1 绪论
1.1 研究背景和意义
目前，我国部分地区处于建设发展阶段，基础建设必不可少，基础建设工程对碎石骨料的需求量快速增多，例如基础公路建设、新建筑建设等，这些工程都需要最基本的建筑碎石骨料，各种建筑骨料的加工都需要破碎机，因此，对破碎机的需求量快速增加[1]。不同种类的非金属矿石的社会需求量急剧增加，建筑骨料的破碎总量每年也在增加。80 年代初世界各国对建筑矿石破碎的年平均总量近 40 亿吨，到 80年代末，世界各国每年对建筑矿石破碎总量达到了 130 亿吨。我国建筑矿石物料的年破碎量达到了 20 亿吨[2-9]，经过开采的建筑矿石基本都需要破碎，而且破碎粒径也不相同。随着对建筑矿石的快速开采，优良的建筑矿产资源逐渐减少，对贫瘠建筑矿产资源的开采开始不断加剧，而且我国贫瘠建筑矿产资源相对较为丰富，例如混凝土碎石骨料原矿，但在使用之前需要进行处理。破碎物料则是处理的重要工序，而破碎物料离不开破碎机，因此，建筑骨料破碎机对于建筑行业的发展起着很大作用。我国的大型制造装备业发展水平较高，但轻型装备业发展水平较低，尤其是建筑破碎机产业，大部分企业主要倾向于进口设备。对于机械制造业较弱的其它发展中国家，破碎机同样依靠国外进口，因此，性能优良的建筑骨料破碎机的需求量正快速增加。国内建筑骨料破碎机制造厂商的技术水平相对较低，制造产品的质量与国外水平相差较远，部分合资企业的产品核心技术还属于国外制造商，大部分国内生产商只负责加工制造。国内大多数颚式破碎机制造公司生产的产品基本都还是比较陈旧的型号，老式颚式建筑骨料破碎机任然占据国内的市场，性能优良的新型号颚式建筑骨料破碎机基本依靠进口。
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1.2 建筑骨料破碎机的工作原理
由建筑矿山上直接开釆的物料叫做原矿。原矿是经过长期的积累沉积而成，原矿不符合建筑工程生产的要求，需要通过建筑骨料破碎机的破碎，使粒经符合工程生产要求。原矿破碎的方式有两种：非机械破碎与机械破碎。机械破碎是利用外部荷载进行物料破碎，将大块原矿破碎为小块矿石。机械破碎分为四种破碎方式：冲击破碎、压碎、剪碎、折碎与磨碎，如图 1.1 所示。建筑矿石在实际破碎过程中并非单纯以一种方式破碎，通常是由两种及两种以上形式复合破碎。但一般情况下，颚式建筑骨料破碎机的受力构件主要是动颚与机架，根据破碎构件的组成特点，在物料破碎过程中，主要破碎形式为压碎和剪碎。各种建筑物料的破碎与人们的生活联系密切，随着科学技术的进步，破碎工艺逐步更新，破碎设备逐步改进，与之对应的破碎理论研究得到快速发展，破碎理论的不断发展促进了破碎设备与工艺的不断更新。针对建筑物料破碎理论而言，目前主要有两种理论：断层破碎和颗粒破碎。颗粒破碎主要是指物料颗粒受到外力作用时，每颗物料为独立破碎，该理论研究对象为独立的颗粒；断层破碎主要考虑到每颗物料与周围颗粒的连接，破碎过程中颗粒与颗粒间会产生作用力。国外颚式建筑骨料破碎机开发者主要依靠断层破碎理论进行破碎机的设计，研究者认为断层破碎比颗粒破碎理论更有效，破碎机的破碎效率及产品形状更符合要求。对于最初阶段的破碎，科研人员主要利用颗粒破碎理论，主要针对传统颚式建筑骨料破碎机。对于建筑矿料破碎能耗的研究，目前主要有三种理论，分别为体积理论、表面理论和裂缝理论。对于体积理论，是在同等条件下，几何体积相近的物料被破碎至形状相似的颗粒，整个过程中能量消耗与颗粒的体积成正比。表面理论是指整个过程中能量消耗与物料产品的表面积成正比。裂缝理论是指整个过程中能量消耗与物料破碎时内部的裂缝长度成正比，内部裂缝长度与颗粒粒径的平方成反比。上述三种理论的内容虽有差异，但主要内容揭示了建筑物料破碎过程中的能量消耗与物料性能之间的关系。
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2 建筑骨料破碎机的应变测试
颚式建筑骨料破碎机在进行建筑矿石破碎时，建筑矿石在两颚板之间受到劈、压等作用而被破碎，在工作时颚式建筑骨料破碎机的机架与动颚会因建筑矿石的反作用力而产生形变，其变形大小会直接影响破碎机的寿命和破碎精度。目前，国内研究人员对颚式建筑骨料破碎机工作时的应变测试还未见报道，缺少可靠的工作应变测试数据。应变测试能够测试颚式建筑骨料破碎机在不同工况下的应变值，而且能够对有限元数值模拟结果进行可靠性验证。在此基础之上，可对颚式建筑骨料破碎机的结构进行力学性能优化，颚式建筑骨料破碎机的整机寿命能够延伸，提高物料粒径破碎的可控性。本研究采用静态电阻应变测试仪（YJ-4501A）对颚式建筑骨料破碎机工作时的应变进行测试。通过测试数据可分析电测数据与模拟数据之间的误差，同时可对后续的数值优化分析结果进行验证。
2.1 电阻应变片测试技术
在建筑矿石破碎过程中，主要由动颚与机架共同作用产生破碎力，其内部应力相对较大，如果设计不合理，在破碎过程会产生较大应变，进而影响破碎机的破碎精度与寿命。为了分析破碎机的强度与刚度，需要对颚式建筑骨料破碎机的动颚与机架进行应变测试分析。利用静态电阻应变测试技术对颚式建筑骨料破碎机的动颚与机架进行应变测试，该测试技术的优点是结构简单、应用范围广泛、成本低、灵敏度高、受外界影响因素小。利用 ANSYS 软件对颚式建筑骨料破碎机的力学性能进行优化，由于有限元是基于连续介质理论的，与实际情况有所差别，因此会存在误差。为了进一步确定数值模拟过程的正确性，利用 ANSYS 模拟结果与静态应变测试结果进行对比分析，将相同部位的应变值进行比较。如果模拟值与实验值误差在允许值以内，可证明有限元模拟过程与实际情况是相符的，同时可通过有限元模拟结果得到更多的分析数据，利用这些数据可进行下一步的结构优化。信阳的建筑矿产资源丰富，颚式建筑骨料破碎机对本地的采矿业非常重要，但当地企业所使用的颚式建筑骨料破碎机，普遍存在机架开裂的问题。而目前国内的厂家，基本通过类比法和经验法对破碎机进行改造优化，没有可靠的实测数据，因此本研究对颚式建筑骨料破碎机进行静态电阻应变测试是非常重要的。
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2.2 应变测试结果与分析
利用 yj-4501a 型应变测仪对破碎机的应变进行测试，结果如表 2.1 所示。表中记录了 22 个测点的应变值，其中有一个测点无数据，主要由于测试过程中应变片发生了脱落。由表 2.1 测试数据可知，22 号测点无数据，该测试点位于机架背立面下部。经检查发现，22 号测点处的两个焊接点有一处断裂，导致通道断路，这主要由于破碎机在工作时所产生的振动。其他 21 个测点的测试数据都保持稳定，因此22 号测点不会影响测试结果。同时由表 2.1 可以看出，W 型建筑骨料破碎机的机架应变都处于同一个数量级，部分应变值相对较大，并存在应力集中现象。机架侧立面动颚附近的应变相对较大，当建筑骨料破碎机处于工作状态时，动颚会产生振动，在定颚板的共同作用下将建筑矿石破碎，因此动颚附近的应变相对较大，同时在局部区域出现了应力集中。横梁附近的应变也测得相对较大，由于横梁连接着机架的两个侧立面，建筑骨料破碎机处于工作状态时，机架侧立面会产生侧向位移，横梁连接了两个侧面，有效限制了侧立面的变形，保证了破碎机的整体刚度，因此在横梁附近的应变值也测出了较大值。W 型建筑骨料破碎机在进行建筑矿石破碎时，内部会产生应力而发生应变，破碎机机架的受力特征可根据内应力分布来分析。破碎机由于荷载作用而产生应形，结构体内部各单元体之间会产生内部作用力，内部作用力用来抵抗外部作用效应，同时促使结构体回复到原始作用位置。对于结构体内部每一个微元体所受到的力称为内应力。内应力可分解为正应力与切应力，与横截面相互垂直的内应力称为正应力，与横截面相平行的内应力称为切应力。结构体内部应力随着外部作用力的改变而随之改变。当外部荷载超过材料的屈服强度时，结构会发生屈服变形；随着荷载的继续增加，材料会达到破会强度，结构体将发生破坏。此时所对应的的应力称为极限应力。对于一种新型材料的极限强度，需要通过极限强度试验来进行测定。为了保证结构体在使用中的安全，在进行设计时需要考虑安全系数，降低极限应力值，保证结构体的安全。由于结构体并非理论上的均匀分布，理论计算与实际情况会有误差，因此，表 2.1 中的电测数据可用于验证数值模拟计算。
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3 建筑骨料破碎机数值模拟分析...........17
3.1 有限元数值模拟技术.... 17
3.2 建筑骨料破碎机静力学分析.............. 22
3.2.1 建筑骨料破碎机有限元模型......... 22
3.2.2 建筑骨料破碎机有限元求解及后处理......25
3.2.3 有限元数值模拟结果对比验证..... 26
3.2.4 建筑骨料破碎机力学性能分析....27
3.3 小结.......... 31
4 建筑骨料破碎机动颚力学性能分析............ 32
4.1 WD1 型建筑骨料破碎机动颚有限元数值分析........32
4.2 WD2 型建筑骨料破碎机动颚有限元数值分析........41
4.3 WD3 型建筑骨料破碎机动颚有限元数值分析........49
5 建筑骨料破碎机力学性能优化...........57
5.1 建筑骨料破碎机动颚力学性能优化............ 57
5.2 建筑骨料破碎机机架力学性能优化............ 60
5.3 小结......... 61
5 建筑骨料破碎机力学性能优化
随着建筑业的快速发展，对建筑骨料破碎机的需求量逐步增加，同时对建筑骨料破碎机的性能也提出更高要求。为了降低生产成本，破碎机的开发过程要更科学、开发周期要更短，结构优化分析是设计过程中的必要环节，通过优化能够提高建筑骨料破碎机的力学性能，增强产品的竞争力。通过对
