ADAMS在颚式破碎机优化仿真设计中的应用

本文作者利用ADAMS运动学与动力学仿真设计软件对PF1600X2100复摆颚式破碎机进行快速开发，对破碎机构的设计参数进行仿真优化设计，得到了一组满足用户设计要求的最优化机构设计参数。此应用案例对于复摆颚式破碎机及其他工业产品的设计有实际的指导意义。

    摘要：此外，本文把ADAMS引入到颚式破碎机的优化设计中，根据不同型号的破碎机，针对不同的设计变量、目标函数与约束条件，在ADAMS中定义各机构杆件不同的端点坐标即可对不同型号的颚式破碎机进行优化仿真设计，从而克服以往对颚式破碎机优化设计中需要根据不同破碎机型号，不同设计变量、目标函数及约束条件需要编写不同仿真设计程序的缺点，大大缩短了产品开发周期，加快了产品的市场反映能力，优化了产品性能，提高了产品的市场竞争力。

    颚式破碎机是矿山生产、建设用料加工及聚合化工生产的主要设备之一，被广泛地应用于各种金属与非金属矿山、化工矿物以及水泥、建材等物料的生产加工中。近年来，随着矿山生产和建材加工中一些新理论的提出，用户希望散体矿石能够在破碎阶段尽可能地得到粒度更细、块度更好的产品。此外，随着全球矿产贫化现象的出现，在保持或增加各种金属与非金属矿产量的前提下，要求处理的原矿量就大大增加，这对破碎设备提出更高的要求，也面临更大的挑战。无疑，现行落后的颚式破碎机不能承担新时期的生产任务，必须开发高性能、低能耗的新型颚式破碎机。

    国外从上世纪中后期开始利用计算机仿真技术对颚式破碎机机构、腔型、产量和磨损等进行优化，研制开发出无塞点、高度低、重量轻、产品粒型好、产量高的高性能、低能耗的新型颚式破碎机，从而大大提高了破碎机的性能，缩短了产品开发周期，提高了产品的市场竞争力。然而国内对颚式破碎机的仿真优化设计的研究主要限于对特定型号的颚式破碎机编写相应程序进行优化设计，这些程序大多重用性差，只能解决特定型号中的特定问题。然而破碎机的优化内容是根据不同客户要求需要经常变化的，因而仿真优化设计工作经常要重复大量而繁锁的编写程序工作，费时费力，而且还延长了产品开发周期。本文尝试利用先进的运动学与动力学仿真设计工具对新型颚式破碎机进行快速开发，对机构设计参数进行仿真优化设计，从而大大减小了仿真设计的工作量，缩短了产品开发周期，提高了仿真模型重用率。本文利用先进的运动学与动力学仿真优化设计软件ADAMS对新型复摆颚式破碎机机构设计进行仿真优化，其主要任务是优化破碎机给、排料口水平及垂直行程和行程特性系数，从而提高破碎机处理量，减小破碎机重量，增强破碎机结构强度，减小破碎机衬板磨损，从而大大提高破碎机工作性能。

一、优化仿真模型的建立

    1.颚式破碎机工作原理及其结构尺寸对破碎机性能的影响

    颚式破碎机是典型的曲柄摇杆机构，其机构图如图1所示。

图1 颚式破碎机机构简图

    图1中四杆机构中AB曲柄为破碎机偏心轴，BD连杆为破碎机动颚，CD摇杆为破碎机肘板，EF为破碎机定颚。增大曲柄AB的长度，将增大破碎动颚上各点的水平行程值，从而提高破碎机生产能力，但另一方面也会增加破碎机功耗，恶化破碎腔受力状况。减小A点相对于E点的高度（减小悬挂高度h），可增大动颚上各点的水平行程，减小破碎机高度，减轻破碎机重量，减小动颚上各点行程特性系数，从而大大提高破碎机工作性能。减小连杆长度则有利于增大动颚下端水平行程，减小行程特性系数，对提高生产能力和延长颚板使用寿命都是极为有利的。但过短的连杆给机架结构设计带来困难并使动颚受力恶化。连杆倾角对应于破碎腔啮角，减小破碎腔啮角有利于提高破碎机产量，改善破碎作用力并有利于采用新的破碎原理（如层压破碎原理）。但啮角过小，将使破碎机高度增大，机重增加，机架长度加长。传动角的大小对破碎机性能影响很大，增大传动角有利于改善破碎机受力，提高散体物料破碎力，但同时也会减小动颚下端水平行程，增加垂直行程，从而加大动颚衬板磨损，减小衬板寿命。

    2.设计任务的提出与机构优化设计模型的建立

    (1)设计任务的提出

    随着全球矿产贫化，经济发展对各种金属及非金属矿产需求量的增加，各大矿山及建设用料加工单位对颚式破碎机提出更高要求，因此，市场对产量大，低能耗，高性能的颚式破碎机需求量大大增加。此外，用户对产品需求的多样化、个性化对现代产品设计提高更高的要求。本文所讨论的新产品PF1600X2100复摆颚式破碎机是某用户对厂家提出的新要求。PF1600X2100大型复摆颚式破碎机的单重达到150吨，机高超过4米，设计生产此种大型颚式破碎机在国内尚属首次，对设计与制造带来机遇和挑战。为对PF1600X2100破碎机的设计生产达到一次成功，最大程度地减小产品潜在的影响因素，采用计算机仿真技术对PF1600X2100进行仿真优化设计。

    (2)机构优化模型的建立

    机构优化设计包括设计变量的确定，目标函数的建立以及设计约束的确定，此三部分组成了机构优化设计的数学模型。所以在颚式破碎机的优化设计中，应以颚式破碎机偏心轴偏心距和动颚上、下端行程特性值为目标函数，以破碎机的功耗、产量、机重、衬板磨损以及破碎腔性能为优化目标函数，另外还要以以上七种优化目标的某几种的通过加权因子组合函数为优化目标函数。其中通过加权因子组合变量优化时，由于加权因子的确定比较困难，故常常以前面七种情况为目标函数进行优化设计。

    本文中所讨论PF1600X2100复摆颚式破碎机的设计要求为：破碎机偏心轴偏心距为30mm，连杆长度为3000mm左右，破碎腔设计为3640mm，破碎腔啮角22度，传动角为45~55度，动颚上端厚度为850mm，动颚下端为1490mm，肘板长度为800~1000mm，行程特性系数为1.1~3.0，破碎机悬挂高度为100~160mm。本文中主要对新型颚式破碎机的机构设计性能参数进行优化，选取动颚上、下端行程特性系数值最小为目标函数，其设计变量、目标函数及约束条件如下所示：

设计变量

    取连杆长度，破碎机悬挂高度，肘板长度及传动角为设计变量：

目标函数

    目标函数是设计变量的函数，以表示，优化过程可以按目标函数极大或者极小来处理，在本文中即是动颚上、下端行程特性系数m为极小，可表示为：

约束条件

    根据设计要求以及优化目标函数，约束条件为：

    在已有的优化设计中，在建立设计变量、目标函数及约束条件后，主要工作就是编写针对本次优化的仿真设计程序来优化颚式破碎机的机构设计参数。其主要弊端是针对不同的设计变量、目标函数及约束方程，必须编写不同的仿真优化设计程序，这不仅要做大量类似的重复工作，而且还延长了产品的开发周期和上市时间，降低了产品的市场反映能力。本文基于现有成熟的ADAMS虚拟产品开发软件，对PF1600X2100复摆颚式破碎机进行仿真优化设计，这不仅大大减小优化设计工作量，而且极大提高仿真分析可靠性，加快产品上市时间，提高产品竞争力。

二、ADAMS对破碎机的仿真优化设计

    1.虚拟机构模型的建立

    ADAMS提供非常方便的三维建模技术、结构分析技术、模型分析技术、控制系统设计与分析技术、优化仿真分析技术、利用实验数据进行建模的技术等等。本文主要利用ADAMS/VIEW模块对PF1600X2100新型颚式破碎机进行优化仿真设计。在优化分析之前，先建立虚拟机构模型，如图2所示。

图2 虚拟机构模型

    如图2中所示，采用ADAMS中的连杆模型建立破碎机的曲柄摇杆机构，其中右上部橙色杆件为破碎机偏心轴、绿色板块是破碎机动颚部件，青色杆件为破碎机肘板，红色板块为破碎机定颚齿板。此外，建立工作杆件之间的约束与驱动关系，右上部半圆箭头是对破碎机偏心轴施加的驱动力矩，各杆之间通过转动副相连接，其中定颚、肘座基部及曲柄中心与大地固接。

    2.设计变量、目标函数及约束条件的确定

    设计变量在ADAMS中的表达主要是通过给定各端点坐标值变化约束范围来实现，计算目标函数值并使之为极小，从而达到最优化的目的。目标函数的实现主要是通过ADAMS的测量功能来实现，通过测量定义机构中动颚上、下端点水平行程与垂直行程的变化及行程特性系数，在仿真优化设计过程中监控上、下端行程特性系数，而优化变量则在整个约束允许的范围内按规律离散取值，当目标函数达到极小或者极大时，仿真优化设计结束。约束条件是通过ADAMS所提供的设计变量变化范围和传感器功能来确定的，当取值超出允许范围时，此次仿真迭代取消，进入下一仿真迭代计算。

    3.仿真优化设计

    在ADAMS中确定设计变量、目标函数及约束条件后，即可开始进行仿真优化设计。仿真优化按目标函数的不同分两种情况进行，即以下端行程特性系数为目标函数和以上端行程特性系数为目标函数。在仿真分析过程中，主要对动颚上、下端行程特性系数，上、下端水平行程，悬挂高度，连杆长度，肘板长度，破碎腔啮角和传动角等等进行跟踪记录。以下端行程特性系数为目标函数的部分优化结果记录如图3及表1所示。

图3 仿真分析结果

表1 以排料口行程特性系数[代码7]为优化目标函数

    将颚式破碎机动颚水平行程设计得大些有利于提高破碎机产量，强化对散体物料的破碎作用。而将将颚式破碎机动颚水平行程设计得小些则有利用减小定、动颚衬板磨损，改善破碎机受力，延长衬板使用寿命。破碎腔啮角的大小直接关系到物料的受力状态，机架结构设计和破碎机产量，小的啮角有利于提高破碎机产量，利用先进破碎原理进行物料破碎，但破碎机高度将增加。衡量各方面因素，结合破碎机设计经验，表1中第一组和第二组数据比较合理，可作为破碎机设计参考数据。
以上端行程特性系数为目标函数的优化结果如表2所示。

表2 排料口行程特性系数为优化目标函数

   同表1中分析相似，综合考虑破碎机产量、受力、结构设计、机高、重量和衬板磨损情况等因素，从表2中取出第一组及第二组数据作为设计参考数据。

    4.仿真优化结果对比分析

    根据以上分析，取出表1、表2的第一、第二组数据作为机构设计参考依据并列于表3。

表3 目标函数不同时结果对比分析

    从表3中数据可知，在分别以排料口行程特性系数和给料口行程特性系数为目标函数的优化仿真分析，可得到1、3两组完全相同的优化结果，依据破碎机设计原则（破碎机产量、受力状况、行程特性系数、衬板磨损原则、机器重量等因素）可知，这两组完全相同的数据优于其它两组数据。从表中可知，1、3两组数据有较小的连杆长度，较大的动颚上、下端水平行程、相应较小的破碎腔下端行程特性系数，这些因素有利于提高破碎机产量，改善破碎机受力，减小衬板磨损及减轻机器重量，从而大大提高了破碎机工作性能，故应采用表3中第1或者第3组数据对PF1600X2100复摆颚式破碎机进行机构设计。实践表明，采用ADAMS对PF1600X2100颚式破碎机的设计参数进行仿真优化设计是可行而可靠的。该仿真优化分析结果用于某破碎机生产厂家，该新型颚式破碎机一次试制成功并成功运用于某厂矿企业，得到用户好评。

三、结语

    大多数设计人员对颚式破碎机的仿真优化设计采用针对不同型号的破碎机，不同的设计变量、目标函数及约束条件需要编写不同的仿真设计程序，大量重复许多繁锁的相似工作，这不仅增加了产品开发工作量，而且延长产品设计周期，影响产品市场竞争力。本文利用ADAMS运动学与动力学仿真优化设计软件对PF1600X2100颚式破碎机进行仿真优化设计，极大地缩短了产品开发周期，提高了产品工作性能，为产品一次试制成功奠定基础。

    利用ADAMS软件对颚式破碎机进行仿真优化设计，针对不同型号的颚式破碎机，不同的设计变量、目标函数及约束条件，研发人员不需要自己编写程序，不需要重复大量繁锁的程序编写工作，研发人员只需更改各杆件端点的坐标范围值就可对不同型号、不同规格、不同设计变量，目标函数及约束条件的各种型号的颚式破碎机进行各种仿真优化设计，从而极大地缩短了产品开发周期，加快产品上市时间，提高产品工作性能，提高市场竞争力。