基于ANSYS Workbench的破碎锤模态分析

[摘 要]破碎锤作为煤矸分选机的重要组成部分，其工作环境恶劣，在工作时要承受来自物料的随机冲击以及离心力的作用并产生振动。为避免由于共振引起的结构破坏，使破碎锤产生裂纹，从而给生产和安全带来严重的问题，通过ansys workbench软件对破碎转子进行模态分析，研究其动力特性，对破碎锤结构的设计乃至整个选择性破碎装置性能的提高具有指导作用。

[关键词]煤矸分选；破碎锤；ANSYS Workbench；模态分析

中图分类号： TH228 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0336-01

0 前言

冲击破碎式煤矸分选机利用煤与矸石的硬度不同，给冲击破碎装置一个临界速度，使煤矸混合物被冲击后，混合物料中硬度大的矸石基本不被破碎，硬度小的煤矸石破碎，并通过筛分装置进行分选。

井下煤矸分选机主要由出料口1、入料口4、拨料装置2、筛分装置3、破碎锤5和反击板6等组成，结构如图1所示。井下煤矸分选机由进料口下落的煤矸石经过破碎锤击打后，被高速抛向反击板进行二次撞击并破碎。由于煤矸硬度差异，破碎完成后的煤矸石大小各异，较小硬度的煤便通过筛分装置落入后处理设备上，而较大硬度的矸石便被拨料装置拨往出料口，用于回填。

1 破碎锤结构特点

破碎锤由锤头1、锤架圆盘3、主轴2、销轴4等主要零件装配而成，如图2所示。锤头1通过销轴铰接并悬挂在锤架圆盘3上，而锤架圆盘3装配在主轴2上。锤头、锤架圆盘、主轴、销轴的材料及其属性如表1所示。

2 破碎锤模态分析

ANSYS Workbench是ANSYS公司为求解实际问题而提出的协同仿真环境，用以解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。这种环境为CAD系统和设计提供了全新的平台，保证了最好的CAE结果。

表1 ANSYS Workbench中破碎锤零件的材料属性

本文通过Pro/E5.0创建破碎锤的实体模型，将模型导入ANSYS Workbench中，按表1定义材料属性。Workbench中对接触面自动检测并默认将接触对定义为Bonded。由于Workbench是纯粹的线性分析，因此本文将锤头与销轴的接触设置为No Separation，其余接触类型保持不变，并在分析前检查生成的接触对。利用ANSYS Workbench中提供的Hex-Dominant方法对破碎锤各零件进行网格划分，如图3所示。破碎锤共生成单元数38134、节点数64753。根据实际约束情况，对破碎锤的主轴和销轴施加圆柱面约束，对锤头销孔圆柱面施加无摩擦约束。

3 模态分析结果

为了便于分析破碎转子是否会因为电机传动激振力的作用而产生共振，下面对破碎锤的转动频率fr进行计算：fr = n/60 = 396/60 = 6.6 Hz。式中，n―破碎锤的转速，r/min。

经ANSYS Workbench模态分析所得约束状态下破碎锤前六阶固有频率，如表2所示。约束状态下破碎锤前八阶模态振型如图4所示。

表2 约束状态下破碎锤前六阶频率（Hz）

由表2可知，破碎锤的转动频率小于其约束状态下的频率，且相距甚远，因此不会激发其约束状态下前六阶频率的振动而产生共振。

对图4进行分析可知：约束状态下破碎转子的第一、第二阶振型以锤架圆盘的弯曲振动为主，第三、第四阶振型表现整体扭转振动和轴向偏振，第七、第八阶振型以锤头绕X轴的扭转振动和弯曲振动为主，第五、第六阶振型表现为几者的结合，且从振型图中可以看出其振动形式和出现最大变形的部位为锤头根部。

4 结论

通过ANSYS Workbench对破碎锤进行模态分析，获得了约束状态下破碎转子的前八阶频率和振型，发现破碎锤在约束状态下其前八阶振型表现为整体扭转、弯曲、轴向偏振或这些振型的组合，破碎转子最大变形的部位出现在锤头根部。所得结论为破碎锤结构的设计乃至整个选择性破碎装置性能的提高提供了理论参考。

参考文献

[1] 张佳佳，姜浩，胡正伟.煤矸石井下分选研究[J].机电工程技术，2011，40（08） ：61-63.

[2] 徐锋.反击式破碎机破碎腔关键部件结构计算及优化分析[D].南京：南京理工大学，2007.

[3] 周浩，刘飞.井下选择性破碎煤矸分离机及工作机构仿真研究[J].矿山机械，2011，39（3）：80-83.

[4] 浦广益.ANSYS WORKBENCH 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[5] 丰建荣，刘志河，李志宏等.煤和矸石静态破碎差别的实验研究[J].太原理工大学学报， 2006，37（1） ： 42-43.

作者简介：芦付臣（1973--）男，河南登封人，助理工程师，2008年毕业于河南理工大学，现从事机电设备管理工作。