齒板是顎式破碎機(jī)破碎過程中直接與物料接觸的零件，由于齒板經(jīng)常受到擠壓、沖擊、碰撞，導(dǎo)致齒板極易磨損甚至失效，頻繁的更換齒板，將嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，因此，為了延長(zhǎng)齒板的壽命，本文通過建立有限元模型，分析齒板破碎過程中與齒距對(duì)破碎性能的影響，從而為齒板及齒距的改造提供依據(jù)。

一、有限元模型的建立

1、邊界條件和載荷

根據(jù)顎式破碎機(jī)的實(shí)際工作情況，定顎齒板的底面設(shè)置為固定約束，而動(dòng)顎齒板設(shè)置為周期性運(yùn)動(dòng)。幅值的圓周頻率設(shè)置為27.6rad/s。為和真實(shí)的破碎過程接近，對(duì)物料塊施加Z方向的重力載荷，考慮到物料進(jìn)入破碎腔具有一定的初速度，給物料塊施加Z方向的初速度v=0.1m/s。

2、齒板齒形

本文中研究的是梯形破碎齒。該齒形的使用有利于破碎出相對(duì)合理的產(chǎn)品粒度、粒形，所以被廣泛使用。m為齒根寬，t為齒距，a為齒形角，r為齒形圓角。本文中主要研究齒距單因素對(duì)破碎性能的影響規(guī)律，即設(shè)定齒根寬、齒形角和齒形圓角不變，而單獨(dú)改變齒距，即以m=35mm，α=25°，r=5mm，t分別為70mm、75mm、80mm建立有限元模型。

二、數(shù)值模擬分析

1、破碎行為

從力學(xué)機(jī)制上看，物料破碎主要表現(xiàn)分為兩種形式，即剪切破壞和拉伸破壞。按照采用的材料模型的失效原理，物料首先在大拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的部位產(chǎn)生裂紋。物料與破碎齒接觸的區(qū)域相對(duì)較小，作用區(qū)域在擠壓作用下出現(xiàn)初始裂紋。隨著齒板破碎齒的擠壓，接觸面迅速擴(kuò)大，在接觸區(qū)及其周圍萌生大量裂紋。微裂紋擴(kuò)展，相鄰單元達(dá)到大開裂拉應(yīng)變或者剪應(yīng)變失效準(zhǔn)則而發(fā)生破壞，在可視化結(jié)果中顯示破碎的效果。在每次齒板壓縮動(dòng)作下，都將經(jīng)歷發(fā)生壓實(shí)階段、微裂紋萌生和擴(kuò)展階段這兩個(gè)漸變期，終在某次齒板動(dòng)作下進(jìn)入斷裂破壞的突變階段。

結(jié)合75mm齒距的破碎過程來揭示物料在齒板破碎齒作用下的裂紋拓展模式。物料剛接觸破碎齒時(shí)，在接觸點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中，隨著進(jìn)一步壓實(shí)，單元因達(dá)到開裂應(yīng)變致出現(xiàn)一條或多條裂紋，并隨之拓展，物料裂解碎屑形成，其余的裂紋在物料體內(nèi)部成為殘余裂紋，在隨后的破碎環(huán)節(jié)中將加速破碎的進(jìn)展。兩塊齒板的破碎齒在空間上相互錯(cuò)開，故齒板和物料沖擊過程中內(nèi)部受到折彎作用，在塊體上部與兩個(gè)破碎齒接觸的中間區(qū)域產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力，又由于破碎齒的侵入而造成接觸區(qū)域邊緣局部拉應(yīng)力顯著增強(qiáng)，因而主裂紋從破碎齒旁的區(qū)域開始萌生拓展。

2、單因素條件下破碎性能與齒距的關(guān)系

由于齒距在齒形參數(shù)中是對(duì)破碎效果產(chǎn)生影響的重要參數(shù)，本文對(duì)破碎過程中的齒板大反作用力、齒板應(yīng)力、破碎程度這三個(gè)性能指標(biāo)對(duì)碎性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。齒板大反作用力體現(xiàn)了破碎物料所需要能量消耗的水平。齒板大反作用力在齒距為70mm～75mm之間時(shí)增加較為顯著，而齒距從75mm～80mm時(shí)，破碎力增大速度減緩。這就意味著，碎礦功率隨齒距的增大而增大，齒距從75mm再繼續(xù)增大時(shí)功率增加較緩。由此可知，要減小破碎物料的功率消耗可以通過減小齒距的措施來實(shí)現(xiàn)。齒板在實(shí)際制造過程中，冶煉、鑄造時(shí)形成的夾雜物和氣孔的缺陷或者金屬晶格缺陷在反復(fù)的沖擊、研磨作用下產(chǎn)生裂紋并繼續(xù)拓展，將造成齒板失效。表面應(yīng)力增大將加速齒板失效的進(jìn)程，應(yīng)力較小則有利于齒板使用壽命的延長(zhǎng)。從模擬結(jié)果看出齒距75mm和80mm的破碎效果要優(yōu)于70mm，在模擬的齒距中75mm齒距達(dá)到了破碎程度。這就意味著齒距在75mm～80mm之間，可以獲得比較良好的破碎效果。

三、齒距與破碎性能的灰色關(guān)聯(lián)分析

為分析齒距和各性能參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度，擬采用鄧聚龍?zhí)岢龅幕疑P(guān)聯(lián)分析法。灰色關(guān)聯(lián)分析法是建立在灰色系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的一種定量評(píng)價(jià)方法，以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)評(píng)價(jià)因素之間的發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似或相異程度，來衡量評(píng)價(jià)因素之間的關(guān)聯(lián)程度，用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱。關(guān)聯(lián)度可以知道:齒板大作用力和齒距的關(guān)系為密切，單元破壞質(zhì)量次之，和齒板應(yīng)力關(guān)系弱。故在單因素條件下調(diào)整齒距對(duì)齒板大反作用力影響為顯著。齒板大反作用力反映了能量消耗的水平，這個(gè)結(jié)論為齒板破碎齒的設(shè)計(jì)和改造提供了參考。

通過有限元模型的建立，分析顎式破碎機(jī)齒板與齒距對(duì)破碎性能的影響規(guī)律，得出了齒板的大應(yīng)力及優(yōu)齒距，為破碎機(jī)的改造提供了有效的參考依據(jù)。