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固定式液壓破碎機(jī)是集機(jī)、電、液于一體的大功率破碎、拆除作業(yè)設(shè)備，主要應(yīng)用于各類礦山、采石場(chǎng)破碎機(jī)的入料口或格篩處，進(jìn)行大塊物料的二次破碎，也可用于冶煉廠對(duì)鋼包和冶金爐進(jìn)行打殼、拆包等工作。近年來(lái)，隨著市場(chǎng)需求，固定式液壓破碎機(jī)向大型、重載、超高和超長(zhǎng)方向發(fā)展，GTPH90-8.5/9.5-W型作為國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的最大規(guī)格固定式破碎機(jī)，整機(jī)重量近30t，工作半徑達(dá)18m（一臂8.5m/二臂9.5m），前端配套近3t重GT90液壓錘。在超長(zhǎng)臂、重載、強(qiáng)沖擊載荷下，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性顯得尤為重要。
由于各部件間的耦合作用，不宜采用解析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，而傳統(tǒng)的樣機(jī)試驗(yàn)評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)的可靠性，成本高、周期長(zhǎng)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。有限元分析法大多數(shù)應(yīng)用僅限于對(duì)某個(gè)關(guān)鍵部件或者部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析，而結(jié)構(gòu)件分開(kāi)計(jì)算存在邊界條件及載荷難以確定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等問(wèn)題，從而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文以該大型破碎機(jī)整體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用系統(tǒng)CAE方法和技術(shù)進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，為其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
固定式破碎機(jī)的整體結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)平臺(tái)、液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)支承、大臂、二臂、連桿、搖桿、液壓錘、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、轉(zhuǎn)錘油缸及與固定地基連接的螺栓、減振彈簧組件等組成，如圖1所示。破碎機(jī)使用工況復(fù)雜，考慮篇幅，本文選用最大工作半徑姿態(tài)進(jìn)行建模仿真分析，此工況下載荷作用線距離各個(gè)關(guān)鍵傳遞路徑點(diǎn)（銷軸等）以及底座中心線達(dá)到最遠(yuǎn)，可以認(rèn)為這是最惡劣的工作位姿。
首先，利用SolidWorks軟件建立固定式液壓破碎機(jī)的三維幾何模型，導(dǎo)入HyperMesh中建立CAE分析的整體模型。在CAE模型的建立過(guò)程中，對(duì)于銷軸采用賦予橫截面和材料的梁?jiǎn)卧M(jìn)行簡(jiǎn)化模擬；對(duì)于銷軸孔和銷軸之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)釋放軸向自由度來(lái)模擬；螺栓連接使用RBE2 spider-beam-RBE2 spider模擬；對(duì)于厚長(zhǎng)比小于1/15的零件均采用板殼單元，特殊情況下，對(duì)于厚長(zhǎng)比在1/15～1/10之間的零件也采用板殼單元，其它情況均采用三維實(shí)體單元，板與板之間的焊縫采用RBE2剛性單元連接。其次，進(jìn)行有限元模型簡(jiǎn)化處理，回轉(zhuǎn)底座處的減振彈簧組件以軸向拉壓彈簧單元表示其功能；回轉(zhuǎn)馬達(dá)以等效集中質(zhì)量單元替代；大臂、二臂、轉(zhuǎn)錘液壓缸需要考慮在沖擊作業(yè)中的軸向伸縮，需要定量計(jì)入液壓彈簧和活塞桿軸向彈性變形的綜合作用，故采用串聯(lián)彈簧方式模擬。通過(guò)有限元模型簡(jiǎn)化得到了包含269825個(gè)節(jié)點(diǎn)和228527個(gè)單元的整體CAE模型。
固定式液壓破碎機(jī)回轉(zhuǎn)底座底板的16個(gè)螺栓孔通過(guò)地腳螺栓與地面固結(jié)，施加固定約束（即6個(gè)自由度均約束）。對(duì)底座上的回轉(zhuǎn)馬達(dá)施加繞Y軸的旋轉(zhuǎn)約束，施加在回轉(zhuǎn)座底板上安裝電機(jī)位置的軸心處，模擬破碎機(jī)在實(shí)際工作中回轉(zhuǎn)馬達(dá)處于制動(dòng)狀態(tài)。由于液壓破碎機(jī)在釬桿頭部受到Y(jié)向正方向的力（液壓錘打擊反作用力），致使回轉(zhuǎn)支承受到力矩作用，因此，對(duì)軸承內(nèi)外圈接觸的兩邊進(jìn)行節(jié)點(diǎn)融合，模擬其真實(shí)受力和力傳遞的狀況。
液壓破碎錘是二元彈性系統(tǒng)，由于沖擊過(guò)程的復(fù)雜性，在沖擊作用時(shí)間和被沖擊物體的位移未知的情況下，無(wú)論古典的碰撞理論或現(xiàn)代波動(dòng)力學(xué)理論，均難以給出精確的沖擊力解析，只能根據(jù)以下公式近似求解。
經(jīng)估算沖擊力F=196kN，加載在釬桿端部，方向沿Y軸正向（模擬釬桿輸出能量不足以擊碎巖石，所有反作用力通過(guò)釬桿傳遞到工作裝置上的狀態(tài)），同時(shí)還應(yīng)考慮液壓破碎錘整體的自身重力，因此設(shè)置重力加速度g=9.810mm/s。
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