近幾年來，國家對公路、鐵路等基建的投入日益加大，迫切需要大量的砂石。然而有限的天然砂資源已經(jīng)不能滿足持續(xù)發(fā)展的需要，因此機制砂市場越來越大。機制砂市場的不斷增長，帶動了制砂設備的需求，特別是制砂用的立軸沖擊式破碎機成為市場的熱點。
    轉(zhuǎn)子是立軸沖擊式破碎機的主要工作部件，而主拋料頭是轉(zhuǎn)子中損壞最為嚴重的部件，其狀況如何不僅決定著破碎機的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，而且直接影響破碎機的可靠性、使用壽命和成本的首要因素。資料顯示，在我國目前所應用的立軸沖擊式破碎機中，強度本身已經(jīng)不是影響其壽命的主要問題，最關鍵的問題是主拋料頭的磨損，而主拋料頭的磨損首先與拋料頭所受的載荷有關，所以對拋料頭的載荷研究是至關重要的。
1、破碎機的工作原理
    立軸沖擊式破碎機主要由轉(zhuǎn)子、破碎腔、傳動機構(gòu)和機架構(gòu)成，其中轉(zhuǎn)子是立軸沖擊式破碎機的主要工作部件．如圖l所示。
    物料由人料口進入破碎機，轉(zhuǎn)子在電機的帶動下高速轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)速一般為1400-1800r/min），礦石靠轉(zhuǎn)子表面摩擦力和導向板等的作用隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同時受離心力的作用向外拋射，當離開轉(zhuǎn)子時與主拋料頭發(fā)生碰撞，礦石以幾乎達到了轉(zhuǎn)子邊緣的線速度向外拋射，沖擊于破碎腔壁和分料器四周自由落下的一部分物料上發(fā)生粉碎，被破碎的物料由下部排料口排出，和循環(huán)篩分系統(tǒng)形成閉路，經(jīng)多次循環(huán)，達到所要求的產(chǎn)品粒度。
    立軸沖擊式破碎機的主要破碎形式就是擊碎。經(jīng)過加速的石塊，在拋料頭的碰撞下，一部分與破碎腔發(fā)生碰撞破碎，一部分與石塊發(fā)生破碎，主拋料頭在石塊長時間的沖擊下磨損非常嚴重，經(jīng)過一段時間后就必須更換，不然不但會影響破碎效果還會影響到轉(zhuǎn)子本體，轉(zhuǎn)子本體的磨損會影響其動平衡，容易造成主軸斷裂等不良后果，而更換一次立軸沖擊式破碎機的拋料頭需要0.3-0.5萬元，造成很大的浪費。主拋料頭的磨損主要是受到?jīng)_擊以后所產(chǎn)生的沖擊磨損（磨損后的拋料頭如圖2a所示），每一組拋料頭是有9個組成，從實際工況看，每次都是中間的3個磨損最為嚴重，為了不影響轉(zhuǎn)子的動平衡，每次更換都是全部更換造成很大的浪費，這時候就需要研究主拋料頭所受的載荷，以達到延長拋料頭的壽命的目的，但是試驗機不能很好地模擬立軸沖擊式破碎機的真實工礦，現(xiàn)實試驗又太費時費力，虛擬樣機技術是很好解決這個問題的方法．而ADAMS為實現(xiàn)虛擬樣機提供了很好的平臺。
2、破碎機轉(zhuǎn)子建模
    立軸沖擊式破碎機轉(zhuǎn)子(以山特維克生產(chǎn)的RP109)主要由轉(zhuǎn)子本體、主拋料頭、副拋料頭、耐磨夾板、上耐磨板、下耐磨板、分料錐、定位塊、擋料板等180多個零件構(gòu)成。在轉(zhuǎn)子本體的內(nèi)側(cè)有6塊擋料板，這種結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)子在加速物料的同時形成死料區(qū)以減少自身磨損，配合一定范嗣的轉(zhuǎn)速，使物料的破碎過程發(fā)生在轉(zhuǎn)子外部由物料自動形成的沖擊墻上。
    在轉(zhuǎn)子中，主拋料頭的作用是導向。通過轉(zhuǎn)子對石塊的加速，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成渦流狀，通過主拋料頭的導向作用，使石塊改變方向沿著轉(zhuǎn)子的切線方向向外拋射，這樣就注定了主拋料頭的主要失效形式為沖擊磨損，因此需要對主拋料頭的材料進行特殊處理，來增加主拋料頭的耐磨性。
    顯然，對應于破碎機的正常工作狀態(tài)，建模時，應當按照物料在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成料層以后的實際形狀進行簡化。簡化后的轉(zhuǎn)子模型內(nèi)部呈圓柱狀，物料與轉(zhuǎn)子的接觸由石子與金屬的接觸變?yōu)槭�子與石子的接觸，而且，石料被轉(zhuǎn)子加速后更容易拋出，這樣除主拋料頭外其余的零部件都與轉(zhuǎn)子合為一體，以此來模擬主拋料頭的實際工作過程。
    以Solid Works為T具進行建模，并將SolidWorks文件另存為PARASOLID格式導入ADAMS中，導人的模型如圖2b所示。
3、設定模型的參數(shù)及約束條件
    材料的設定：因為簡化后的轉(zhuǎn)子模型內(nèi)部呈圓柱狀，物料與轉(zhuǎn)子的接觸由石子與金屬的接觸變?yōu)槭�子與石子的接觸，所以設定簡化后轉(zhuǎn)子本體的內(nèi)側(cè)材料為石灰石，由于在ADAMS沒有默認的石灰石屬性，所以將轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的屬性設定為：彈性模量4.le+010N/m2，密度為l500k/m3，泊松比為0.3．來模擬石灰石的屬性，設定轉(zhuǎn)子本體的外側(cè)材料為鋼，彈性模量設為：2.07e+O11N/m2．密度為：7801kg/m3．泊松比設為0.29；主拋料頭的屬性設置同轉(zhuǎn)子本體的外側(cè)材料。在ADAMS中轉(zhuǎn)子的入料口處加人物料，在實際工況中，需要破碎的物料一般為不規(guī)則形狀的石灰石，人料粒度是小于55mm，故本文中添加簡化尺寸為邊長20mm到50mm不等的立方體，設定屬性亦為石灰石屬性。
   旋轉(zhuǎn)參數(shù)設定：在模型和大地之間加—個鉸鏈，在鉸鏈上設置—個旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)方向為逆時針，轉(zhuǎn)速分別設為1400r/min、1450r/nun、1500r/nun、1600r/min、1700r/min、1750r/min、1780r/min和1800r/min,據(jù)此來模擬物料經(jīng)過不同加速后在離心力和摩擦力的作用下，經(jīng)過主拋料頭的碰撞后被拋出的過程。石塊對轉(zhuǎn)子本體的沖擊力在另外的文章中另有敘述。
    添加約束和接觸：在轉(zhuǎn)子本體的內(nèi)側(cè)（材料為石灰石）和外側(cè)（材料為鋼）以及主拋料頭（材料為鋼）兩兩之間加上鎖定，使它們在運動中成為一體。在每一個物料上添加和轉(zhuǎn)子本體以及主拋料頭的實體對實體接觸，接觸力設為碰撞，剛度設為1.0e+008N/mm，阻尼比設為1.0e+004．穿透深度設為1.0e-004mm，摩擦力的設置按照庫侖摩擦設置，靜摩擦系數(shù)設為0.3，動摩擦系數(shù)設為0.1，其余的按照ADAMDS的默認設置。
  仿真：時間為1.5s，steps為5000。確定這些參數(shù)的基本原則是，在保證石料全部被拋出的前提下，盡量節(jié)約時間并能提高仿真精度。
4、仿真結(jié)果
    利用ADAMS軟件并按照前述的模型參數(shù)級約束設定，可以得到轉(zhuǎn)速為1400 r/min、1500r/min、1600 r/min、1700r/min和1800r/min時主拋料頭的總體受沖擊力情況，如圖3所示。
    圖3中，每一次碰撞在圖中表現(xiàn)為一次峰值�？梢钥闯�，轉(zhuǎn)子在1400r/min時，石塊加速均勻，碰撞次數(shù)最多，在1.4454s時石料被全部拋出：1600r/min和1700r/min時所受沖擊力相對比較平穩(wěn)，受的平均沖擊力（每次沖擊力之和除以受沖擊的次數(shù)）也相差不大．石料分別在1.33s和1.31s被全部拋出；在1800r/min時，碰撞次數(shù)最少。這可能是由于轉(zhuǎn)速的增大．石料未經(jīng)過充分碰撞就被強大的離心力拋出轉(zhuǎn)子；雖然最大沖擊力和平均沖擊力是最大的，但是除了最大值外其余的沖擊力都比前幾個轉(zhuǎn)速的小。從圖3可以看出，在1800rpm時石料被全部拋出的時間只有1.25s．顯然，石料未經(jīng)過充分的碰撞加速就被甩出轉(zhuǎn)子，對其破碎效果會有不利影響。這說明，破碎效果不總是隨著轉(zhuǎn)速的提高而變好，而且最大沖擊力和平均沖擊力很大還會加速主拋料頭磨損，長時間的沖擊磨損會使主拋料頭的壽命大大縮短，進而對轉(zhuǎn)子本體的動平衡造成很大的影響。因此，合理地選擇轉(zhuǎn)速對于增加主拋料頭的壽命和提高破碎效率非常重要。
   通過ADAMS對仿真的后處理，得到主拋料頭的最大沖擊力和平均沖擊力隨主軸轉(zhuǎn)速變化的數(shù)值曲線，如圖4所示。
    由圖4看出，最大沖擊力存轉(zhuǎn)速1500-1600r/nun以及1750-1780r/min時相對增幅較大，在1400-1500r/min和1600-1750r/min時相對較平穩(wěn)，而平均沖擊力在1400-1450r/min和1650-1750r/min時相對增幅較大，在1450-1650r/min時相對較平穩(wěn)。由于物料是立方體的，是平面還是尖面與主拋料頭接觸所產(chǎn)生的沖擊力是不同的，在最大和平均沖擊力突然變化的轉(zhuǎn)速區(qū)間，尖面與主拋料頭的碰撞的幾率很大，加劇了主拋料頭的磨損，從而影響更換主拋料頭的頻率，造成很大的浪費。由圖可以看出，最大沖擊力比平均沖擊力高兩個數(shù)量級，即物料對主拋料頭的瞬間沖擊力很大。由此可以知道．1400-1500r/min以及1600-1750r/min是主拋料共受力均衡，轉(zhuǎn)子能獲得平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速區(qū)間；降低最大沖擊力的值和頻率非常必要，這既與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及相關參數(shù)的優(yōu)化有關，還要分析進料粒度均勻性的影響和石塊與主拋料頭碰撞的主要區(qū)域。
5、結(jié)論
    轉(zhuǎn)速是影響立軸沖擊破碎機破碎質(zhì)量、效率以及壽命的重要因素．但破碎效果不總是隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高，高轉(zhuǎn)速還會加劇主拋料頭的磨損，嚴重影響破碎機的使用壽命。仿真分析表明．1400 -1500r/min以及1600-1750r/min是主拋料頭受力均衡，轉(zhuǎn)子能獲得平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速區(qū)間；此外，為了全面兼顧破碎機的破碎質(zhì)量、效率以及使用壽命，降低最大沖擊力的值和頻率是至關重要的，因此既需要考慮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及相關參數(shù)的優(yōu)化，還要分析進料粒度均勻性的影響。對于石塊和主拋料頭的主要碰撞區(qū)域的確定也是非常重要的，值得進一步研究。