针对反击式破碎机破碎腔中一些关键部件在实际作业过程中出现的问题，例如：转子、板锤部件上出现裂纹、甚至发生断裂，破碎机破碎效率低等问题，本文基于建立的反击式破碎机关键部件的三维实体模型以及转子一板锤一反击板一石块冲击碰撞系统的动力学有限元分析模型，分析了冲击破碎物料时破碎腔中各部件之间的受力状况，同时分析了转速、转动惯量，以及各级反击板形状对物料破碎效果的影响，这些理论研究为改善破碎机的性能提供了理论分析基础。
1、数值仿真模型的建立
反击式破碎机破碎系统的结构模型由转子体、板锤、反击板和石块组成，破碎石块的过程可以看作是板锤与石块发生碰撞、石块与反击板发生碰撞这两个过程不断交替、不断反复的过程。采用I-DEAS软件建立的三维模型如图l所示。
为了对破碎过程进行动态计算与分析，先对几何实体模型进行适当简化处理，其处理的原则为在不影响结构整体性能的前提下对几何实体上的倒角、螺栓孔等局部结构进行简化，这样有利于网格的划分；然后对几何实体进行网格划分，由于转子体、板锤、反击板形状比较复杂，为了提高网格质量和计算的准确性，先对各几何实体进行分区处理，把复杂的几何实体划分成许多易于进行六面单元划分的小区域，再进行网格划分。转子体、板锤、反击板和石块模型都采用规则的六面体单元进行网格划分，图2为破碎系统的有限元模型。
计算模型中，转子体采用16Mn合金钢，板锤采用40Cr合金钢，反击板采用16Mn强化合金钢，材料属性都采用Plastic Kinematic材料模型；石块选用花岗岩材料参数，其属性采用弹脆性材料模型；单元属性设为常应变。
转子体与板锤、板锤与石块、石块与反击板、转子体与石块之间的界面均采用接触算法。设定接触对之间冲击力文件输出参数为l。在定义界面接触的各项参数中，定义转子体与板锤间的静动摩擦系数均为0.15，其余两接触对间的动摩擦系数为0.6。
模型设置约束时石块在整个破碎过程中都是自由的，对石块不施加任何位置约束；对转子体转动中心施加X、y、23个方向的平移约束和X、y两个方向的转动约束；对反击板的装配部分也施加x、y、Z3个方向的平移和转动约束；板锤安装在转子上被两挡块紧卡在转子体上，同时加上其自身结构的作用，板锤只能随转子体一起绕转轴转动，对板锤施加轴向即Z向的平移约束。
2、影响破碎效果因素分析
2.1 转子旋转速度
研究转子旋转速度能够指导反击式破碎机在破碎不同粒径、材质的物料时选取合适的旋转速度，从而防止物料被过度破碎，同时也有利于减少能耗。在其它条件不变的情况下，对转子分别以1 000 r/nun、700 r/nun和400 r/min等3种不同转速作旋转运动，分析旋转速度对破碎力的影响。
由图3可以看出，物料与板锤首次碰撞在时间区域30~ 40 ms之间，物料从反击板反弹后再次与板锤碰撞在40一48 ms之间，由于反弹作用使得板锤与物料发生接触碰撞要抵消一部分物料反弹时的能量，因此物料与板锤第二次碰撞时的冲击力比首次碰撞时产生的冲击力要小；在时间段48。60 ms之间，物料在板锤与反击板的联合作用下发生剪切破碎，图4中相应时间段可以看到物料与反击板的动态接触力。从上述两图中可以看出发生冲击破碎时作用力曲线相对作用时间间隔短，而剪切破碎时作用力作用时间长。图3中时间段70～110 ms内的作用力曲线是石块与二级反击板发生冲击和剪切破碎作用时的作用力曲线，时间段120～150 ms之间的作用力曲线是物料与三级反击板发生碰撞时的作用力曲线。由于物料破碎后，碎石的质量较原物料小，因此上述两图中作用力的峰值呈下降趋势。
对比不同转速下板锤与物料、物料与反击板接触碰撞受力过程图（图5—图8）可见：转子转速越高，板锤与物料接触碰撞时的冲击力就越大，400r/min时在时间段60 ms附近的冲击力峰值大约为50万N，而700 r/min时在时间段30·40 ms之间的冲击力峰值大约为72万N．1 000 r/min时在时间段20~ 30 ms之间的冲击力峰值大小大约为100万N，随着转速增加物料与反击板碰撞时的冲击力越大，物料冲击破碎效果就越好，物料损伤程度越高，因此在随后发生剪切破碎时板锤与物料、物料与反击板之间的相互作用力就越小，可以从图中相应时间区域内发生剪切破碎时的作用力对比看出。
2.2 转子转动惯量
通常每一种型号的反击式破碎机所能破碎物料的范围是一定的，这在很大程度上与该型号破碎机所安装的转子转动惯量大小有关，在转子转速相同的情况下，不同转动惯量的转子所能提供的破碎力不一样，即破碎能力不同，直接影响破碎机的性能。在其它条件不变的情况下，对转子3种不同大小的转动惯量2.44624e7 kg·mm2，4.66679e7 kg．mm2和7.80593e7 kg.mm2所产生破碎力的大小进行计算，从而分析转动惯量对破碎力的影响。
对图3、图9和图10不同转动惯量时板锤与物料动态接触受力以及对图4、图11和图12物料与反击板接触受力过程的分析可知：物料发生冲击破碎时，相同转速下（图3、4、9、10、11、12中转子转速均为700 r/min）转子转动惯量越大，板锤对物料以及物料与反击板发生冲击破碎力越大，图3中物料发生冲击破碎的时间段30—40 ms之间的冲击力峰值大约为72万N，图9中在时间段50—60 ms之间的冲击力峰值只有50万N，图10中在时间段20~30 ms之间的冲击力峰值大约为88万N，随后物料发生剪切破碎时，反击板受到物料的反作用力越小，物料越容易发生剪切破碎。
2.3各级反击板角度不同对破碎效果的影响
各级反击板的角度对石块撞击反击板时所产生的有效破碎力影响较大，通常称垂直于碰撞接触界面的力为有效破碎力即能够引起石块发生破碎的力，最理想的情况是石块每次与反击板发生碰撞时能够垂直于反击板，同时不同角度的反击板对物料发生冲击与剪切破碎的效果影响也较大，改变一级反击板角度后的有限元模型见图13。
从图14和图15中物料与一级反击板动态接触力曲线可以看出，在40 ms附近物料发生冲击破碎时以及在50 ms附近物料发生剪切破碎时的受力情况，通过与图4中在时间段40 ms一60 ms之间数值的对比分析可知，减小一级反击板角度对物料剪切破碎效果较好但不利于物料发生冲击破碎，增大一级反击板角度能够增加冲击碰撞的次数，增强冲击破碎的效果，但不利于物料发生剪切破碎。通过对改变二级和三级反击板的角度计算分析，可以得到与改变一级反击板角度后相同的结论。
3、结论
本文在反击式破碎机关键部件三维实体模型以及转子一板锤一反击板一石块冲击碰撞系统的动力学有限元分析模型基础上，对冲击破碎物料时破碎腔中各部件之间的受力状况进行了分析，同时分析了转速、转动惯量和各级反击板角度对物料破碎效果的影响，结果显示：转子转速越高，转动惯量越大，板锤与物料接触碰撞时以及物料与反击板碰撞时的冲击力就越大，物料冲击破碎效果就越好，物料损伤程度越强，在发生剪切破碎时板锤与物料，物料与反击板之间的相互作用力就越小；减小反击板角度对物料剪切破碎效果较好，但不利于物料发生冲击破碎，增大反击板角度能增加冲击碰撞的次数，增强冲击破碎的效果，但不利于物料发生剪切破碎。这些结论的获得为改善破碎机的性能提供了理论分析基础，降低了设计成本。
