顎式破碎機發(fā)展至今已有100余年的歷史，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，破碎機已廣泛運用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利等部門，充當著極為重要的角色。
目前國內(nèi)外有許多公司生產(chǎn)多種系列不同型號的顎式破碎機。破碎機機架是整個破碎機零部件的安裝基礎(chǔ)。它在工作中承受很大的沖擊載荷，它的機重占整機很大比例（對鑄造機架為50%左右，對焊接機架為30%左右），而且加工制造工作量非常大，成本高，易破壞，而且機架的強度和剛度，對整機性能和主要零件壽命均有很大影響。如果使用不當或超負荷運轉(zhuǎn)，很容易造成機架撕裂，大大縮短使用壽命。
國外從20世紀中后期便開始利用計算機仿真優(yōu)化技術(shù)對顎式破碎機進行仿真優(yōu)化分析，研制生產(chǎn)的破碎機整體性能較高。而我國顎式破碎機機架的設(shè)計基本上采用傳統(tǒng)方法，即在破碎腔尺寸已定的情況下，通過類比法，按經(jīng)驗確定其前、后、側(cè)壁的截面形狀和結(jié)構(gòu)尺寸。采用這種傳統(tǒng)的方法，具有一定的盲目性，很難準確地設(shè)計出既經(jīng)濟又滿足強度要求的機架。
近年來由于計算機的發(fā)展和計算仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，雖然已有不少破碎機生產(chǎn)企業(yè)采用仿真技術(shù)進行新產(chǎn)品的開發(fā)和研制。但總體性能仍然很難達到西方國家知名公司的產(chǎn)品。因此，我國許多有經(jīng)濟實力的礦山、冶煉、建材等企業(yè)，優(yōu)先選購?fù)鈬�式破碎機。但由于引進設(shè)備時選型不夠準確，加上使用過程中維護不到位等，造成進口設(shè)備過早損壞，給企業(yè)造成很大經(jīng)濟損失。
本研究針對某鉬礦公司進口瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的CJ411顎式破碎機在使用過程中機架開裂破壞問題，利用有限元計算分析軟件ANSYS對機架進行數(shù)值模擬分析，找出破壞主要原因并進行修復(fù)改進。修復(fù)改進前后機架數(shù)值模擬分析對比表明提出的改進措施有效，修復(fù)效果良好。本研究不僅在設(shè)備再利用方面為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本，也可為企業(yè)在引進設(shè)備的合理選型提供指導(dǎo)，更為我國顎式破碎機生產(chǎn)廠家在破碎機機架設(shè)計和改進方面提供參考。
1、機架破壞原因分析
1.1 CJ411顎式破碎機幾何構(gòu)造
Sandvik顎式破碎機是一種易于調(diào)整破碎粒度尺寸、具有較深且對稱的破碎腔的復(fù)擺式破碎機。機架由兩塊軋鋼側(cè)板、機架兩端中空鑄鐵鑄件和動顎組成。CJ411顎式破碎機整體幾何構(gòu)造如圖1、圖2和圖3所示。
1.2CJ411顎式破碎機機架數(shù)值模擬
為詳細分析CJ411顎式破碎機破壞原因，利用ANSYS軟件對其機架進行數(shù)值模擬分析。由于缺少其原始設(shè)計詳細幾何參數(shù)，通過測繪的機架原型得到機架主要尺寸。考慮到機架的對稱性，建模時建立一半模型。同時根據(jù)破碎時受力特點，且主要對象為機架，建模時省略慣性輪，并忽略軸承、破碎腔前后壁、動顎、定顎等部件的幾何細節(jié)（如倒角、螺栓等）。有限元計算幾何模型如圖4所示。
該鉬業(yè)公司將CJ411顎式破碎機主要用于破碎鉬礦石，因此通過對現(xiàn)場隨機抽取的鉬礦石制作試樣并進行壓縮破壞試驗，測得抗壓強度為40 MPa，作為施加載荷的主要依據(jù)。采用SOLID92單元進行自由網(wǎng)格劃分，同時根據(jù)實際工作狀態(tài)設(shè)定邊界條件，建立有限元計算模型，進行靜態(tài)數(shù)值模擬，計算主要結(jié)果如圖5、圖6所示。
1.3 CJ411顎式破碎機機架破壞原因分析
圖7為Sandvik公司給出的側(cè)板和橫梁有限元分析預(yù)測應(yīng)力圖。從圖5和圖7對比可知，建立模型所得應(yīng)力圖與Sandvik公司給出的應(yīng)力圖吻合良好，說明本文建立計算模型正確，數(shù)據(jù)可靠。
結(jié)合圖5、圖6、圖7及實際破壞裂紋位置圖8，同時考慮該破碎機的實際工作狀況，分析得出導(dǎo)致機架破壞主要因素如下：
(1)工作時機架橫梁與側(cè)板焊接連接限制了橫梁的小角度轉(zhuǎn)動（圖6），于是在機架橫梁和側(cè)板局部出現(xiàn)相對較高應(yīng)力區(qū)域，同時在機架前端固定支座部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖5）。這是導(dǎo)致機架破壞的內(nèi)在因素。
(2)機架橫梁和前壁是鑄造構(gòu)件，在鑄件內(nèi)部不可避免的會有氣泡、雜質(zhì)等缺陷存在，這就為微裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，一旦應(yīng)力達到一定值缺陷就會演變?yōu)榱鸭y源，進而形成裂紋。
(3)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該機破壞前都是因為礦石中混雜有超硬物質(zhì)（如鐵塊）而造成機器卡死，同時導(dǎo)致裂紋迅速擴展。這說明過載保護裝置——連接板沒有起到保護作用，因此在出現(xiàn)意外過載時受到嚴重破壞的只能是機架。
(4)資料表明，該機型適于破碎強度低于35MPa的礦石，而實際運行時破碎的鉬礦石破壞強度實測值為40 MPa，且破碎粒度接近該機型設(shè)計上限。此外該公司為追求產(chǎn)量，實行設(shè)備不間斷全天候運行，沒有采用定期無故障主動停機檢修的維護措施。長期超負荷運轉(zhuǎn)也是機架破壞的很重要因素之一。
綜合以上因素可知，機架破壞的主要原因是意外載荷促使破碎機處在高應(yīng)力條件下鑄造構(gòu)件缺陷演化萌生裂紋，長期超負荷運轉(zhuǎn)的高交變應(yīng)力環(huán)境方便了裂紋快速增長，最終導(dǎo)致機架疲勞失效。
2、機架修復(fù)改進與有限元分析
2.1機架修復(fù)改進
由于進口設(shè)備價格昂貴，有必要對其進行修復(fù)，但起初采用在出現(xiàn)裂紋的區(qū)域進行焊接并加厚的措施，未能起到較好修復(fù)效果。修復(fù)后在不改變工況時僅運轉(zhuǎn)一周便在焊縫附近產(chǎn)生新的快速擴展裂紋。
因此必須采用新的措施進行修復(fù)改進。根據(jù)分析，只有避免高應(yīng)力區(qū)域和存在潛在缺陷的區(qū)域重合，才能消除引起機架疲勞破壞的裂紋產(chǎn)生，從而延長破碎機使用壽命。修復(fù)改進措施：將高應(yīng)力區(qū)域的鑄造構(gòu)件用碳鋼焊接件代替，既提高強度又減少潛在缺陷；橫梁和機架的連接由鑄件焊接改為螺栓連接，減輕工作中機架和橫梁間的相互制約作用，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部附加應(yīng)力。
具體步驟是先將橫梁從機架上割下來，然后用鋼板將所挖機架部分用鋼板補上，再將所焊接橫梁與機架用螺栓連接起來，為了克服螺栓孔的應(yīng)力集中，在打孔處增厚鋼板，保證機架不會由于螺栓孔應(yīng)力集中造成機架破壞。機架切除橫梁后的構(gòu)架如圖9所示，圖10為碳鋼焊接橫梁雛形。
2.2機架修復(fù)改進前后模擬對比分析
為預(yù)測修復(fù)改進效果，利用ANSYS有限元分析軟件對改進后的機架進行有限元分析，可以得到機架側(cè)板的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖11，圖12所示。
對比改進前后的應(yīng)力、位移云圖，可以清晰地看到在原機架出現(xiàn)裂紋的區(qū)域應(yīng)力明顯降低，但其它區(qū)域某些部位應(yīng)力有所增加（譬如橫梁），說明應(yīng)力分布發(fā)生了改變，薄弱部位的應(yīng)力降低，而強度較高部位應(yīng)力上升，這也是我們希望的結(jié)果，既可充分利用材料，又能大大降低機架破壞的機率。
3、結(jié)論
通過對瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的CJ411顎式破碎機進行有限元數(shù)值模擬分析，揭示了機架破壞的主要原因是意外載荷促使破碎機處在高應(yīng)力條件下鑄造構(gòu)件缺陷演化萌生裂紋，長期超負荷運轉(zhuǎn)的高交變應(yīng)力環(huán)境方便了裂紋快速增長，最終導(dǎo)致機架疲勞失效。并以此為依據(jù)對機架進行了修復(fù)改進，在原工況下運行數(shù)月，未出現(xiàn)新的裂紋。可見，修復(fù)改進方法是切實有效的。
結(jié)合本研究結(jié)果，對合理有效使用破碎機提出如下幾條建議：①應(yīng)根據(jù)實際工況準確選型；②正常運行期間要確保自我保護裝置切實有效；③加強設(shè)備維護，避免超負荷運轉(zhuǎn)。只有這樣才能使設(shè)備達到設(shè)計使用壽命，為公司創(chuàng)造更多效益。同時本研究結(jié)果也可為我國破碎機生產(chǎn)廠家和科研單位在機架設(shè)計和改進方面提供參考。
三門峽富通新能源銷售顆粒機、顎式破碎機、破碎機、圓錐式破碎機等機械設(shè)備。
