1、前言
    北京矿冶研究总院在粉碎机构学研究的基础上，研制出自主创新的新型外动颚匀摆颚式破碎机，是用于矿物加工及土石质原料加工工业的新一代高效节能破碎设备。与同型号传统颚式破碎机相比，能获得动颚理想运动轨迹，生产能力提高10%、功耗降低10%～20%、外形高度降低20%、衬板寿命至少延长3倍以上、破碎比大2-3.5倍，产品的技术性能居国内外领先水平，经过多年研究，目前已开发出低矮型、大破碎比型两个系列十几种产品。低矮型特别适于井下、隧道等空间受限制场所及尖硬物料的地下强化开采连续出矿、建立移动破碎工厂。新开发的大破碎比型，设备配置成新的短流程，大大简化和优化了破碎工艺流程。    在新型破碎设备的开发中，采用现代先进的破碎机设计与研究方法——数字化技术、虚拟样机技术、动态设计等进行创新设计，大大提高新产品的技术性能、可靠性和设计水平，提高新产品对物料的适应性，缩短新产品的开发周期。本文分上、下两篇介绍新型外动颚破碎机的理论研究，上篇介绍新型外动颚破碎机虚拟样机的技术研究，下篇介绍新型外动颚破碎机的动态设计及机构动力平衡研究。
2、新型外动颚破碎机虚拟样机的技术。研究
    传统的产品设计开发模式是实体样机，它不能在产品的开发设计阶段就对产品生命周期全进程中的各种因素考虑周全，致使在产品设计甚至制造出来后才发现各式各样的缺陷，实体样机中任何系统设计方面的失误都会带来巨大的经济损失。
    虚拟样机是20世纪90年代初出现的一种新型产品设计和过程开发的方法。通过将虚拟现实技术和计算机仿真技术以及CAD技术相结合，建立起一个具有高度可视性的物理样机的数字仿真原型，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。
    本研究在PA100120破碎机上进行。创建外动颚破碎机虚拟样机，进行虚拟样机运动学和数值仿真研究。
2.1新型外动颚破碎机虚拟样机的创建
2.1.1新型外动颚破碎机数字化三维建摸
   在三维建模软件Solid Edge的基础平台上建立了颚式破碎机的三维特征造型。通过零件建模、部件建模和干涉分析，创建了部件的三维数字模型。图1、2、3分别为PA100120破碎机机架部、可调颚部和动颚部的三维数字模型。
2.1.2  VN仿真模型的建立
    在运动仿真软件Virual Nastran(VN)的基础平台上，创建外动颚匀摆破碎机虚拟样机。VN是集有限元分析、机构运动学与动力学和可视化技术于一体的多体系动力学理论开发的虚拟仿真系统。本课题选择SE软件进行建模工作。
    第一步：导人SE三维模型。
    第二步：确定仿真模型的基础装配零件。为了建模装配和修改的方便，需要定义一个基础装配零件。基础装配零件应该选择物理样机里与地基固定在一起的较大的那个零件。在本研究中，选择机架部的下底板作为基础装配零件。
   第三步：添加原动件。在VN中提供原动机约束来模拟实际的原动机。PA100120破碎机的原动机为功率110kW、转速220r/min的电动机，电动机通过皮带把扭矩传递给皮带轮，带动颚式破碎机的动颚运动，实现颚式破碎机的周期运动，忽略实际工作过程中的运动波动因素的影响，则可知该仿真模型的转速是恒定的，在仿真分析中选择转速恒为220r/min的原动机约束来模拟电动机的作用。
    第四步：修改调整约束关系对。零部件装配时选择的装配关系及它们之间的装配距离合称力装配关系对。装配约束对的选择对仿真模型的结果至关重要。
    第五步：对所关心的变量进行监控输出。
2.1.3新型外动颚破碎机虚拟样机的创建
    新型大破碎比颚式破碎机是由动力部、机架部、动颚部、可调颚部、调整部、拉紧部几大部件构成(图4)。每个部件又由很多的零件构成，各零件之间通过各种连接方式联系在一起，零件间的连接关系大致可以划分为：固定连接（焊接）、螺栓连接、轴承连接和机构约束连接四种方式，下面根据这四种连接方式的特点来确定零件间的边界条件。
2.1.3.1装配约束对的选择
    整个机架部除了挂轴、轴承部和肘板座外在运动过程中都不参与运动，可以认为机架部是与地基固连在一起的（挂轴、轴承和肘板座除外），因此在约束对选择时，选择刚性铰链进行约束分配。
    可调颚部只有可调颚轴参与部件之间的关联，而其他零件都不参与运动，故选择刚性铰链进行约束分配。
    动颚部是参与运动的重要部件，根据前面的分析，皮带轮为颚式破碎机提供原动力，故选择旋转原动件作为皮带轮的装配约束。肘板座与动颚肘板相连，采取的是机构约束连接，动颚肘板与动颚部肘板座之间的连接简化为旋转铰链作为它们之间的装配约束。外轴承与机架部的轴承座相连，轴承座只容许外轴承绕其轴线作旋转运动，而其它自由度都被限制，故可以选择旋转铰链约束作为它们二者连接的装配约束。
2.1.3.2运动仿真模型的建立
    颚式破碎机的运动可以近似地看作是一个铰链四连杆机构，动颚边板为连杆，肘板相当于作摆动的从动件，它们与偏心轮，机架构成了平面四杆机构。
在从SE导入到仿真软件Visual Nastran时，VN自动为动颚肘板添加了两个约束，一个是与偏心轴的平面旋转运动（约束2736），一个是与前肘板垫刚性铰平移约束（约束2734）。把颚式破碎机的运动简化为铰链四连杆机构，动颚肘板简化为机构中的摆杆，接触点1处用一刚性铰链作为动颚肘板与动颚连杆的装配约束；这样这两个约束就可以近似地仿真动颚肘板的周期摆动运动。
    通过对约束的不断更改，直到最终能满足或近似地满足运动仿真需求，建立起与物理样机相近的仿真模型。
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