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摘 要：颚式破碎机机构尺寸参数设计的优劣是决定产品性能的关键。本文应用多体动力学软件RecurDyn建立颚式破碎机的运动机构模型，将机构中各重要参数作为设计变量，以颚破排料口的行程比为目标参数进行优化设计。结果表明破碎机排料口的冲程比有明显减小，极大的改善了破碎机的工作性能。
关键词：RecurDyn;颚式破碎机;机构分析;优化设计
引言：
颚式破碎机由于结构简单、工作可靠、容易制造、使用维护方便，因此被广泛应用于冶金、建材、化工、煤炭、石材等行业原料的破碎。随着破碎物料需求的不断增加，对颚式破碎机的性能的要求也进一步提高，颚式破碎机的运动机构作为破碎机至关重要的构成部分，需要不断地改进优化。
目前国产颚式破碎机的设计比较保守，效率、性能较国外先进产品还有一定差距，虽然国内厂家通过与高校合作等方式提高颚式破碎机的设计技术水平，但与国外厂家还有较大差距。本文采用多体动力学分析软件RecurDyn建立颚式破碎机运动机构模型，以国产PE75106复摆颚式破碎机运动机构为例，进行优化分析，为改善国内颚式破碎机性能提供一种优化方法。
1 颚式破碎机运动机构建模及参数化
复摆颚式破碎机的工作装置主要由偏心轴、动颚体、肘板、机架组成，是典型的曲柄摇杆机构。如图1所示，曲柄AB对应偏心轴、连杆BC对应动颚体、摇杆CD对应肘板、AD对应机架，EF为排料口尺寸。
為了对颚式破碎机排料口处行程比进行优化分析，需将颚式破碎机的运动机构进行参数化。将曲柄AB对、连杆BC、摇杆CD、机架AD作为变量参数建立参数变量，以这些参数变量为基础建立参数点，使用RecurDyn软件自带的“Link”功能绘制颚式破碎机运动机构模型，并添加4个转动副，分别对应图1中的A、B、C、D点，并在A点处的转动副上添加驱动，偏心轴转速为280r/min，如图2所示。
国内某厂家的PE75106复摆颚式破碎机的运动机构的基本尺寸为：AB=19.5mm，BC=1703.5mm，CD=600mm，AD=1438.5mm。
2 颚式破碎机运动机构仿真分析
颚式破碎机动颚的运动特性是破碎机评价的重要尺度之一。由于破碎机中物料粒径是从上到下逐渐减小的，粒径越大所需压缩量越大，而动颚的水平行程对应物料的压缩量。垂直行程使物料承受搓磨，垂直行程越大，越易产生粉料，也越加剧衬板磨损。因此垂直行程与水平行程的比值，即排料口的行程比越小，能耗越低，物料的粉碎率也越低[1-2]。
颚式破碎机排料口处的行程比为关键参数，故在连杆（动颚）BC上建立一个排料口处的坐标点（Marker），对应于图1中E点，为分析排料口E的行程变化，需建立E点最低点处的坐标。根据曲柄摇杆机构的特点可知下死点状态为E点最低位置状态，并以曲轴中心A点为原点建立坐标系，如图3所示。
夹角α可根据三角函数关系获得如下：
故图3中E点的坐标值可根据三角函数关系获得如下：
其中EH=622.6，CG=443，XAD=2，YAD=1827.5。
在模型的Ground中建立E点最低点（Marker）E'，通过两点的差值可得排料口行程的变化曲线，通过RecurDyn软件分析PE75106颚式破碎机的运动机构，其水平行程为Δx=17mm，竖直行程为Δy=60.6mm，如图4所示。排料口行程比：
可见此PE75106颚式破碎机的行程比偏大，需要进行优化。
3 机构优化分析
为降低排料口行程比数值，需要对颚式破碎机的运动机构进行优化分析。RecurDyn软件自带Design Study和AutoDesign两部分优化功能，其中前者适用于研究单个设计变量或多个设计变量的影响分析，后者是一个集DOE、元模型技术和数值优化技术为一体的有效自动化设计优化工具[3]。为对颚式破碎机进行更可靠的分析，采用AutoDesign模块，进行DOE试验分析。
3.1设计变量和目标参数
颚式破碎机运动机构各主要参数是指模型中曲柄摇杆机构各杆长和位置参数，故选用AB、BC、CD、XAD、YAD五个参数为设计变量。
因颚式破碎机排料口行程比是破碎机机构性能的重要指标，故选排料口处行程比m为目标参数。
3.2约束条件
考虑到原整机尺寸、机构合理性等要求，需要对设计的变量的取值范围进行必要的限制，并且为保证原机型不发生较大变化，将各杆的长度变化限制在10%以内。
曲柄长AB对破碎机的工作性能影响较大。增大偏心距，可以提高机器的破碎性能，但功率也会剧增。在保证破碎能力的情况下，尽可能的减小偏心轴距的大小，减少功率消耗。因此AB的取值范围为：16≤AB≤20
连杆长BC、摇杆长CD和机架DA会影响到破碎机性能，其取值范围限制在10%以内，分别为：1625≤BC≤1785，570≤CD≤630，0≤XAD≤90，1370≤YAD≤1510。
通过分析取值范围，各杆长满足最长杆与最短杆长度之和小于或等于另外两杆长度之和，并且曲柄为最短杆的条件（即满足曲柄摇杆机构成立条件）。
3.3结果分析
将设计变量和目标参数添加到RecurDyn软件的AutoDesign模块中，并选择7水平的Bose正交矩阵设计，通过仿真分析可得5个设计因素在当前设计区间内与目标参数的关系，如图5所示，通过效果分析可知，5个设计变量与行程比无明显增减关系。
通过优化分析可得设计变量最佳水平组合，并进行仿真分析，对比优化前后数据如表1所示。破碎机水平行程由17提升至18，同时行程比由3.56降低至2.98，优化后的破碎机衬板的磨耗会降低，且曲柄由19.8降至18可降低破碎机的功率，
4 结论
应用多体动力学分析软件RecurDyn可实现颚式破碎机运动机构的参数化建模，并通过软件自带的优化分析工具实现运动机构的优化设计。通过对PE75106颚式破碎机运动机构的分析，可总结如下;
从优化结果上看，排料口行程比明显降低，同时水平行程有一定提高，可以预期衬板的使用寿命会有一定提高。由于曲柄长度减小，破碎机消耗的功率有望降低。
采用这种方法可以实现对现有颚式破碎机运动机构改进，缩短颚式破碎机改进设计的时间，特别适用于针对结构改动较小的优化设计。
参考文献：
[1]郎宝贤，郎世平.破碎机[M].北京：冶金工业出版社，2011.
[2]胡百鸣，郎宝贤，龚相超.PEF250×400颚式破碎机动颚轨迹优化[J].武汉科技大学学报，2011（34）5：339-341.
（徐州徐工履带底盘有限公司，江苏 徐州 221005）
关键词：RecurDyn;颚式破碎机;机构分析;优化设计
引言：
颚式破碎机由于结构简单、工作可靠、容易制造、使用维护方便，因此被广泛应用于冶金、建材、化工、煤炭、石材等行业原料的破碎。随着破碎物料需求的不断增加，对颚式破碎机的性能的要求也进一步提高，颚式破碎机的运动机构作为破碎机至关重要的构成部分，需要不断地改进优化。
目前国产颚式破碎机的设计比较保守，效率、性能较国外先进产品还有一定差距，虽然国内厂家通过与高校合作等方式提高颚式破碎机的设计技术水平，但与国外厂家还有较大差距。本文采用多体动力学分析软件RecurDyn建立颚式破碎机运动机构模型，以国产PE75106复摆颚式破碎机运动机构为例，进行优化分析，为改善国内颚式破碎机性能提供一种优化方法。
1 颚式破碎机运动机构建模及参数化
复摆颚式破碎机的工作装置主要由偏心轴、动颚体、肘板、机架组成，是典型的曲柄摇杆机构。如图1所示，曲柄AB对应偏心轴、连杆BC对应动颚体、摇杆CD对应肘板、AD对应机架，EF为排料口尺寸。
為了对颚式破碎机排料口处行程比进行优化分析，需将颚式破碎机的运动机构进行参数化。将曲柄AB对、连杆BC、摇杆CD、机架AD作为变量参数建立参数变量，以这些参数变量为基础建立参数点，使用RecurDyn软件自带的“Link”功能绘制颚式破碎机运动机构模型，并添加4个转动副，分别对应图1中的A、B、C、D点，并在A点处的转动副上添加驱动，偏心轴转速为280r/min，如图2所示。
国内某厂家的PE75106复摆颚式破碎机的运动机构的基本尺寸为：AB=19.5mm，BC=1703.5mm，CD=600mm，AD=1438.5mm。
2 颚式破碎机运动机构仿真分析
颚式破碎机动颚的运动特性是破碎机评价的重要尺度之一。由于破碎机中物料粒径是从上到下逐渐减小的，粒径越大所需压缩量越大，而动颚的水平行程对应物料的压缩量。垂直行程使物料承受搓磨，垂直行程越大，越易产生粉料，也越加剧衬板磨损。因此垂直行程与水平行程的比值，即排料口的行程比越小，能耗越低，物料的粉碎率也越低[1-2]。
颚式破碎机排料口处的行程比为关键参数，故在连杆（动颚）BC上建立一个排料口处的坐标点（Marker），对应于图1中E点，为分析排料口E的行程变化，需建立E点最低点处的坐标。根据曲柄摇杆机构的特点可知下死点状态为E点最低位置状态，并以曲轴中心A点为原点建立坐标系，如图3所示。
夹角α可根据三角函数关系获得如下：
故图3中E点的坐标值可根据三角函数关系获得如下：
其中EH=622.6，CG=443，XAD=2，YAD=1827.5。
在模型的Ground中建立E点最低点（Marker）E'，通过两点的差值可得排料口行程的变化曲线，通过RecurDyn软件分析PE75106颚式破碎机的运动机构，其水平行程为Δx=17mm，竖直行程为Δy=60.6mm，如图4所示。排料口行程比：
可见此PE75106颚式破碎机的行程比偏大，需要进行优化。
3 机构优化分析
为降低排料口行程比数值，需要对颚式破碎机的运动机构进行优化分析。RecurDyn软件自带Design Study和AutoDesign两部分优化功能，其中前者适用于研究单个设计变量或多个设计变量的影响分析，后者是一个集DOE、元模型技术和数值优化技术为一体的有效自动化设计优化工具[3]。为对颚式破碎机进行更可靠的分析，采用AutoDesign模块，进行DOE试验分析。
3.1设计变量和目标参数
颚式破碎机运动机构各主要参数是指模型中曲柄摇杆机构各杆长和位置参数，故选用AB、BC、CD、XAD、YAD五个参数为设计变量。
因颚式破碎机排料口行程比是破碎机机构性能的重要指标，故选排料口处行程比m为目标参数。
3.2约束条件
考虑到原整机尺寸、机构合理性等要求，需要对设计的变量的取值范围进行必要的限制，并且为保证原机型不发生较大变化，将各杆的长度变化限制在10%以内。
曲柄长AB对破碎机的工作性能影响较大。增大偏心距，可以提高机器的破碎性能，但功率也会剧增。在保证破碎能力的情况下，尽可能的减小偏心轴距的大小，减少功率消耗。因此AB的取值范围为：16≤AB≤20
连杆长BC、摇杆长CD和机架DA会影响到破碎机性能，其取值范围限制在10%以内，分别为：1625≤BC≤1785，570≤CD≤630，0≤XAD≤90，1370≤YAD≤1510。
通过分析取值范围，各杆长满足最长杆与最短杆长度之和小于或等于另外两杆长度之和，并且曲柄为最短杆的条件（即满足曲柄摇杆机构成立条件）。
3.3结果分析
将设计变量和目标参数添加到RecurDyn软件的AutoDesign模块中，并选择7水平的Bose正交矩阵设计，通过仿真分析可得5个设计因素在当前设计区间内与目标参数的关系，如图5所示，通过效果分析可知，5个设计变量与行程比无明显增减关系。
通过优化分析可得设计变量最佳水平组合，并进行仿真分析，对比优化前后数据如表1所示。破碎机水平行程由17提升至18，同时行程比由3.56降低至2.98，优化后的破碎机衬板的磨耗会降低，且曲柄由19.8降至18可降低破碎机的功率，
4 结论
应用多体动力学分析软件RecurDyn可实现颚式破碎机运动机构的参数化建模，并通过软件自带的优化分析工具实现运动机构的优化设计。通过对PE75106颚式破碎机运动机构的分析，可总结如下;
从优化结果上看，排料口行程比明显降低，同时水平行程有一定提高，可以预期衬板的使用寿命会有一定提高。由于曲柄长度减小，破碎机消耗的功率有望降低。
采用这种方法可以实现对现有颚式破碎机运动机构改进，缩短颚式破碎机改进设计的时间，特别适用于针对结构改动较小的优化设计。
参考文献：
[1]郎宝贤，郎世平.破碎机[M].北京：冶金工业出版社，2011.
[2]胡百鸣，郎宝贤，龚相超.PEF250×400颚式破碎机动颚轨迹优化[J].武汉科技大学学报，2011（34）5：339-341.
（徐州徐工履带底盘有限公司，江苏 徐州 221005）