1、虛擬樣機(jī)的建模和仿真
1.1三維實體建模
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)、動臂、斗桿、連桿、搖桿、液壓錘、動臂油缸、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，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
COSMOSMotion 08是與Solidworks 08軟件無縫集成的全功能運動仿真軟件，可以對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運動學(xué)和動力學(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消除，并添加了馬達(dá)模塊來模擬直線和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，可分別按位移、速度或加速度，通過等速、距離、振蕩、插值和表達(dá)式來定義各種運動，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，并以動畫、圖形、表格等多種形式輸出結(jié)果，以滿足用戶對運動仿真分析的諸多需求。
COSMOSWorks是一套強大的有限元分析軟件，能對用Solidworks設(shè)計的實體模型進(jìn)行靜態(tài)、熱力、振動頻率、疲勞、流體、扭曲等多項工程分析，也可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和非線性分析，是目前廣為流行的CAE軟件。本文通過應(yīng)用COSMO-SMotion對工作裝置的運動分析后得出一系列數(shù)據(jù)，包括各時刻各部件的運動特性和受力情況，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)的實際情況設(shè)定仿真時間為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)，通過馬達(dá)模塊控制各油缸的伸縮位移，從而驅(qū)動液壓錘錘尖實現(xiàn)期望的運動。為了獲得工作范圍的包絡(luò)圖、各構(gòu)件的運動學(xué)和動力學(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，通過下列函數(shù)表達(dá)式實現(xiàn)整個工作過程的仿真。
動臂油缸位移表達(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)。
通過動力學(xué)仿真結(jié)果，可以適時地分析各工況的受力情況，確定各部件出現(xiàn)危險工況的位置。
2、仿真分析
2.1運動學(xué)仿真分析
錘尖運動的速度、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)行運動控制時，將給定的錘尖位姿和速度信息變換為各油缸伸長的控制指令，從而驅(qū)動液壓錘錘尖實現(xiàn)期望的運動。當(dāng)工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及油缸鉸點已定時，工作范圍主要取決于各油缸的選型尺寸。運行仿真后錘尖的運動軌跡如圖2，即整個工作裝置的運動極限包絡(luò)圖，然后在結(jié)果中可以得出各點的速度、位移、加速度等運動學(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)計過程中可以根據(jù)客戶現(xiàn)場需要合理選擇油缸的長度。
2.2動力學(xué)仿真分析
對于工作裝置中各部件的受力（例如液壓缸推力的計算），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)計過程相當(dāng)煩瑣，設(shè)計結(jié)果也不盡如意。在COSMOSMotion中將各部件重力載荷用引力模塊計入，液壓錘的載荷通過力模塊中諧波函數(shù)加入，運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作過程中每一時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，以及極限工況下相關(guān)構(gòu)件的強度校核和改進(jìn)設(shè)計提供了參考依據(jù)。除液壓缸的受力外，還可以根據(jù)動力學(xué)仿真結(jié)果，得到各關(guān)鍵點的受力特性，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)工作中存在振動不穩(wěn)定的情況，在設(shè)計時必須對各部件進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析的主要任務(wù)是研究無阻尼系統(tǒng)的自由振動，特別是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率，以便有效地通過改變構(gòu)件質(zhì)量或形狀避開這些頻率或最大限度地減小對這些頻率的激勵，從而消除過度疲勞或損壞。
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。
分析動臂在27, 035Hz和32.155Hz內(nèi)會產(chǎn)生共振，在152. 36Hz會產(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源，其頻率在5～8Hz，根據(jù)以上分析，動臂前5階模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)和液壓錘的工作頻率沒有產(chǎn)生重合，故動臂在工作過程中的振動是安全的。
2.4有限元分析
由于在動力學(xué)仿真結(jié)果中，可以方便地得到關(guān)鍵點的受力情況，工作裝置中的各部件就可以在COSMOSWorks中進(jìn)行有限元分析，同樣以動臂為例，給出在最大工作半徑工況時的有限元分析結(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)可以通過探測得知。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、運動仿真和有限元技術(shù)的分析，整個過程是相關(guān)聯(lián)的，分析過程中所做的修改都會自動映射到仿真模型和工程圖中，大大節(jié)省了分析時間，并在理論分析和實際相結(jié)合的基礎(chǔ)上對仿真的結(jié)果做出正確評估，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)對設(shè)計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)。
