0、概述
    錘式破碎機(jī)主要用于煤礦井下順槽內(nèi)，與轉(zhuǎn)載機(jī)配套使用，對(duì)通過(guò)轉(zhuǎn)載機(jī)的大塊原煤進(jìn)行破碎。通過(guò)對(duì)錘式破碎機(jī)的工作載荷進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，研究其破碎機(jī)理，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從而找到其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。為錘式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)和工作狀態(tài)分析提供依據(jù)，不僅具有重要的理論意義，也有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
    目前，隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，三維實(shí)體造型、虛擬技術(shù)、工況仿真模擬已成為CAD的重要發(fā)展方向，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方面引起了重大變革。對(duì)有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的錘式破碎機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品，建立三維動(dòng)態(tài)圖形和三維虛擬環(huán)境模擬，可以很好地描述其數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性、裝配過(guò)程的合理性、作業(yè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性、運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。本文將采用Pro/E(WILDFIRE)軟件，對(duì)錘式破碎機(jī)的三維造型和動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行研究。
1、建立三維模型
    建立三維模型是指進(jìn)行機(jī)構(gòu)構(gòu)件的具體設(shè)計(jì)，首先確定零件的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行二維繪圖和三維實(shí)體造型，然后通過(guò)裝配模塊完成零件組裝，形成整機(jī)。在Pto/E WILD-FIRE軟件中，零件裝配是依靠所選擇的面及特征來(lái)約束零件的。裝配是動(dòng)態(tài)仿真的前提，裝配關(guān)系的正確與否直接影響動(dòng)態(tài)仿真的效果。裝配前，先確定運(yùn)動(dòng)構(gòu)件及構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副，最后由各機(jī)構(gòu)構(gòu)成整機(jī)，并為仿真做準(zhǔn)備。
    以PCM400型錘式破碎機(jī)為例研究錘式破碎機(jī)的三維建模與仿真，重點(diǎn)研究PCM400型錘式破碎機(jī)的執(zhí)行部分。PCM400型錘式破碎機(jī)執(zhí)行部分的主要零部件包括：主軸、錘體、錘頭。
    (1)主軸
    在PCM400錘式破碎機(jī)中，主軸的總體特征由以下特征組成：截面直徑不同的圓柱體棒料，鍵槽、錐面、螺紋孔、圓角、倒角。由于主軸的總體特征關(guān)于主軸的中心橫截面對(duì)稱(chēng)，所以只需創(chuàng)建出主軸中心橫截面一側(cè)的所有特征，再使用“鏡像”命令即可創(chuàng)建出主軸的所有特征。
    (2)錘體
    錘體是連接主軸和錘頭的關(guān)鍵部件，它是把動(dòng)力從傳動(dòng)部分轉(zhuǎn)移到執(zhí)行部分的“樞紐”。在PCM400錘式破碎機(jī)中，錘體的總體特征由以下特征組成：錘體主體（除此之外不含其他任何特征）、階梯孔、中心孔、鍵槽、螺紋孔、圓角、倒角。由于錘體的總體特征關(guān)于錘體的中心橫截面對(duì)稱(chēng)，所以只需創(chuàng)建出錘體中心橫截面一側(cè)的所有特征，再使用“鏡像”命令即可創(chuàng)建出錘體的所有特征（見(jiàn)圖2）。
  (3)錘頭
    錘頭是轉(zhuǎn)載機(jī)用錘式破碎機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的錘頭可對(duì)大塊原煤進(jìn)行打擊破碎，最終形成一定塊度的煤塊。在PCM400破碎機(jī)中，錘頭的總體特征由以下特征組成：錘頭主體（除此之外不含其他任何特征）、堆焊材料、階梯孔、錘頭與錘體的連接部分、倒角、圓角（見(jiàn)圖3）。至此就完成了PCM400型錘式破碎機(jī)執(zhí)行部分主要零部件，根據(jù)二維工程圖進(jìn)行三維建模的所有工作。
    (4)附屬零部件的創(chuàng)建過(guò)程
    PCM400型錘式破碎機(jī)執(zhí)行部分的主要附屬零部件包括：緊固螺母、軸承座、軸承蓋、迷宮壓板。
    (5)三維虛擬裝配過(guò)程
    虛擬裝配就是利用零部件的鏈接關(guān)系建立裝配。Pro/E的裝配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法。在自下而上的設(shè)計(jì)模式中，先在零件模塊中構(gòu)造各個(gè)零件的三維模型或者調(diào)用原先做好的三維模型，然后在裝配模塊中建立零部件之間的鏈接關(guān)系，它是通過(guò)配對(duì)條件在零部件之間建立約束關(guān)系來(lái)確定零部件在產(chǎn)品中的位置。在虛擬裝配中，零部件的幾何體是被裝配引用，而不是復(fù)制到裝配中，不管如何編輯零部件和在何處編輯零部件，整個(gè)裝配部件保持關(guān)聯(lián)性，如果修改某些零部件，則引用它的裝配件自動(dòng)更新，反應(yīng)零部件的最新變化。進(jìn)行零件裝配時(shí)最重要的步驟就是對(duì)零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。在Pro/E中建立裝配關(guān)系是用貼合、平面和基準(zhǔn)面對(duì)齊、坐標(biāo)系各個(gè)軸相互對(duì)齊等約束命令將所有的零部件按要求裝配在一起。Pto/E是基于特征的建模方式創(chuàng)建零件的三維模型的，每創(chuàng)建一個(gè)特征都是以一個(gè)虛體特征為參考的，這些虛體特征在實(shí)體造型及裝配方面十分有用，是起輔助作用的。在虛擬裝配時(shí)，如果每個(gè)零部件都采用實(shí)際坐標(biāo)系進(jìn)行裝配，勢(shì)必牽涉大量的計(jì)算，由于計(jì)算的誤差，還將導(dǎo)致裝配失敗，因此，借助Pto/E提供的虛體特征，可以使裝配過(guò)程大大簡(jiǎn)化。機(jī)制動(dòng)態(tài)仿真是用計(jì)算機(jī)模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)，檢查機(jī)械運(yùn)動(dòng)中各部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及可能存在的問(wèn)題。在Pro/E中，可以通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。
    零件組裝是通過(guò)裝配模塊完成。在Pro/EWILDFIRE軟件中，零件裝配是依靠所選擇的面及特征來(lái)約束零件的。裝配是動(dòng)態(tài)仿真的前提，裝配關(guān)系的正確與否直接影響動(dòng)態(tài)仿真的效果。裝配前，先確定運(yùn)動(dòng)構(gòu)件及構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副，最后由各機(jī)構(gòu)構(gòu)成整機(jī)，并為仿真做準(zhǔn)備。
    PCM400型錘式破碎機(jī)執(zhí)行部分的最終裝配模型如圖4。PCM400型錘式破碎機(jī)完整的裝配模型如圖5。
2、錘式破碎機(jī)動(dòng)態(tài)仿真研究
    機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真分析需要建立機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型。在模型圖中有連接構(gòu)件，還有各種運(yùn)動(dòng)副。在裝配模塊中連接構(gòu)件裝配成整機(jī)，并定義相互運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。再設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈圖，將各個(gè)組成部件及其運(yùn)動(dòng)順序表達(dá)出來(lái)。
    錘式破碎機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真屬于單驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)仿真，是Pto/E運(yùn)動(dòng)仿真中比較復(fù)雜的一類(lèi)，仿真過(guò)程中需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)動(dòng)力源一交流異步電動(dòng)機(jī)，并調(diào)節(jié)各組成部件的運(yùn)動(dòng)順序，它將直接影響到整個(gè)機(jī)構(gòu)的仿真逼真程度。
    通過(guò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬，可以直觀地了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，十分便利對(duì)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行分析。它還可以反映機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)時(shí)，構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)中的速度變化情況。
    使用Mecharusm模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，包括2個(gè)基本步驟：
    (1)定義一個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)使用連接在裝配件中增加元件（與使用放置約束向裝配件中增加元件方式相同）來(lái)定義機(jī)構(gòu)，并用連接定義元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將連接信息保存在裝配件文件中，這意味著父裝配件繼承了子裝配件中的連接定義。
    (2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)使用下列3種方法之一就可以使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)：
    ①運(yùn)行一個(gè)裝配件分析，也稱(chēng)為連接裝配件。如果已連接好裝配件，運(yùn)行裝配件分析將能夠使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
    ②以交互方式拖動(dòng)一個(gè)裝配件，從而使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
    ③給機(jī)構(gòu)增加驅(qū)動(dòng)器并執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。
    另外，還可以使用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)重新定義原動(dòng)件，創(chuàng)建槽從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接和凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)器，回放運(yùn)動(dòng)來(lái)看測(cè)量結(jié)果以及研究模型。當(dāng)創(chuàng)建機(jī)構(gòu)時(shí)，可以將其輸入到Pro/MECHANICA模塊中，以便進(jìn)一步分析。只有在“元件放置”對(duì)話框中創(chuàng)建的連接才能轉(zhuǎn)移到Pro/MECHANICA模塊中，也可以將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型帶入到設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)中，創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)畫(huà)序列。設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)支持連接、凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接、槽從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接、連接極限、驅(qū)動(dòng)器和連接零點(diǎn)。
    通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)的仿真可以達(dá)到破碎機(jī)工作時(shí)的動(dòng)畫(huà)效果，更加直觀地表示了PCM400型錘式破碎機(jī)的工作形式。
3、結(jié)語(yǔ)
    本論文以PCM400錘式破碎機(jī)為例，進(jìn)行了PCM400型破碎機(jī)執(zhí)行部分三維建模和仿真分析研究，建立了PCM400破碎機(jī)的三維虛擬裝配模型，并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)行，更加直觀地表示了PCM400型錘式破碎機(jī)的裝配關(guān)系和工作形式。但是沒(méi)有給出PCM400型錘式破碎機(jī)工作時(shí)的重要狀態(tài)參數(shù)，如PCM400型錘式破碎機(jī)工作時(shí)的瞬時(shí)速度、瞬時(shí)加速度、破碎大的塊煤時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，有待進(jìn)一步研究。