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    破碎機(jī)在筑路、冶金、礦山、建材、交通等工程技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如在公路、建筑中所使用的各種規(guī)格的石料都是由大石塊經(jīng)破碎機(jī)破碎而成的。反擊式破碎機(jī)（沖擊式破碎機(jī)）是一種新型高效的破碎設(shè)備，它將打擊、反擊、離心沖擊、剪切、研磨等破碎原理有機(jī)地結(jié)合在一起，使其能量和破碎空腔得到充分、有效利用。目前在二次破碎機(jī)的選擇上，反擊式破碎機(jī)已超過(guò)圓錐破碎機(jī)，同時(shí)新型的反擊式破碎機(jī)已不同于傳統(tǒng)的反擊式破碎機(jī)，只能破碎中軟物料，它能破碎抗壓強(qiáng)度300 MPa以上的硬物料，具有破碎比大、產(chǎn)品顆粒性好等特點(diǎn)，這使反擊式破碎機(jī)在眾多的破碎機(jī)械中占有重要地位。
    針對(duì)反擊式破碎機(jī)破碎腔中一些關(guān)鍵部件在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，例如：轉(zhuǎn)子、板錘部件上出現(xiàn)裂紋、甚至發(fā)生斷裂，破碎機(jī)破碎效率低等問(wèn)題，本文基于建立的反擊式破碎機(jī)關(guān)鍵部件的三維實(shí)體模型以及轉(zhuǎn)子一板錘一反擊板一石塊沖擊碰撞系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)有限元分析模型，分析了沖擊破碎物料時(shí)破碎腔中各部件之間的受力狀況，同時(shí)分析了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及各級(jí)反擊板形狀對(duì)物料破碎效果的影響，這些理論研究為改善破碎機(jī)的性能提供了理論分析基礎(chǔ)。
1、數(shù)值仿真模型的建立
   反擊式破碎機(jī)破碎系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型由轉(zhuǎn)子體、板錘、反擊板和石塊組成，破碎石塊的過(guò)程可以看作是板錘與石塊發(fā)生碰撞、石塊與反擊板發(fā)生碰撞這兩個(gè)過(guò)程不斷交替、不斷反復(fù)的過(guò)程。采用I-DEAS軟件建立的三維模型如圖l所示。
    為了對(duì)破碎過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算與分析，先對(duì)幾何實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，其處理的原則為在不影響結(jié)構(gòu)整體性能的前提下對(duì)幾何實(shí)體上的倒角、螺栓孔等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣有利于網(wǎng)格的劃分；然后對(duì)幾何實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于轉(zhuǎn)子體、板錘、反擊板形狀比較復(fù)雜，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性，先對(duì)各幾何實(shí)體進(jìn)行分區(qū)處理，把復(fù)雜的幾何實(shí)體劃分成許多易于進(jìn)行六面單元?jiǎng)澐值男�區(qū)域，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。轉(zhuǎn)子體、板錘、反擊板和石塊模型都采用規(guī)則的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖2為破碎系統(tǒng)的有限元模型。
    計(jì)算模型中，轉(zhuǎn)子體采用16Mn合金鋼，板錘采用40Cr合金鋼，反擊板采用16Mn強(qiáng)化合金鋼，材料屬性都采用Plastic Kinematic材料模型；石塊選用花崗巖材料參數(shù)，其屬性采用彈脆性材料模型；單元屬性設(shè)為常應(yīng)變。
    轉(zhuǎn)子體與板錘、板錘與石塊、石塊與反擊板、轉(zhuǎn)子體與石塊之間的界面均采用接觸算法。設(shè)定接觸對(duì)之間沖擊力文件輸出參數(shù)為l。在定義界面接觸的各項(xiàng)參數(shù)中，定義轉(zhuǎn)子體與板錘間的靜動(dòng)摩擦系數(shù)均為0.15，其余兩接觸對(duì)間的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.6。
    模型設(shè)置約束時(shí)石塊在整個(gè)破碎過(guò)程中都是自由的，對(duì)石塊不施加任何位置約束；對(duì)轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)動(dòng)中心施加X(jué)、y、23個(gè)方向的平移約束和X、y兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束；對(duì)反擊板的裝配部分也施加x、y、Z3個(gè)方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)約束；板錘安裝在轉(zhuǎn)子上被兩擋塊緊卡在轉(zhuǎn)子體上，同時(shí)加上其自身結(jié)構(gòu)的作用，板錘只能隨轉(zhuǎn)子體一起繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)板錘施加軸向即Z向的平移約束。
2、影響破碎效果因素分析
2.1  轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度
    研究轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度能夠指導(dǎo)反擊式破碎機(jī)在破碎不同粒徑、材質(zhì)的物料時(shí)選取合適的旋轉(zhuǎn)速度，從而防止物料被過(guò)度破碎，同時(shí)也有利于減少能耗。在其它條件不變的情況下，對(duì)轉(zhuǎn)子分別以1 000 r/nun、700 r/nun和400 r/min等3種不同轉(zhuǎn)速作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分析旋轉(zhuǎn)速度對(duì)破碎力的影響。
    由圖3可以看出，物料與板錘首次碰撞在時(shí)間區(qū)域30~ 40 ms之間，物料從反擊板反彈后再次與板錘碰撞在40一48 ms之間，由于反彈作用使得板錘與物料發(fā)生接觸碰撞要抵消一部分物料反彈時(shí)的能量，因此物料與板錘第二次碰撞時(shí)的沖擊力比首次碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力要��；在時(shí)間段48。60 ms之間，物料在板錘與反擊板的聯(lián)合作用下發(fā)生剪切破碎，圖4中相應(yīng)時(shí)間段可以看到物料與反擊板的動(dòng)態(tài)接觸力。從上述兩圖中可以看出發(fā)生沖擊破碎時(shí)作用力曲線相對(duì)作用時(shí)間間隔短，而剪切破碎時(shí)作用力作用時(shí)間長(zhǎng)。圖3中時(shí)間段70～110 ms內(nèi)的作用力曲線是石塊與二級(jí)反擊板發(fā)生沖擊和剪切破碎作用時(shí)的作用力曲線，時(shí)間段120～150 ms之間的作用力曲線是物料與三級(jí)反擊板發(fā)生碰撞時(shí)的作用力曲線。由于物料破碎后，碎石的質(zhì)量較原物料小，因此上述兩圖中作用力的峰值呈下降趨勢(shì)。
   對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下板錘與物料、物料與反擊板接觸碰撞受力過(guò)程圖（圖5—圖8）可見(jiàn)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，板錘與物料接觸碰撞時(shí)的沖擊力就越大，400r/min時(shí)在時(shí)間段60 ms附近的沖擊力峰值大約為50萬(wàn)N，而700 r/min時(shí)在時(shí)間段30·40 ms之間的沖擊力峰值大約為72萬(wàn)N．1 000 r/min時(shí)在時(shí)間段20~ 30 ms之間的沖擊力峰值大小大約為100萬(wàn)N，隨著轉(zhuǎn)速增加物料與反擊板碰撞時(shí)的沖擊力越大，物料沖擊破碎效果就越好，物料損傷程度越高，因此在隨后發(fā)生剪切破碎時(shí)板錘與物料、物料與反擊板之間的相互作用力就越小，可以從圖中相應(yīng)時(shí)間區(qū)域內(nèi)發(fā)生剪切破碎時(shí)的作用力對(duì)比看出。
2.2  轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
    通常每一種型號(hào)的反擊式破碎機(jī)所能破碎物料的范圍是一定的，這在很大程度上與該型號(hào)破碎機(jī)所安裝的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小有關(guān)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同的情況下，不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)子所能提供的破碎力不一樣，即破碎能力不同，直接影響破碎機(jī)的性能。在其它條件不變的情況下，對(duì)轉(zhuǎn)子3種不同大小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.44624e7 kg·mm2，4.66679e7 kg．mm2和7.80593e7 kg.mm2所產(chǎn)生破碎力的大小進(jìn)行計(jì)算，從而分析轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)破碎力的影響。
    對(duì)圖3、圖9和圖10不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)板錘與物料動(dòng)態(tài)接觸受力以及對(duì)圖4、圖11和圖12物料與反擊板接觸受力過(guò)程的分析可知：物料發(fā)生沖擊破碎時(shí)，相同轉(zhuǎn)速下（圖3、4、9、10、11、12中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均為700 r/min）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，板錘對(duì)物料以及物料與反擊板發(fā)生沖擊破碎力越大，圖3中物料發(fā)生沖擊破碎的時(shí)間段30—40 ms之間的沖擊力峰值大約為72萬(wàn)N，圖9中在時(shí)間段50—60 ms之間的沖擊力峰值只有50萬(wàn)N，圖10中在時(shí)間段20~30 ms之間的沖擊力峰值大約為88萬(wàn)N，隨后物料發(fā)生剪切破碎時(shí)，反擊板受到物料的反作用力越小，物料越容易發(fā)生剪切破碎。
2.3各級(jí)反擊板角度不同對(duì)破碎效果的影響
    各級(jí)反擊板的角度對(duì)石塊撞擊反擊板時(shí)所產(chǎn)生的有效破碎力影響較大，通常稱垂直于碰撞接觸界面的力為有效破碎力即能夠引起石塊發(fā)生破碎的力，最理想的情況是石塊每次與反擊板發(fā)生碰撞時(shí)能夠垂直于反擊板，同時(shí)不同角度的反擊板對(duì)物料發(fā)生沖擊與剪切破碎的效果影響也較大，改變一級(jí)反擊板角度后的有限元模型見(jiàn)圖13。
    從圖14和圖15中物料與一級(jí)反擊板動(dòng)態(tài)接觸力曲線可以看出，在40 ms附近物料發(fā)生沖擊破碎時(shí)以及在50 ms附近物料發(fā)生剪切破碎時(shí)的受力情況，通過(guò)與圖4中在時(shí)間段40 ms一60 ms之間數(shù)值的對(duì)比分析可知，減小一級(jí)反擊板角度對(duì)物料剪切破碎效果較好但不利于物料發(fā)生沖擊破碎，增大一級(jí)反擊板角度能夠增加沖擊碰撞的次數(shù)，增強(qiáng)沖擊破碎的效果，但不利于物料發(fā)生剪切破碎。通過(guò)對(duì)改變二級(jí)和三級(jí)反擊板的角度計(jì)算分析，可以得到與改變一級(jí)反擊板角度后相同的結(jié)論。
3、結(jié)論
   本文在反擊式破碎機(jī)關(guān)鍵部件三維實(shí)體模型以及轉(zhuǎn)子一板錘一反擊板一石塊沖擊碰撞系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)有限元分析模型基礎(chǔ)上，對(duì)沖擊破碎物料時(shí)破碎腔中各部件之間的受力狀況進(jìn)行了分析，同時(shí)分析了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和各級(jí)反擊板角度對(duì)物料破碎效果的影響，結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，板錘與物料接觸碰撞時(shí)以及物料與反擊板碰撞時(shí)的沖擊力就越大，物料沖擊破碎效果就越好，物料損傷程度越強(qiáng)，在發(fā)生剪切破碎時(shí)板錘與物料，物料與反擊板之間的相互作用力就越�。粶p小反擊板角度對(duì)物料剪切破碎效果較好，但不利于物料發(fā)生沖擊破碎，增大反擊板角度能增加沖擊碰撞的次數(shù)，增強(qiáng)沖擊破碎的效果，但不利于物料發(fā)生剪切破碎。這些結(jié)論的獲得為改善破碎機(jī)的性能提供了理論分析基礎(chǔ)，降低了設(shè)計(jì)成本。