近几年来。国家对公路、铁路等基建的投入日益加大，迫切需要大量的砂石。然而有限的天然砂资源已经不能满足持续发展的需要。因此机制砂市场越来越大。机制砂市场的不断增长．带动了制砂设备的需求，特别是制砂用的立轴冲击式破碎机成为市场的热点。
转子是立轴冲击式破碎机的主要工作部件，而主抛料头是转子中损坏最为严重的部件，其状况如何不仅决定着破碎机的生产质量和效率。而且直接影响破碎机的可靠 性、使用寿命和成本的首要因素。资料显示，在我国目前所应用的立轴冲击式破碎机中，强度本身已经不是影响其寿命的主要问题，最关键的问题是主抛料头的磨损 e1]，而主抛料头的磨损首先与抛料头所受的载荷有关，所以对抛料头的载荷研究是至关重要的。
1破碎机的工作原理
立轴冲击式破碎机主要由转子、破碎腔、传动机构和机架构成，其中转子是立轴冲击式破碎机的 主要工作部件，如图1所示。物料由人料口进入破碎机，转子在电机的带动下高速转动(转速一般为1400—1800r／min)，矿石靠转子表面摩擦力和导 向板等的作用随转子转动．同时受离心力的作用向外抛射，当离开转子时与主抛料头发生碰撞，矿石以几乎达到了转子边缘的线速度向外抛射．冲击于破碎腔壁和分 料器四周自由落下的一部分物料上发生粉碎，被破碎的物料由下部排料口排出，和循环筛分系统形成闭路，经多次循环．达到所要求的产品粒度。
立轴冲击式破碎机的主要破碎形式就是击碎。经过加速的石块．在抛料头的碰撞下。一部分与破碎腔发生碰撞破碎．一部分与石块发生破碎，主抛料头在石块长时间 的冲击下磨损非常严重．经过一段时间后就必须更换．不然不但会影响破碎效果还会影响到转子本体，转子本体的磨损会影响其动平衡，容易造成主轴断裂等不良后 果，而更换一次立轴冲击式破碎机的抛料头需要0．3—0．5万元，造成很大的浪费。主抛料头的磨损主要是受到冲击以后所产生的冲击磨损(磨损后的抛料头如 图2a所示)，每一组抛料头是有9个组成，从实际工况看，每次都是中间的3个磨损最为严重，为了不影响转子的动平衡，每次更换都是全部更换造成很大的浪 费，这时候就需要研究主抛料头所受的载荷，以达到延长抛料头的寿命的目的，但是试验机不能很好地模拟立轴冲击式破碎机的真实工矿，现实试验又太费时费力， 虚拟样机技术是很好解决这个问题的方法，而adams为实现虚拟样机提供了很好的平台。
2 破碎机转子建模
立轴冲击式破碎机转子(以山特维克生产的rp109)主要由转子本体、主抛料头、副抛料头、耐磨夹板、上耐磨板、下耐磨板、分料锥、定位块、挡料板等 180多个零件构成。在转子本体的内侧有6块挡料板，这种结构使得转子在加速物料的同时形成死料区以减少自身磨损，配合一定范围的转速，使物料的破碎过程 发生在转子外部由物料自动形成的冲击在转子中。主抛料头的作用是导向。通过转子对石块的加速，在转子内部形成涡流状，通过主抛料头的导向作用，使石块改变 方向沿着转子的切线方向向外抛射，这样就注定了主抛料头的主要失效形式为冲击磨损，因此需要对主抛料头的材料进行特殊处理，来增加主抛料头的耐磨性。
显然，对应于破碎机的正常工作状态，建模时，应当按照物料在转子内部形成料层以后的实际形状进行简化。简化后的转子模型内部呈圆柱状，物料与转子的接触由 石子与金属的接触变为石子与石子的接触。而且，石料被转子加速后更容易抛出，这样除主抛料头外其余的零部件都与转子合为一体，以此来模拟主抛料头的实际工 作过程。以solid works为工具进行建模，并将solidworks文件另存为parasolid格式导入adams中。导入的模型如图2b所示。
3 设定模型的参数及约束条件
材料的设定：因为简化后的转子模型内部呈圆柱状，物料与转子的接触由石子与金属的接触变为石子与石子的接触，所以设定简化后转子本体的内侧材料为石灰石。 由于在adams没有默认的石灰石属性，所以将转子内侧的属性设定为：弹性模量4．1e+010n／m ，密度为1500kg／m3，洎松比为0．3，来模拟石灰石的属性，设定转子本体的外侧材料为钢，弹性模量设为：2．07e+01 1n／m ，密度为：7801kg／in。，泊松比设为0．29：主抛料头的属性设置同转子本体的外侧材料。在adams中转子的人料口处加入物料，在实际工况中， 需要破碎的物料一般为不规则形状的石灰石，入料粒度是小于55mm，故本文中添加简化尺寸为边长20mm到50ram不等的立方体．设定属性亦为石灰石属 性。
旋转参数设定：在模型和大地之间加一个铰链，在铰链上设置—个旋转运动，旋转方向为逆时针，转速分别设为1400r／min、1450r／min、 1500r／min、1600r/min、1700r／min,1750r／min、1780r／min和1800r／min，据此来模拟物料经过不同加 速后在离心力和摩擦力的作用下．经过主抛料头的碰撞后被抛出的过程。石块对转子本体的冲击力在另外的文章中另有叙述。添加约束和接触：在转子本体的内侧 (材料为石灰石)和外侧(材料为钢)以及主抛料头(材料为钢)两两之间加上锁定，使它们在运动中成为一体。在每一个物料上添加和转子本体以及主抛料头的实 体对实体接触．接触力设为碰撞，刚度设为1．0e+008n／ram，阻尼比设为1．0e+004，穿透深度设为1．0e一004ram，摩擦力的设置按 照库仑摩擦设置，静摩擦系数设为0．3，动摩擦系数设为o．1，其余的按照adamds的默认设置[引。仿真：时间为1．5s，steps为5000。确 定这些参数的基本原则是，在保证石料全部被抛出的前提下．尽量节约时间并能提高仿真精度。
4 仿真结果
利用adams软件并按照前述的模型参数级约束设定，可以得到转速为1400 r／min、1500r／min、1600 r／min、1700r／min和1800r／min时主抛料头的总体受冲击力情况，如图3所示。图3中，每一次碰撞在图中表现为一次峰值。可以看出，转 子在1400r／min时，石块加速均匀．碰撞次数最多，在1．4454s时石料被全部抛出：160or／min和1700r／min时所受冲击力相对比 较平稳，受的平均冲击力(每次冲击力之和除以受冲击的次数)也相差不大，石料分别在1．33s和1．31s被全部抛出；在1800r／rain时，碰撞次 数最少。这可能是由于转速的增大，石料未经过充分碰撞就被强大的离心力抛出转子；虽然最大冲击力和平均冲击力是最大的，但是除了最大值外其余的冲击力都比 前几个转速的小。从图3可以看出，在1800rpm时石料被全部抛出的时间只有1．25s，显然，石料未经过充分的碰撞加速就被甩出转子，对其破碎效果会 有不利影响。这说明，破碎效果不总是随着转速的提高而变好．而且最大冲击力和平均冲击力很大还会加速主抛料头磨损，长时间的冲击磨损会使主抛料头的寿命大 大缩短，进而对转子本体的动平衡造成很大的影响。因此，合理地选择转速对于增加主抛料头的寿命和提高破碎效率非常重要。通过adams对仿真的后处理，得 到主抛料头的最大冲击力和平均冲击力随主轴转速变化的数值曲线．如图4所示。由图4看出，最大冲击力在转速1500—160or／min以及1750— 1780r／min时相对增幅较大．在1400—1500r／min和1600—1750r／min时相对较平稳，而平均冲击力在1400— 1450r／min和1650—1750r／min时相对增幅较大，在1450—1650r／min时相对较平稳。由于物料是立方体的，是平面还是尖面与 主抛料头接触所产生的冲击力是不同的，在最大和平均冲击力突然变化的转速区间，尖面与主抛料头的碰撞的几率很大，加剧了主抛料头的磨损，从而影响更换主抛 料头的频率。造成很大的浪费。由图可以看出。最大冲击力比平均冲击力高两个数量级．即物料对主抛料头的瞬间冲击力很大。由此可以知道，1400— 1500r／min以及1600—1750r／min是主抛料头受力均衡，转子能获得平稳运转的转速区间：降低最大冲击力的值和频率非常必要，这既与转子 结构及相关参数的优化有关，还要分析进料粒度均匀性的影响和石块与主抛料头碰撞的主要区域。
转速是影响立轴冲击破碎机破碎质量、效率以及寿命的重要因素，但破碎效果不总是随着转速的提高而提高．高转速还会加剧主抛料头的磨损，严重影响破碎机的使 用寿命。仿真分析表明，1400—1500r／min以及1600—1750r／min是主抛料头受力均衡，转子能获得平稳运转的转速区间；此外，为了全 面兼顾破碎机的破碎质量、效率以及使用寿命，降低最大冲击力的值和频率是至关重要的，因此既需要考虑转子结构及相关参数的优化，还要分析进料粒度均匀性的 影响。对于石块和主抛料头的主要碰撞区域的确定也是非常重要的，值得进一步研究。
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