仿真優化設計。
(2)機構優化模型的建立
機構優化設計包括設計變量的確定，目標函數的建立以及設計約束的確定，此三部分組成了機構優化設計的數學模型。所以在顎式破碎機的優化設計中，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，以破碎機的功耗、產量、機重、襯板磨損以及破碎腔性能為優化目標函數，另外還要以以上七種優化目標的某幾種的通過加權因子組合函數為優化目標函數。其中通過加權因子組合變量優化時，由于加權因子的確定比較困難，故常常以前面七種情況為目標函數進行優化設計。
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設計性能參數進行優化，選取動顎上、下端行程特性系數值最小為目標函數，其設計變量、目標函數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
目標函數是設計變量的函數，以表示，優化過程可以按目標函數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m為極小，可表示為：
約束條件
根據設計要求以及優化目標函數，約束條件為：
在已有的優化設計中，在建立設計變量、目標函數及約束條件后，主要工作就是編寫針對本次優化的仿真設計程序來優化顎式破碎機的機構設計參數。其主要弊端是針對不同的設計變量、目標函數及約束方程，必須編寫不同的仿真優化設計程序，這不僅要做大量類似的重復工作，而且還延長了產品的開發周期和上市時間，降低了產品的市場反映能力。本文基于現有成熟的ADAMS虛擬產品開發軟件，對PF1600X2100復擺顎式破碎機進行仿真優化設計，這不僅大大減小優化設計工作量，而且極大提高仿真分析可靠性，加快產品上市時間，提高產品競爭力。
二、ADAMS對破碎機的仿真優化設計
1.虛擬機構模型的建立
ADAMS提供非常方便的三維建模技術、結構分析技術、模型分析技術、控制系統設計與分析技術、優化仿真分析技術、利用實驗數據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化仿真設計。在優化分析之前，先建立虛擬機構模型，如圖2所示。
圖2 虛擬機構模型
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，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動關系，右上部半圓箭頭是對破碎機偏心軸施加的驅動力矩，各桿之間通過轉動副相連接，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，計算目標函數值并使之為極小，從而達到最優化的目的。目標函數的實現主要是通過ADAMS的測量功能來實現，通過測量定義機構中動顎上、下端點水平行程與垂直行程的變化及行程特性系數，在仿真優化設計過程中監控上、下端行程特性系數，而優化變量則在整個約束允許的范圍內按規律離散取值，當目標函數達到極小或者極大時，仿真優化設計結束。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.仿真優化設計
在ADAMS中確定設計變量、目標函數及約束條件后，即可開始進行仿真優化設計。仿真優化按目標函數的不同分兩種情況進行，即以下端行程特性系數為目標函數和以上端行程特性系數為目標函數。在仿真分析過程中，主要對動顎上、下端行程特性系數，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為目標函數的部分優化結果記錄如圖3及表1所示。
圖3 仿真分析結果
表1 以排料口行程特性系數[代碼7]為優化目標函數
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，機架結構設計和破碎機產量，小的嚙角有利于提高破碎機產量，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，結合破碎機設計經驗，表1中第一組和第二組數據比較合理，可作為破碎機設計參考數據。
以上端行程特性系數為目標函數的優化結果如表2所示。
表2 排料口行程特性系數為優化目標函數
同表1中分析相似，綜合考慮破碎機產量、受力、結構設計、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據作為設計參考數據。
4.仿真優化結果對比分析
根據以上分析，取出表1、表2的第一、第二組數據作為機構設計參考依據并列于表3。
表3 目標函數不同時結果對比分析
從表3中數據可知，在分別以排料口行程特性系數和給料口行程特性系數為目標函數的優化仿真分析，可得到1、3兩組完全相同的優化結果，依據破碎機設計原則（破碎機產量、受力狀況、行程特性系數、襯板磨損原則、機器重量等因素）可知，這兩組完全相同的數據優于其它兩組數據。從表中可知，1、3兩組數據有較小的連桿長度，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，這些因素有利于提高破碎機產量，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組數據對PF1600X2100復擺顎式破碎機進行機構設計。實踐表明，采用ADAMS對PF1600X2100顎式破碎機的設計參數進行仿真優化設計是可行而可靠的。該仿真優化分析結果用于某破碎機生產廠家，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，得到用戶好評。
三、結語
大多數設計人員對顎式破碎機的仿真優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，這不僅增加了產品開發工作量，而且延長產品設計周期，影響產品市場競爭力。本文利用ADAMS運動學與動力學仿真優化設計軟件對PF1600X2100顎式破碎機進行仿真優化設計，極大地縮短了產品開發周期，提高了產品工作性能，為產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、目標函數及約束條件，研發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、不同規格、不同設計變量，目標函數及約束條件的各種型號的顎式破碎機進行各種仿真優化設計，從而極大地縮短了產品開發周期，加快產品上市時間，提高產品工作性能，提高市場競爭力。
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