固定式破碎機(jī)主要應(yīng)用于各類礦山、采石場(chǎng)破碎機(jī)的入料口或格篩處，進(jìn)行大塊物料的二次破碎，也可用于冶煉廠對(duì)鋼包和冶金爐進(jìn)行打殼拆包等處理。本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)GTPH60-4. 0/3.0 -W型固定式破碎機(jī)進(jìn)行實(shí)體化建模，并利用Solidworks無(wú)縫銜接的COSMOSMotion與COSMOSWorks插件進(jìn)行仿真和分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與零部件有限元分析的集成仿真計(jì)算。整個(gè)分析過(guò)程相互關(guān)聯(lián)，并得到了與實(shí)際相符的計(jì)算結(jié)果，為提高設(shè)計(jì)水平、解決同類產(chǎn)品的共性問(wèn)題提供了具有參考價(jià)值的分析方法。
1、虛擬樣機(jī)的建模和仿真
1.1三維實(shí)體建模
    固定式破碎機(jī)工作裝置主要由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿、連桿、搖桿、液壓錘、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和轉(zhuǎn)錘油缸等部件組成。以GTPH60 -4. 0/3.O -W型固定式破碎機(jī)為例，采用Solidworks 08軟件對(duì)工作裝置主要部件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求，采用同心、重合等幾何約束關(guān)系將各零部件裝配起來(lái)，得到整體裝配圖。結(jié)合仿真需要，將工作裝置調(diào)整到合適的初始位姿，本文中將初始位姿定為各油缸全縮狀態(tài)，如圖1所示。
1.2仿真平臺(tái)
  COSMOSMotion 08是與Solidworks 08軟件無(wú)縫集成的全功能運(yùn)動(dòng)仿真軟件，可以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，它繼承了裝配體的約束關(guān)系，可以進(jìn)行冗余約束檢查和自動(dòng)消除，并添加了馬達(dá)模塊來(lái)模擬直線和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，可分別按位移、速度或加速度，通過(guò)等速、距離、振蕩、插值和表達(dá)式來(lái)定義各種運(yùn)動(dòng)，得到系統(tǒng)中各零部件的位移、速度、加速度和作用力及反作用力等情況，并以動(dòng)畫、圖形、表格等多種形式輸出結(jié)果，以滿足用戶對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真分析的諸多需求。
    COSMOSWorks是一套強(qiáng)大的有限元分析軟件，能對(duì)用Solidworks設(shè)計(jì)的實(shí)體模型進(jìn)行靜態(tài)、熱力、振動(dòng)頻率、疲勞、流體、扭曲等多項(xiàng)工程分析，也可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和非線性分析，是目前廣為流行的CAE軟件。本文通過(guò)應(yīng)用COSMO-SMotion對(duì)工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析后得出一系列數(shù)據(jù)，包括各時(shí)刻各部件的運(yùn)動(dòng)特性和受力情況，然后可以方便地在COSMOSWorks中進(jìn)行模態(tài)分析和有限元等分析。
1.3仿真工況
    根據(jù)GTPH60 -4. 013.0 -W型固定式破碎機(jī)的實(shí)際情況設(shè)定仿真時(shí)間為28s，然后按照各油缸工作順序、油缸直徑大小確定每階段的時(shí)間分配，采用COSMOSMotion插件中內(nèi)嵌階躍函數(shù)STEP(TIME，tl，xl，t2，x2)，通過(guò)馬達(dá)模塊控制各油缸的伸縮位移，從而驅(qū)動(dòng)液壓錘錘尖實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。為了獲得工作范圍的包絡(luò)圖、各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，只需給出其在X-Y平面的仿真結(jié)果（馬達(dá)旋轉(zhuǎn)不作考慮），將各部件重力加入后，通過(guò)下列函數(shù)表達(dá)式實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作過(guò)程的仿真。
    動(dòng)臂油缸位移表達(dá)式：STEP (TIME．10，0, 15, 0.65)  +STEP (TIME, 23,0,28,-0. 65)；斗桿油缸位移表達(dá)式：STEP (TIME，O,0,6, 0.85)+STEP (TIME, 15,0,20,-0. 85)；轉(zhuǎn)錘油缸位移表達(dá)式：STEP (TIME，6,0, 10, 0.45)+STEP (TIME, 20,0,23,-0. 45)。
    通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，可以適時(shí)地分析各工況的受力情況，確定各部件出現(xiàn)危險(xiǎn)工況的位置。
2、仿真分析
2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析
    錘尖運(yùn)動(dòng)的速度、加速度與各油缸伸縮的速度和加速度有著嚴(yán)格的依賴關(guān)系，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，將給定的錘尖位姿和速度信息變換為各油缸伸長(zhǎng)的控制指令，從而驅(qū)動(dòng)液壓錘錘尖實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及油缸鉸點(diǎn)已定時(shí)，工作范圍主要取決于各油缸的選型尺寸。運(yùn)行仿真后錘尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2，即整個(gè)工作裝置的運(yùn)動(dòng)極限包絡(luò)圖，然后在結(jié)果中可以得出各點(diǎn)的速度、位移、加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)特性參數(shù)曲線，并可以輸出到execl中進(jìn)行處理。例如從其位移曲線圖3中，可以得出最大打擊深度3810mm和最大工作高度5852mm，最大工作半徑6467mm等，限于篇幅不予列舉，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)需要合理選擇油缸的長(zhǎng)度。
2.2動(dòng)力學(xué)仿真分析
    對(duì)于工作裝置中各部件的受力（例如液壓缸推力的計(jì)算），目前多采用軌跡圖法或根據(jù)幾何約束關(guān)系建立力學(xué)方程組進(jìn)行求解，設(shè)計(jì)過(guò)程相當(dāng)煩瑣，設(shè)計(jì)結(jié)果也不盡如意。在COSMOSMotion中將各部件重力載荷用引力模塊計(jì)入，液壓錘的載荷通過(guò)力模塊中諧波函數(shù)加入，運(yùn)行仿真后以油缸為例，從圖4中可以直觀地看出工作裝置在動(dòng)作過(guò)程中每一時(shí)刻各油缸的受力狀況和極值出現(xiàn)的位置，從而為液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及極限工況下相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度校核和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。除液壓缸的受力外，還可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，得到各關(guān)鍵點(diǎn)的受力特性，為后面各部件轉(zhuǎn)入COSMO-SWorks中做有限元分析提供依據(jù)。
2.3模態(tài)分析
    由于固定式破碎機(jī)工作中存在振動(dòng)不穩(wěn)定的情況，在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)各部件進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析的主要任務(wù)是研究無(wú)阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)，特別是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率，以便有效地通過(guò)改變構(gòu)件質(zhì)量或形狀避開(kāi)這些頻率或最大限度地減小對(duì)這些頻率的激勵(lì)，從而消除過(guò)度疲勞或損壞。
    模態(tài)分析中最重要的材料參數(shù)是質(zhì)量和剛度，以動(dòng)臂為例，首先建立三維模型和劃分有限元網(wǎng)格，然后在COSMOSWorks中選擇頻率分析，并定義材料屬性和邊界條件，運(yùn)行后程序給出前5階的頻率及振型如表1所示，限于篇幅，只給出4階振型圖如圖5所示。
    分析動(dòng)臂在27, 035Hz和32.155Hz內(nèi)會(huì)產(chǎn)生共振，在152. 36Hz會(huì)產(chǎn)生較大變形，由于破碎機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為800～900r／nun，其頻率約為15Hz，破碎錘作為外界激勵(lì)源，其頻率在5～8Hz，根據(jù)以上分析，動(dòng)臂前5階模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓錘的工作頻率沒(méi)有產(chǎn)生重合，故動(dòng)臂在工作過(guò)程中的振動(dòng)是安全的。
2.4有限元分析
    由于在動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中，可以方便地得到關(guān)鍵點(diǎn)的受力情況，工作裝置中的各部件就可以在COSMOSWorks中進(jìn)行有限元分析，同樣以動(dòng)臂為例，給出在最大工作半徑工況時(shí)的有限元分析結(jié)果。靜態(tài)位移如圖6所示，最大位移8.677mm; VonMises應(yīng)力分布如圖7，最大應(yīng)力為375. 2MPa。其他位置的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及安全系數(shù)數(shù)據(jù)可以通過(guò)探測(cè)得知。本次分析中，除上蓋板與軸套表面因線接觸出現(xiàn)一處應(yīng)力集中外，其他處經(jīng)探測(cè)應(yīng)力最大值為158. 6MPa，低于材料許用應(yīng)力，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化分析提供了依據(jù)。
3、結(jié)論
    利用Solidworks 08軟件中嵌入的COSMOS軟件對(duì)GTPH60 -4.0/3．O-W型固定式破碎機(jī)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建模、運(yùn)動(dòng)仿真和有限元技術(shù)的分析，整個(gè)過(guò)程是相關(guān)聯(lián)的，分析過(guò)程中所做的修改都會(huì)自動(dòng)映射到仿真模型和工程圖中，大大節(jié)省了分析時(shí)間，并在理論分析和實(shí)際相結(jié)合的基礎(chǔ)上對(duì)仿真的結(jié)果做出正確評(píng)估，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)工作具有重要的指導(dǎo)意義，為合理匹配相關(guān)參數(shù)提供了理論依據(jù)。