基于ABAQUS 的礦用破碎機中破碎齒及齒環(huán)的結(jié)構(gòu)性能研究

賈晉光

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

礦用破碎機作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，主要對物料進(jìn)行破碎作業(yè)，使得所開采煤礦中形成較小直徑顆粒[1]。但由于煤礦所儲存地層相對復(fù)雜，硬度也相對較高，導(dǎo)致破碎機在破碎作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)破碎齒磨損嚴(yán)重、局部開裂、電機過載燒壞等失效現(xiàn)象，一旦破碎機出現(xiàn)異常故障現(xiàn)象，將會導(dǎo)致整個煤礦開采區(qū)域出現(xiàn)開采效率降低、設(shè)備停機維修等狀況，嚴(yán)重時會構(gòu)成一定的安全隱患[2]。其中，破碎齒及齒環(huán)則是影響整個破碎機高效開采的關(guān)鍵部件，掌握該零件的結(jié)構(gòu)性能及變化規(guī)律，降低其零件故障率十分重要。為此，在分析破碎機結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，開展了破碎機中破碎齒及齒環(huán)在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，提出了提高破碎齒及齒環(huán)的改進(jìn)措施，這對提高零件的結(jié)構(gòu)強度及使用壽命具有重要意義。

1 礦用破碎機結(jié)構(gòu)特點分析

煤礦中的破碎機結(jié)構(gòu)類型相對較多，包括旋回破碎機、沖擊式破碎機、雙齒輥破碎機等類型，其中，雙齒輥破碎機在當(dāng)前煤礦中的應(yīng)用的較為廣泛。以16/350CCTD 型破碎機為分析對象，該設(shè)備的破碎處理能力可達(dá)到9000 t/h。該設(shè)備主要由電動機、減速器、破碎輥、聯(lián)軸器、機體、破碎齒、齒環(huán)、齒輥軸等部件組成[3]，如圖1 所示。設(shè)備的破碎過程為：電動機的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動力經(jīng)過液力耦合器和減速器的相互配合及動力傳遞后，經(jīng)過動力傳輸變大后，傳遞至左右破碎輥中，以保證左右破碎齒的轉(zhuǎn)動同步性，經(jīng)過同步破碎齒輪與齒環(huán)的相互配合和研磨后，以實現(xiàn)對物料的破損加工[4]。由于破碎齒與齒環(huán)之間主要利用相互的剪切和擠壓等作用來實現(xiàn)物料的破碎加工，這要求破碎齒及齒環(huán)具有較高的結(jié)構(gòu)強度和剛度，一般采用ZGMn13 材料，具有較高的結(jié)構(gòu)強度，而在實際作業(yè)時也出現(xiàn)了破碎齒磨粒磨損、齒斷裂等失效現(xiàn)象，由此證明，破碎機的破碎加工難度大，條件相對較差，極容易造成零件的失效[5]。

圖1 破碎齒及齒環(huán)的結(jié)構(gòu)實物圖

2 破碎齒及齒環(huán)模型建立

2.1 三維模型

為更加深入地掌握破碎齒及齒環(huán)的結(jié)構(gòu)性能，以16/350CCTD 型破碎機為分析對象，對其進(jìn)行了三維模型建立，主要包括破碎齒及齒環(huán)等部件。在建模過程中，為提高模型的分析精度，減少非必要的分析誤差，對模型中的圓角、倒角、非關(guān)鍵圓孔等特征進(jìn)行了模型簡化，僅保留了破碎齒及齒環(huán)上的輪齒、定位槽等關(guān)鍵特征，破碎齒及齒環(huán)的三維模型如圖2 所示。

圖2 破碎齒及齒環(huán)三維模型圖

2.2 仿真模型

將所建立的破碎齒及齒環(huán)保存為x-t 格式后，導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，開展了破碎齒及齒環(huán)的仿真模型建立。由于破碎齒所破碎對象相對較硬，故在軟件中將破碎齒及齒環(huán)設(shè)置為35CrMo 材料[6]，其材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)尺寸，將其定義為四面體網(wǎng)格類型，單元類型為SOLID 實體單元，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，對破碎齒及齒環(huán)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。破碎齒與齒環(huán)之間設(shè)置為嚙合關(guān)系和接觸約束關(guān)系，破碎齒中部設(shè)置為旋轉(zhuǎn)約束關(guān)系。由此，完成了破碎齒及齒環(huán)之間的仿真模型。

表1 35CrMo 材料主要性能參數(shù)

圖3 破碎齒及齒環(huán)網(wǎng)格劃分圖

3 不同工況下的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 滿載啟動工況的結(jié)構(gòu)性能

結(jié)合建立的仿真模型，得到了結(jié)構(gòu)在滿載啟動工況下的應(yīng)力變化圖，如圖4 所示。由圖4 可知，破碎齒和齒環(huán)整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，破碎齒的應(yīng)力分布不均勻性更為明顯，但最大應(yīng)力值相對較低，為77.486 MPa，主要集中在齒根部，小于材料的屈服強度，破碎齒在此工況下的結(jié)構(gòu)強度較為安全；齒環(huán)上的應(yīng)力也相對較低，集中在齒環(huán)與破碎齒接觸面倒角處，為37.802 MPa，小于材料的屈服強度。由此可判斷，破碎齒及齒環(huán)在滿載啟動工況下結(jié)構(gòu)強度和安全性相對較高，能正常實現(xiàn)對物料的破損作用，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險。

圖4 滿載啟動工況下破碎齒及齒環(huán)應(yīng)力圖

3.2 過載工況的結(jié)構(gòu)性能

通過分析，得到了過載工況下的破損齒及齒環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖。由圖5 可知，破損齒整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布也相對不均勻，在破損齒齒尖區(qū)域出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到了985.5 MPa，超過了其材料的屈服強度835 MPa，并從齒尖向齒根方向呈逐漸減小的變化趨勢，但整體應(yīng)力也相對較高。與破碎齒接觸的齒環(huán)區(qū)域應(yīng)力也相對較高。分析其原因為：破碎齒在與物流進(jìn)行作業(yè)時，首先通過齒尖區(qū)域進(jìn)行破碎作業(yè)，所承受外部載荷力相對較大。

圖5 過載工況下破碎齒與齒環(huán)應(yīng)力變化圖

為進(jìn)一步掌握破碎齒其他區(qū)域情況，提取了破碎齒齒根區(qū)域的應(yīng)力圖，如圖6 所示。由圖6 可知，破碎齒齒根的應(yīng)力值也相對較高，最大應(yīng)力達(dá)到了965.68 MPa，雖小于齒尖處應(yīng)力值，但也超過了材料的屈服強度835 MPa。此情況主要是由于破碎腔中落入了不可破損物料，此現(xiàn)象為生產(chǎn)中不能允許的生產(chǎn)事故，造成了齒根區(qū)域出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可斷定，破碎齒及齒環(huán)長期在此工況下作業(yè)，將極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、斷裂等失效現(xiàn)象，對破碎機的作業(yè)效率及安全性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。對破碎齒及齒環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及性能的改進(jìn)十分必要。

圖6 過載工況下破碎齒齒根應(yīng)力變化圖

4 破碎齒及齒環(huán)的改進(jìn)措施

結(jié)合前文分析可知，破碎齒及齒環(huán)在不同工況下均出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)薄弱現(xiàn)象，而破碎齒的齒尖及齒根區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為提高其零件的使用壽命，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，具體措施如下：

1）增加破碎齒齒尖處的寬度5 mm 以上，并將其破碎齒尖處設(shè)置較大鈍角，減少刀口的刃口寬度，以提高破碎齒在破碎作業(yè)時的破碎力；

2）將破碎齒及齒環(huán)的材料屬性設(shè)置為屈服強度更高的材料，如20Gr，保證破碎齒在各種復(fù)雜工況下具有更高的結(jié)構(gòu)強度及安全性；

3）增加破碎齒齒根處的過渡圓弧大小，可將集中的應(yīng)力有效轉(zhuǎn)移至其他區(qū)域，減少破碎齒齒根處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）增加破碎齒及齒環(huán)之間的嚙合間隙，能更加有效地加大對物料的破碎程度，減少結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

5）在對破碎齒及齒環(huán)加工時，可對其進(jìn)行淬火、調(diào)質(zhì)、正火、回火等熱處理操作，以保證零件具有更高的結(jié)構(gòu)強度及剛度；

6）定期對破碎齒與齒環(huán)、齒環(huán)中心與轉(zhuǎn)動軸等區(qū)域添加潤滑油，保證嚙合及旋轉(zhuǎn)部分的潤滑性，減少摩擦阻力及摩擦造成的結(jié)構(gòu)損壞。

5 結(jié)論

采用當(dāng)前更加有效的有限元分析技術(shù)應(yīng)用到破碎機中破碎齒與齒環(huán)的結(jié)構(gòu)性能研究中，已成為當(dāng)前開展零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)的重要方式。為此，以16/350CCTD 型破碎機為分析對象，開展了設(shè)備中破碎齒及齒環(huán)的結(jié)構(gòu)性能研究，得出如下結(jié)論：

1）破碎齒及齒環(huán)在滿載啟動工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較低，整體結(jié)構(gòu)強度及安全性相對較高，能滿足此種工況作業(yè)需求；

2）破碎齒及齒環(huán)在過載工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對較高，破碎齒齒尖及齒根區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，找到了破碎齒及齒環(huán)的變形規(guī)律；

3）從材料、結(jié)構(gòu)尺寸、加工工藝、維護(hù)保養(yǎng)等方面，提出了破碎齒及齒環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施；

4）此研究對提高破碎齒及齒環(huán)的結(jié)構(gòu)強度及使用壽命，降低破碎機使用故障率具有重要意義。