圓錐破碎機是破碎設備的代表機型，具有電耗少、處理量大及產品粒度均勻等特點，主要應用于冶金、化工、建材、電力及交通等行業，用于粗碎堅硬和中硬度的各種礦石和巖石。隨著產品大型化和市場較高化的需求，對設計制造水平的要求越來越高。

離散元方法用于研究離散體的運動行為，可在介質運動分析、功率預測、襯板設計及碰撞能量分布等方面提供很多量化數據，但在結構受力分析等方面尚有欠缺。而有限元方法的長處在于結構受力及運動分析，可廣泛應用于各種靜力、動能學分析。對于大型破碎機主要部件的受力分析，國內目前仍然主要采用理論分析與有限元靜力分析相結合的方法。下面紅星圓錐破碎機生產廠家進行了圓錐破碎機關鍵部件的有限元分析研究。這種基于傳統靜態受力分析的機械設計方法越來越難以滿足產品設計的需求，設計者越來越傾向于在設計階段就能明確設備在運行過程中的受力、偏載以及振動等狀況，以便在設計階段通盤考慮，而運用動態仿真有限元技術即可滿足此要求。

我們針對某國產大型圓錐破碎機，克服了設備結構龐大、有限元建模復雜和計算量超大等困難，基于動載有限元分析軟件 ，就整機破碎礦石進行了動態仿真模擬，給出了各關鍵部件的受力計算情況，并結合實際進行了合理分析，為設計提供了參考。

1、有限元模型的建立與計算

破碎機的動能源是電動機，電動機帶動圓錐齒輪，圓錐齒輪帶動偏心套，偏心套帶動破碎圓錐做偏心旋轉運動，處在破碎圓錐和機架襯板之間的礦石受到擠壓、彎曲、碰撞和摩擦等作用而被破碎，最終從破碎圓錐和機架襯板下端的排料口排除，完成破碎過程。

由于圓錐破碎機機身龐大，結構復雜，為適應有限元分析的需要，提高網格質量和計算的準確性，需要對幾何實體進行結構簡化，刪去一些不重要的倒角、圓角、螺孔以及肋板等，簡化一部分細小的接觸結構（如平鍵接觸以及齒輪嚙合接觸等）。在動載有限元 中所有零部件均采用實體單元建模，為簡化計算，對接觸部件進行六面體單元網格劃分，其他部分均為四面體單元，單元總數約為70 個，單元屬性設為常應變，采用隨動塑性材料模型。在本計算模型中，各部件之間的界面接觸均采用自動的面對面接觸，靜摩擦因數為0.11，動摩擦因數為0.08。

根據模型簡化設計方案，動能（角速度）直接加載在簡化的圓錐齒輪上，礦石的大小與強度根據設備最惡劣受力條件假設，材料為隨動硬化屈服材料，初始屈服應力為220MPa，不施加任何位置約束，只施加重力加速度；對下機架底面進行全約束，其他部分主要根據它們之間的裝配關系來施加約束。采用顯式動能有限元方法對上述破碎過程進行了模擬分析。

2、有限元計算結果分析

在額定轉速下破碎礦石某一瞬時各部件等效應力分別為：

（1）上橫梁局部位置（與動錐棱邊摩擦處）等效應力值較大，達到309.1MPa，其余位置等效應力值均較小；

（2）襯板及機架等效應力值均不大，較大值分別為14.52和17.17MPa；

（3）底座個別單元等效應力偏大，達到289MPa，主要是局部應力集中；

（4）動錐及液壓缸接觸區域分別達到128.1和209.4MPa，其余部位較小，動錐圓角處沒有明顯應力集中現象；

（5）偏心鋼套中部區域約為126.3MPa，底部部分區域達到307.5MPa，這主要與簡化接觸設置有關；

（6）偏心銅套個別單元達到187.5MPa，中部區域約為114.7MPa；

（7）礦石較大等效應力為243.2MPa；

（8）地腳螺栓局部等效應力達292.6MPa。

從以上分析可以看出，在既定載荷狀態下，機架、襯板這些不直接與運動部件接觸的部件受力狀態較好，而其他與運動部件直接接觸的部件均出現個別單元受力較大的情況。經分析，除了有個別模型簡化、網格質量等原因外，振動、碰撞是造成等效應力值較大的主要因素。

3、計算分析結果及總結

（1）運用動載有限元分析方法可以對破碎機破碎過程進行較為全面的過程狀態分析，各部件不同時刻的受力、位置等情況可以隨時表現出來，可真實描述礦石的破碎瞬間。

（2）在破碎礦石的過程中，由于運動速度較高，依靠靜力分析無法真實反映設備在動態下的真實狀態，可借助動態有限元分析達到此目的。

（3）由于動載有限元計算結果的存儲并不是連續的，因此，不一定能非常準確地捕捉到載荷較大的那一刻，某一時刻的計算數據不一定能完全代表最危險狀態。

（4）由于動載有限元分析通常不是針對單個零件，而是會涉及到一系列的零部件，對于大型復雜設備勢必會造成系統單元數超大、計算量急劇增加的問題，而過度簡化又會引起計算失真，因此，期待有更好的有限元動態分析計算方法。

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