振动破碎机负载工作特性的仿真研究.pdf

7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 1 ．0 1 5 振动破碎机负载工作特性的仿真研究 梁国栋，夏晓鸥，张峰，陈帮，刘方明，王 旭 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要根据振动破碎机空载工况下的工作特性，基于虚拟样机技术对振动破碎机在简化的负载工况下的同步稳 定工作特性进行仿真研究。运用修正后的经验公式、模糊随机理论及冲击破碎理论对工作机构施加动态载荷，根据两侧 载荷的动态差异分析研究负载下机体的同步稳定工作特性，得到机体的同步稳定性能受到两侧载荷差异性的影响较大， 主要表现在水平方向振动和工作机构同步性能上。对改进设备关键参数和提高设备稳定性具有较重要的参考意义。 关键词虚拟样机技术；同步稳定工作特性；动态载荷；载荷差异性 中图分类号T I M 5 1文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 1 - 0 0 7 8 - 0 6 S i m u l a t i o nS t u d yo nt h eL o a d i n gC h a r a c t e r i s t i c so fV i b r a t i o nC r u s h e r L 1 A N GG u o d o n g ，x I AX i a o o u ，Z H A N GF e n g ，C H E NB a n g ，U UF a n g m i n g ，W A N GX u B e i j i n gG e n e r a lI n s t i t u t eo f 胞n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t yu n d e rs i m p l i f i e dl o a da r es t u d i e db a s e d o nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，a c c o r d i n gt ot h es t u d yo nt h en o - l o a dw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i o nc r u s h e r ． r 1 1 l ed y n a m i cl o a di si m p o s e do nt h ej a w sb yu s i n gm o d i f i e de m p i r i c a lf o r m u l a ，f u z z yr a n d o mt h e o r ya n di m p a c t c r u s h i n gt h e o r y ．％ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t yu n d e rl o a da r ea n a l y z e db ym e a n so ft h e d i f f e r e n c eo fd y n a m i cl o a d ．r 1 1 1 es y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t yo ft h eb o d ya l eg r e a t l ya f f e c t e db yt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n l o a do nb o t hs i d e s ，w h i c hi sm a i n l ym a n i f e s t e di nt h eh o r i z o n t a lv i b r a t i o na n dt h es y n c h r o n o u sp e r f o r m a n c eo ft h ej a w s ． A sar e s u l t ，t h es t u d yh a sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et oi m p r o v ek e yp a r a m e t e r sa n ds t a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t ． K e yw o r d s V i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ；W o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t y ；D y n a m i cl o a d ；L o a dd i f f e r e n c e 近些年来，破碎机械发展迅速，尤其是在大型 化、智能化及高能化等方面取得了较大的进步，然而 在破碎理论的应用方面突破性进展缓慢⋯。振动 破碎机是一种基于振动破碎理论设计研制的新型破 碎设备，采用了一种新工作原理，具有许多独特优 点。国内外对它工作特性的仿真研究特别是对其负 载工作状态下研究的缺乏，制约了对它工作特性的 全面掌握，影响了设备关键参数和机构特征的设计， 阻碍了它的完善优化和推广应用。根据设备的空载 工作特性，本文运用虚拟样机技术对其进行负载工 作特性的仿真研究，对振动破碎机稳定性的提高具 有较好的参考价值。 1结构特征和工作原理 图1 所示，振动破碎机由悬挂在轴承支撑上的 双工作机构组成，其工作面固定有齿板；工作机构上 端的中间固定有扭轴，扭轴两端紧固于卡箍装置中； 工作机构下部的外侧安装有激振系统，该系统通过 弹性联轴器与传动装置联接；机体通过减振装置安 置于基础上⋯。 工作原理激振器高速旋转产生的惯性力通过 工作机构转化为破碎力对物料进行破碎。工作时两 个电机经过传动装置带动激振器转子高速旋转实现 双工作机构高频反向同步摆动，从而实现对物料的 冲击振动破碎1 。 2 负载工作特性 一个设备的工作特性是其机械系统所特有的性 质，由机构的工作原理和结构特征决定。全面了解 和掌握设备的工作特性，有利于改进和提高设备的 收稿日期2 0 1 7 - 0 5 - 0 4修回日期2 0 1 7 1 2 1 8 作者简介梁国栋 1 9 8 9 ． ，男，河南濮阳人，硕士，助理工程师，从事矿山机械设备的研究。 万方数据 2 0 1 8 年第l 期梁国栋等振动破碎机负载工作特性的仿真研究 - 7 9 - 1 一工作机构；2 一激振系统；3 一支撑； 4 一扭轴；5 一减振装置；6 一基础；7 一齿板 图1 振动破碎机结构示意图 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mo fv i b r a t i o nc r u s h e r 技术水平。 空载工作特性的研究是掌握设备全面工作特性 的基础，而负载工作特性的研究是设备工作特性研 究的主要目标，具有重要意义。 根据振动破碎机空载工作特性的理论分析及仿 真研究，初步掌握了振动破碎机一些工作特性参数， 作为空载时以非线性振动系统为载体的机构，在加 入物料后，因物料的随机性，使得设备承受随机动态 载荷作用，因而机构的研究成为随机振动系统的研 究范畴，致使负载工作特性研究的复杂化和困难化。 严格来说，自然界和工程中大量的实际问题都是随 机的，故有必要研究随机振动问题，然而，随机振动 虽具有不确定性，但利用概率统计方法仍可以分析 研究其规律性HJ 。因此，为便于研究设备的负载工 作特性，通过破碎机破碎腔内物料的随机性研究，找 到物料分布所遵循的一般统计性规律，将随机载荷 简化为符合统计规律且与破碎腔中工作机构的某些 振动参数相关的确定性分布载荷，从而使系统的随 机振动响应转化为确定性振动响应来实现负载工作 特性的仿真研究。 2 ．1 载荷的施加 破碎机破碎物料时，破碎腔中工作机构施加于 物料上的力，称为破碎力”J 。破碎腔中物料的分布 特性，决定了腔内破碎力的分布特性。此外，破碎力 在破碎腔中分布情况以及合力作用点的位置和大小 是破碎机构强度和刚度设计的重要依据。在振动破 碎机的结构设计中，破碎力的分布情况起着关键的 作用，由于传统设计中只考虑总破碎力而忽略其分 布状况，因此通过传统理论分析的方法将会造成安 全系数过大、机构强度过剩等情况，从而产生较大的 误差。根据物料分布的随机特性，为便于破碎力分 布的研究，提出以下假设条件∽J 在一次破碎周期 中，总破碎力是由肘个随机破碎力F i ，J 组成，而 每一个随机力满足统计规律，即在连续破碎过程中， 随机力的作用点在一个固定点附近摆动，由于摆动 幅度较小，偏移量可忽略不计。 物料破碎过程中，机体承受的载荷主要指物料 对工作机构的反作用力 即与破碎力等大反向的作 用力 。对于每个破碎周期来讲，由于破碎腔结构、 物料性质、物料松散系数和孔隙率等因素，齿板各受 力点的位置和大小是随机变化的，因此齿板承受着 非均布随机的反作用力。但是对于给定了固定结构 参数和一种物料而言，连续工况下，破碎腔齿板受到 的总作用力大小和方向变化并不大，除非存在不可 破的异性物料或扰动力的影响。并且，在设备连续 工作过程中发现，满腔破碎时，在破碎参数不再改变 的情况下，齿板任意点处的作用力是围绕一个确定 的值在变动，这个值可以确定为该点的破碎力MJ ， 也是该点处的载荷。此外，破碎腔齿板不同位置破 碎速度和破碎行程不同，显然也会影响该处载荷的 分布。另一方面，物料的强度、孔隙率和松散系数等 因素的不同也会很大程度上影响破碎腔中载荷分布 的状况，例如物料物理性质和粒度分布越均匀，齿板 水平方向上的载荷越接近于均匀分布等。再者，据 概率统计学而言，齿板纵向中轴线附近带比其它地 方更多地参与破碎工作，并且实际给料方式及齿板 磨损情况表明，齿板边缘磨损小于中部，下部磨损大 于上部。 综上分析得出，整个破碎腔中载荷的分布是有 规律可循的帕J 。经过多次仿真分析发现，两侧齿板 受到总载荷的大小不是影响机体同步稳定工作特性 的关键因素，而两侧齿板载荷的差异性是影响机体 同步稳定性的关键因素。因此可选用以下公式施加 总载荷 根据颚式破碎机破碎力计算的经验公式J P ～ q L H 1 式中g 一固定破碎板单位面积上的平均压力， M P a ；￡一破碎腔的长度，m ；肛破碎腔的高度，m 。 因有冲击作用的影响，必须将P 一予以修正；根 据振动破碎机短时间多次冲击破碎物料的工作原 理，P 一也必须予以修正；此外，据相关资料及文献， 由于物料被破碎时是不可能填满破碎腔全高度的， 因此对P 一也予以修正。所以修正后的公式为 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 P 。。 K l 心吃q L H 2 式中K 。一冲击破碎修正系数，经验计算取 0 ．1 一O ．3 ；如～破碎腔高度修正系数，一般为 0 ．8 5 ；K 。一冲击作用影响系数，通常取1 ．5 。 模糊随机理论是以模糊理论为基础，定量描述 事物模糊性和随机性的理论，考虑到破碎腔分布载 荷具有模糊性和随机性，可利用模糊随机理论中隶 属度函数概念描述齿板受到的载荷分布情况№J 。 因此可选用以下方式施加分布载荷 图2 所示，将齿板分为三部分，即上中下三个破 图2 齿板载荷分布情况 F i g ．2 L o a dd i s t r i b u t i o no ft e e t hp l a t e 碎带，每个破碎带横向的载荷分布受到边缘效应的 影响，即两边物料松散载荷小，中间物料密集载荷 大。根据模糊随机理论及现场经验确定，每个破碎 带横向载荷隶属度函数呈近似钟形分布状态【_ 7 | 。 根据冲击破碎理论及文献旧1 中学者进行的瞬态动 力学仿真分析得到，墙板对物料的最大冲击破碎力 和平均破碎力与冲击速度呈近似线性关系，若物料 被破碎，则冲击破碎力与冲击速度呈近似开口向下 的二次曲线关系。根据以上理论及分析，在振动破 碎机两侧齿板的不同破碎带分别施加三个具代表性 的动态集中载荷，满足 1 每个破碎带的集中载荷P i 菇 的分布符合 横向隶属函数地 戈 ，即 P i x p i 菇 ‘∑P “， 1 ≤i ≤n 3 』 1 2 所有集中载荷B 的分布符合冲击破碎原理 匕 K y ， 1 ≤i ，_ 『≤／7 , 4 其中卜比例系数矩阵；卜瞬时速度矩阵。 3 共n 这里7 ／, 9 个集中载荷且总合力等于 总载荷 P 。。。 ∑■ i j 1 5 此外，破碎过程中不可避免会遇到两侧物料性 质不同、不可破物料或扰动力影响，导致两侧齿板载 荷差异，此情况是影响机体同步稳定性的关键因素。 因此仿真中编写函数程序使两侧施加的动态载荷在 一段时间的多个周期内存在差异性，从而可以较真 实地分析出机体的负载工作特性。 2 ．2 同步稳定工作特性的研究 载荷施加的时间轴特性机体空载启动，4s 时 满足以上条件的动态分布载荷出现，并且两侧载荷 大小几乎不存在差异；然而，实际工作中两侧物料强 度、粒度及松散密度等性质不同导致两齿板受力存 在差异，故模拟左右两侧物料性态差异较大时的情 形，即1 0s 至1 4S 阶段内左右工作机构的动态负载 存在较大差异；1 4S 后两侧载荷的较大差异性消失。 两侧载荷大小满足以下关系 rR i J ， 45 ≤t 1 0s R i √ 一{ 9 0 ％F 。 i √ ， 1 0s ≤t 1 4s L R i ，J ， 1 4s ≤t 6 其中F 。 i √ 一左侧载荷矩阵；F 。 i ，J 一右 侧载荷矩阵。 通过分析研究整个过程中机体各性能指标的动 态响应，得到此情形下的负载工作特性。 1 激振器转子的同步稳定性。 图3 和图4 看出，两转子转速逐渐增大，3S 左 右实现稳定转动，4S 时载荷出现，从而导致系统负 载力矩增大，电机驱动转矩也随之增大，当驱动转矩 与负载力矩重新达到动态平衡后转子重新稳定转 动，此时平均转速有所下降，根据三相异步电动机机 械特性曲线也可验证以上结论。1 0s 两侧载荷较大 差异性出现，两转子转速都没有明显响应。 图3 左边转子角速度 F i g ．3A n g u l a rv e l o c i t yo fl e f tr o t o r iI”I一 唧⋯⋯P⋯⋯⋯愀 IIf●T 川W⋯⋯⋯川巳⋯⋯％川⋯哗 万方数据 2 0 1 8 年第1 期梁国栋等振动破碎机负载工作特性的仿真研究 8 1 图4 右边转子角速度 F i g ．4A n g u l a rv e l o c i t yo ff i g h tr o t o r 图5 看出，两转子角速度差经波动后在3S 左 右趋于稳定，随后保持以幅值趋于0 的稳态响应。 1 0S 两侧载荷较大差异性出现，两转子角速度差做 出响应，幅值增大，转子同步性稍有减弱。1 4s 后载 荷较大差异消失，两转子角速度差幅值很快趋于0 ， 即较快地恢复至原来同步性较好的状态。 叶 时问／8 图5 a 两转子角速度差； b 两转子角速度差 局部放大图 F i g ．5 a T h ed i f f e r e n c eo fa n g u l a rv e l o c i t y b e t w e e nt w or o t o r s ； b T h ed i f f e r e n c eo f a n g u l a rv e l o c i t yb e t w e e nt w or o t o r s 1 0 c a le n l a r g e dd r a w i n g 综上分析可得载荷是否施加及差异性是否存 在对单个转子稳定状态时的平均转速有一定的影 响。载荷施加，若差异性较小，两转子的同步性几乎 不受影响；若差异性较大，两转子的同步性会受到一 定程度的影响。 2 机体沿x 、y 、z 轴方向的振动，y 轴方向的 速度和绕z 轴旋转的角速度。 如下图所示，机体经过若干个共振区后快速实 现稳定运转，4S 时载荷出现，机体随之做出响应。 图6 看出，4s 至1 0s 阶段载荷出现，由于两侧载 荷几乎不存在差异，机体x 轴方向的振动响应并不显 著，幅值只是有较小波动，随后趋于0 。1 0S 后两边载 荷差异性显著，机体x 轴方向振动较大，偏离原有平 衡位置，经过3S 左右重新在新的平衡位置附近稳态 振动。1 4S 后载荷的较大差异性消失，机体逐渐又回 到原有平衡位置附近稳态振动，幅值趋于0 。 图6 机体X 轴方向振动 F i g ．6 T h eXa x i a lv i b r a t i o no ff r a m e 图7 看出，4s 时载荷出现，机体y 轴方向做出 响应，即机体脱离原有平衡位置，很快找到新平衡位 置且在其附近稳态振动，历时0 ．8S 左右。1 0S 后载 荷差异性显著，机体y 轴响应不敏感，随后几乎一直 保持原有振动状态。 图7 机体y 轴方向振动 F i g ．7 T h eYa x i a lv i b r a t i o no ff r a m e 图8 看出，机体z 轴方向振动受载荷施加的影 响较小，振幅有微小波动。载荷差异性对z 轴方向振 动并没有什么影响。机体z 轴方向振动经5S 左右 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 趋于稳定，保持幅值趋于0 的稳态振动。 图8 机体Z 轴方向振动 F i g ．8 T h eZa x i a lv i b r a t i o no ff r a m e 图9 看出，机体Y 轴速度在载荷施加后做出较 小响应，但很快稳定下来，幅值略有减弱。载荷的较 大差异性对其没有太大影响。 图9 机体y 轴速度 F i g ．9 T h eYa x i a lv e l o c i t yo ff r a m e 图1 0 看出，机体绕z 轴转动角速度几乎不受载 荷出现的影响，但两侧存在较大差异的载荷出现后 做出了较明显响应，即在1 0S 至1 4S 阶段机体z 轴 角速度波动增大，幅值增大。1 4S 后载荷的较大差 异性消失，其逐渐稳定，幅值趋于0 ，回至原有状态。 图1 0 机体z 轴角速度 F i g ．1 0 T h eZa x i a la n g u l a rv e l o c i t yo ff r a m e 3 工作机构的同步稳定性。 图1 1 所示，机体启动后，4S 时载荷出现，双工 作机构的摆动相位差几乎不受影响，幅值仍趋于0 附近波动，即同步性几乎不受影响，同步性能较好。 1 0S 至1 4S 阶段随着两侧较大差异的载荷出现，工 作机构的摆动相位差做出明显响应，即相位差的幅 值增大，波动显著，此时工作机构的同步性受到较大 影响，导致同步性能减弱，同时会伴随破料性能下 降、出料粒度增大以及产量下降等现象的出现。1 4 S 后载荷的较大差异性消失，工作机构快速恢复至 原来同步性较好的状态。 a ⋯Jl ‘1 l’ 21 31 41 5l 时I u J ／s 图n a 双工作机构摆动相位差； b 双工作机构摆动相位差 局部放大图 F i g ．1 1 a S w i n gp h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e n t w oj a w s ； b S w i n gp h a s ed i f f e r e n c e b e t w e e nt w oj a w s 1 0 c a le n l a r g e dd r a w i n g 综上分析得出，振动破碎机从启动至稳定后，动 态载荷的出现，使机体系统各自由度振动形态都会 相应地做出不同程度的响应。在没有扰动力的影 响下 1 若两侧物料的性质较均匀，即两侧齿板载荷 差异性不明显，则不论载荷大小，机体各向仍可快速 达到新的稳态振动状态，例如机体水平振动几乎不 受影响，竖直振动快速到达新的稳定状态，并且激振 器转子和工作机构的同步性几乎不受影响，故机体 同步稳定工作的性能较好。 2 若两侧物料性质差异较大，即两侧齿板载荷 一 L．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L ∽㈣ ㈣ Ⅲ 眦 一 一 焉J／荆趟H卓 万方数据 2 0 1 8 年第1 期梁国栋等振动破碎机负载工作特性的仿真研究 8 3 差异性显著，则机体x 向水平振动响应较大，且在较 大波动后逐渐达到新的稳定状态，而竖直振动、z 向 水平振动几乎不受影响；激振器转子和工作机构的 同步性受两侧载荷差异的影响较大，表现为两转子 转速差和工作机构摆动相位差的幅值增大，波动 增大。 3 随着两侧载荷的较大差异性消失，机体快速 恢复至起初同步性较好的稳定运行状态。 工作机构的同步稳定性是设备破碎性能的关键 性影响因素，换句话说，振动破碎机能否进行正常破 碎工作主要取决于工作机构能否同步稳定运行。在 实际工况中，物料性质存在差异，若连续性差异不明 显，则机体的稳定性和工作机构的同步性能都较好， 机体的破碎性能较好；若连续性差异较大，则机体的 稳定性受到一定影响，但工作机构的同步性能会差 很多，导致机体的破碎性能较差。事实上，影响机体 振动状态的自身因素对机体能否同步稳定运转也起 着至关重要的作用 例如左右两侧振动参数的差异 等因素 。然而，实际中对已经确定了振动参数的 现有设备，物料性质的差异性是影响设备破碎效果 的决定性因素，因此对于现有设备，在人料的选择中 要有所考虑。 3结论 1 阐述了振动破碎机结构特征和工作原理，分 析了设备负载工作特性研究的重要性和可行性，根 据现场设备应用情况分析了破碎腔中物料及载荷的 分布状况，发现破碎腔中载荷分布是有一定规律可 循的。 2 依据分析结果，根据修正后的颚式破碎机破 碎力计算的传统公式、模糊随机理论和冲击破碎原 理，运用虚拟样机技术在工作机构齿板上合理施加 动态分布载荷。仿真结果表明，机体的同步稳定工 作性能受到两侧载荷差异性影响较大，主要表现在 水平方向振动和工作机构同步性能上，即两侧载荷 差异性越大，机体的同步稳定工作性能越差。 3 基于虚拟样机技术，本研究将随机性、复杂 性的物料简化为若干个集中力构成的分布载荷，很 难完全模拟实际破碎情形，与实际存在一定差距，但 对振动破碎机工作特性的全面研究具有重要参考价 值，因此还需结合大量试验对其工作特性的全面掌 握进行更深入地研究。 参考文献 [ 1 ] 刘方明，唐威，陈帮，等．惯性圆锥破碎机在难处理 矿石及冶金炉渣中的应用研究[ A ] ；复杂难处理矿石选 矿技术全国选矿学术会议论文集[ C ] ；2 0 0 9 5 ． [ 2 ] 王旭，夏晓鸥，罗秀建，等．高效振动颚式破碎机的性 能及其推广应用前景[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 1 1 7 2 - 7 4 ． [ 3 ] 梁国栋，夏晓鸥，陈帮，等．基于A D A M S 振动破碎机 工作特性的研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 7 5 5 5 5 8 ． [ 4 ] 张义民．机械振动[ M ] 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