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ADAMS在顎式破碎機優(yōu)化仿真設(shè)計中的應用

本文作者利用ADAMS運動學與動力學仿真設(shè)計軟件對PF1600X2100復擺顎式破碎機進行快速開發(fā)，對破碎機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)進行仿真優(yōu)化設(shè)計，得到了一組滿足用戶設(shè)計要求的最優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計參數(shù)。此應用案例對于復擺顎式破碎機及其他工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計有實際的指導意義。

    摘要：此外，本文把ADAMS引入到顎式破碎機的優(yōu)化設(shè)計中，根據(jù)不同型號的破碎機，針對不同的設(shè)計變量、目標函數(shù)與約束條件，在ADAMS中定義各機構(gòu)桿件不同的端點坐標即可對不同型號的顎式破碎機進行優(yōu)化仿真設(shè)計，從而克服以往對顎式破碎機優(yōu)化設(shè)計中需要根據(jù)不同破碎機型號，不同設(shè)計變量、目標函數(shù)及約束條件需要編寫不同仿真設(shè)計程序的缺點，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，加快了產(chǎn)品的市場反映能力，優(yōu)化了產(chǎn)品性能，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

    顎式破碎機是礦山生產(chǎn)、建設(shè)用料加工及聚合化工生產(chǎn)的主要設(shè)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(shè)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(shù)對顎式破碎機機構(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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計工具對新型顎式破碎機進行快速開發(fā)，對機構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行仿真優(yōu)化設(shè)計，從而大大減小了仿真設(shè)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(shè)計軟件ADAMS對新型復擺顎式破碎機機構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)計任務的提出與機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型的建立

    (1)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計生產(chǎn)此種大型顎式破碎機在國內(nèi)尚屬首次，對設(shè)計與制造帶來機遇和挑戰(zhàn)。為對PF1600X2100破碎機的設(shè)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(shù)對PF1600X2100進行仿真優(yōu)化設(shè)計。

    (2)機構(gòu)優(yōu)化模型的建立

    機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計包括設(shè)計變量的確定，目標函數(shù)的建立以及設(shè)計約束的確定，此三部分組成了機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型。所以在顎式破碎機的優(yōu)化設(shè)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(shè)計。

    本文中所討論PF1600X2100復擺顎式破碎機的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計變量、目標函數(shù)及約束條件如下所示：

設(shè)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(shè)計變量：

目標函數(shù)

    目標函數(shù)是設(shè)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(shè)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(shè)計中，在建立設(shè)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(shè)計程序來優(yōu)化顎式破碎機的機構(gòu)設(shè)計參數(shù)。其主要弊端是針對不同的設(shè)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(shè)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(shè)計，這不僅大大減小優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、模型分析技術(shù)、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析技術(shù)、優(yōu)化仿真分析技術(shù)、利用實驗數(shù)據(jù)進行建模的技術(shù)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(shè)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(guān)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(shè)計變量、目標函數(shù)及約束條件的確定

    設(shè)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(shè)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(shè)計結(jié)束。約束條件是通過ADAMS所提供的設(shè)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(shè)計

    在ADAMS中確定設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)系到物料的受力狀態(tài)，機架結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計。實踐表明，采用ADAMS對PF1600X2100顎式破碎機的設(shè)計參數(shù)進行仿真優(yōu)化設(shè)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(shè)計人員對顎式破碎機的仿真優(yōu)化設(shè)計采用針對不同型號的破碎機，不同的設(shè)計變量、目標函數(shù)及約束條件需要編寫不同的仿真設(shè)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(shè)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(shè)計軟件對PF1600X2100顎式破碎機進行仿真優(yōu)化設(shè)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(chǔ)。

    利用ADAMS軟件對顎式破碎機進行仿真優(yōu)化設(shè)計，針對不同型號的顎式破碎機，不同的設(shè)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(shè)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(shè)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。