針對反擊式破碎機破碎腔中一些關鍵部件在實際作業過程中出現的問題，例如：轉子、板錘部件上出現裂紋、甚至發生斷裂，破碎機破碎效率低等問題，本文基于建立的反擊式破碎機關鍵部件的三維實體模型以及轉子一板錘一反擊板一石塊沖擊碰撞系統的動力學有限元分析模型，分析了沖擊破碎物料時破碎腔中各部件之間的受力狀況，同時分析了轉速、轉動慣量，以及各級反擊板形狀對物料破碎效果的影響，這些理論研究為改善破碎機的性能提供了理論分析基礎。
1、數值仿真模型的建立
反擊式破碎機破碎系統的結構模型由轉子體、板錘、反擊板和石塊組成，破碎石塊的過程可以看作是板錘與石塊發生碰撞、石塊與反擊板發生碰撞這兩個過程不斷交替、不斷反復的過程。采用I-DEAS軟件建立的三維模型如圖l所示。
為了對破碎過程進行動態計算與分析，先對幾何實體模型進行適當簡化處理，其處理的原則為在不影響結構整體性能的前提下對幾何實體上的倒角、螺栓孔等局部結構進行簡化，這樣有利于網格的劃分；然后對幾何實體進行網格劃分，由于轉子體、板錘、反擊板形狀比較復雜，為了提高網格質量和計算的準確性，先對各幾何實體進行分區處理，把復雜的幾何實體劃分成許多易于進行六面單元劃分的小區域，再進行網格劃分。轉子體、板錘、反擊板和石塊模型都采用規則的六面體單元進行網格劃分，圖2為破碎系統的有限元模型。
計算模型中，轉子體采用16Mn合金鋼，板錘采用40Cr合金鋼，反擊板采用16Mn強化合金鋼，材料屬性都采用Plastic Kinematic材料模型；石塊選用花崗巖材料參數，其屬性采用彈脆性材料模型；單元屬性設為常應變。
轉子體與板錘、板錘與石塊、石塊與反擊板、轉子體與石塊之間的界面均采用接觸算法。設定接觸對之間沖擊力文件輸出參數為l。在定義界面接觸的各項參數中，定義轉子體與板錘間的靜動摩擦系數均為0.15，其余兩接觸對間的動摩擦系數為0.6。
模型設置約束時石塊在整個破碎過程中都是自由的，對石塊不施加任何位置約束；對轉子體轉動中心施加X、y、23個方向的平移約束和X、y兩個方向的轉動約束；對反擊板的裝配部分也施加x、y、Z3個方向的平移和轉動約束；板錘安裝在轉子上被兩擋塊緊卡在轉子體上，同時加上其自身結構的作用，板錘只能隨轉子體一起繞轉軸轉動，對板錘施加軸向即Z向的平移約束。
2、影響破碎效果因素分析
2.1 轉子旋轉速度
研究轉子旋轉速度能夠指導反擊式破碎機在破碎不同粒徑、材質的物料時選取合適的旋轉速度，從而防止物料被過度破碎，同時也有利于減少能耗。在其它條件不變的情況下，對轉子分別以1 000 r/nun、700 r/nun和400 r/min等3種不同轉速作旋轉運動，分析旋轉速度對破碎力的影響。
由圖3可以看出，物料與板錘首次碰撞在時間區域30~ 40 ms之間，物料從反擊板反彈后再次與板錘碰撞在40一48 ms之間，由于反彈作用使得板錘與物料發生接觸碰撞要抵消一部分物料反彈時的能量，因此物料與板錘第二次碰撞時的沖擊力比首次碰撞時產生的沖擊力要小；在時間段48。60 ms之間，物料在板錘與反擊板的聯合作用下發生剪切破碎，圖4中相應時間段可以看到物料與反擊板的動態接觸力。從上述兩圖中可以看出發生沖擊破碎時作用力曲線相對作用時間間隔短，而剪切破碎時作用力作用時間長。圖3中時間段70～110 ms內的作用力曲線是石塊與二級反擊板發生沖擊和剪切破碎作用時的作用力曲線，時間段120～150 ms之間的作用力曲線是物料與三級反擊板發生碰撞時的作用力曲線。由于物料破碎后，碎石的質量較原物料小，因此上述兩圖中作用力的峰值呈下降趨勢。
對比不同轉速下板錘與物料、物料與反擊板接觸碰撞受力過程圖（圖5—圖8）可見：轉子轉速越高，板錘與物料接觸碰撞時的沖擊力就越大，400r/min時在時間段60 ms附近的沖擊力峰值大約為50萬N，而700 r/min時在時間段30·40 ms之間的沖擊力峰值大約為72萬N．1 000 r/min時在時間段20~ 30 ms之間的沖擊力峰值大小大約為100萬N，隨著轉速增加物料與反擊板碰撞時的沖擊力越大，物料沖擊破碎效果就越好，物料損傷程度越高，因此在隨后發生剪切破碎時板錘與物料、物料與反擊板之間的相互作用力就越小，可以從圖中相應時間區域內發生剪切破碎時的作用力對比看出。
2.2 轉子轉動慣量
通常每一種型號的反擊式破碎機所能破碎物料的范圍是一定的，這在很大程度上與該型號破碎機所安裝的轉子轉動慣量大小有關，在轉子轉速相同的情況下，不同轉動慣量的轉子所能提供的破碎力不一樣，即破碎能力不同，直接影響破碎機的性能。在其它條件不變的情況下，對轉子3種不同大小的轉動慣量2.44624e7 kg·mm2，4.66679e7 kg．mm2和7.80593e7 kg.mm2所產生破碎力的大小進行計算，從而分析轉動慣量對破碎力的影響。
對圖3、圖9和圖10不同轉動慣量時板錘與物料動態接觸受力以及對圖4、圖11和圖12物料與反擊板接觸受力過程的分析可知：物料發生沖擊破碎時，相同轉速下（圖3、4、9、10、11、12中轉子轉速均為700 r/min）轉子轉動慣量越大，板錘對物料以及物料與反擊板發生沖擊破碎力越大，圖3中物料發生沖擊破碎的時間段30—40 ms之間的沖擊力峰值大約為72萬N，圖9中在時間段50—60 ms之間的沖擊力峰值只有50萬N，圖10中在時間段20~30 ms之間的沖擊力峰值大約為88萬N，隨后物料發生剪切破碎時，反擊板受到物料的反作用力越小，物料越容易發生剪切破碎。
2.3各級反擊板角度不同對破碎效果的影響
各級反擊板的角度對石塊撞擊反擊板時所產生的有效破碎力影響較大，通常稱垂直于碰撞接觸界面的力為有效破碎力即能夠引起石塊發生破碎的力，最理想的情況是石塊每次與反擊板發生碰撞時能夠垂直于反擊板，同時不同角度的反擊板對物料發生沖擊與剪切破碎的效果影響也較大，改變一級反擊板角度后的有限元模型見圖13。
從圖14和圖15中物料與一級反擊板動態接觸力曲線可以看出，在40 ms附近物料發生沖擊破碎時以及在50 ms附近物料發生剪切破碎時的受力情況，通過與圖4中在時間段40 ms一60 ms之間數值的對比分析可知，減小一級反擊板角度對物料剪切破碎效果較好但不利于物料發生沖擊破碎，增大一級反擊板角度能夠增加沖擊碰撞的次數，增強沖擊破碎的效果，但不利于物料發生剪切破碎。通過對改變二級和三級反擊板的角度計算分析，可以得到與改變一級反擊板角度后相同的結論。
3、結論
本文在反擊式破碎機關鍵部件三維實體模型以及轉子一板錘一反擊板一石塊沖擊碰撞系統的動力學有限元分析模型基礎上，對沖擊破碎物料時破碎腔中各部件之間的受力狀況進行了分析，同時分析了轉速、轉動慣量和各級反擊板角度對物料破碎效果的影響，結果顯示：轉子轉速越高，轉動慣量越大，板錘與物料接觸碰撞時以及物料與反擊板碰撞時的沖擊力就越大，物料沖擊破碎效果就越好，物料損傷程度越強，在發生剪切破碎時板錘與物料，物料與反擊板之間的相互作用力就越小；減小反擊板角度對物料剪切破碎效果較好，但不利于物料發生沖擊破碎，增大反擊板角度能增加沖擊碰撞的次數，增強沖擊破碎的效果，但不利于物料發生剪切破碎。這些結論的獲得為改善破碎機的性能提供了理論分析基礎，降低了設計成本。
