近幾年來，國家對公路、鐵路等基建的投入日益加大，迫切需要大量的砂石。然而有限的天然砂資源已經不能滿足持續發展的需要，因此機制砂市場越來越大。機制砂市場的不斷增長，帶動了制砂設備的需求，特別是制砂用的立軸沖擊式
破碎機成為市場的熱點。
轉子是立軸沖擊式破碎機的主要工作部件，而主拋料頭是轉子中損壞最為嚴重的部件，其狀況如何不僅決定著破碎機的生產質量和效率，而且直接影響破碎機的可靠性、使用壽命和成本的首要因素。資料顯示，在我國目前所應用的立軸沖擊式破碎機中，強度本身已經不是影響其壽命的主要問題，最關鍵的問題是主拋料頭的磨損，而主拋料頭的磨損首先與拋料頭所受的載荷有關，所以對拋料頭的載荷研究是至關重要的。
1、破碎機的工作原理
立軸沖擊式破碎機主要由轉子、破碎腔、傳動機構和機架構成，其中轉子是立軸沖擊式破碎機的主要工作部件．如圖l所示。
物料由人料口進入破碎機，轉子在電機的帶動下高速轉動（轉速一般為1400-1800r/min），礦石靠轉子表面摩擦力和導向板等的作用隨轉子轉動，同時受離心力的作用向外拋射，當離開轉子時與主拋料頭發生碰撞，礦石以幾乎達到了轉子邊緣的線速度向外拋射，沖擊于破碎腔壁和分料器四周自由落下的一部分物料上發生粉碎，被破碎的物料由下部排料口排出，和循環篩分系統形成閉路，經多次循環，達到所要求的產品粒度。
立軸沖擊式破碎機的主要破碎形式就是擊碎。經過加速的石塊，在拋料頭的碰撞下，一部分與破碎腔發生碰撞破碎，一部分與石塊發生破碎，主拋料頭在石塊長時間的沖擊下磨損非常嚴重，經過一段時間后就必須更換，不然不但會影響破碎效果還會影響到轉子本體，轉子本體的磨損會影響其動平衡，容易造成主軸斷裂等不良后果，而更換一次立軸沖擊式破碎機的拋料頭需要0.3-0.5萬元，造成很大的浪費。主拋料頭的磨損主要是受到沖擊以后所產生的沖擊磨損（磨損后的拋料頭如圖2a所示），每一組拋料頭是有9個組成，從實際工況看，每次都是中間的3個磨損最為嚴重，為了不影響轉子的動平衡，每次更換都是全部更換造成很大的浪費，這時候就需要研究主拋料頭所受的載荷，以達到延長拋料頭的壽命的目的，但是試驗機不能很好地模擬立軸沖擊式破碎機的真實工礦，現實試驗又太費時費力，虛擬樣機技術是很好解決這個問題的方法．而ADAMS為實現虛擬樣機提供了很好的平臺。
2、破碎機轉子建模
立軸沖擊式破碎機轉子(以山特維克生產的RP109)主要由轉子本體、主拋料頭、副拋料頭、耐磨夾板、上耐磨板、下耐磨板、分料錐、定位塊、擋料板等180多個零件構成。在轉子本體的內側有6塊擋料板，這種結構使得轉子在加速物料的同時形成死料區以減少自身磨損，配合一定范嗣的轉速，使物料的破碎過程發生在轉子外部由物料自動形成的沖擊墻上。
在轉子中，主拋料頭的作用是導向。通過轉子對石塊的加速，在轉子內部形成渦流狀，通過主拋料頭的導向作用，使石塊改變方向沿著轉子的切線方向向外拋射，這樣就注定了主拋料頭的主要失效形式為沖擊磨損，因此需要對主拋料頭的材料進行特殊處理，來增加主拋料頭的耐磨性。
顯然，對應于破碎機的正常工作狀態，建模時，應當按照物料在轉子內部形成料層以后的實際形狀進行簡化。簡化后的轉子模型內部呈圓柱狀，物料與轉子的接觸由石子與金屬的接觸變為石子與石子的接觸，而且，石料被轉子加速后更容易拋出，這樣除主拋料頭外其余的零部件都與轉子合為一體，以此來模擬主拋料頭的實際工作過程。
以Solid Works為T具進行建模，并將SolidWorks文件另存為PARASOLID格式導入ADAMS中，導人的模型如圖2b所示。
3、設定模型的參數及約束條件
材料的設定：因為簡化后的轉子模型內部呈圓柱狀，物料與轉子的接觸由石子與金屬的接觸變為石子與石子的接觸，所以設定簡化后轉子本體的內側材料為石灰石，由于在ADAMS沒有默認的石灰石屬性，所以將轉子內側的屬性設定為：彈性模量4.le+010N/m2，密度為l500k/m3，泊松比為0.3．來模擬石灰石的屬性，設定轉子本體的外側材料為鋼，彈性模量設為：2.07e+O11N/m2．密度為：7801kg/m3．泊松比設為0.29；主拋料頭的屬性設置同轉子本體的外側材料。在ADAMS中轉子的入料口處加人物料，在實際工況中，需要破碎的物料一般為不規則形狀的石灰石，人料粒度是小于55mm，故本文中添加簡化尺寸為邊長20mm到50mm不等的立方體，設定屬性亦為石灰石屬性。
旋轉參數設定：在模型和大地之間加—個鉸鏈，在鉸鏈上設置—個旋轉運動，旋轉方向為逆時針，轉速分別設為1400r/min、1450r/nun、1500r/nun、1600r/min、1700r/min、1750r/min、1780r/min和1800r/min,據此來模擬物料經過不同加速后在離心力和摩擦力的作用下，經過主拋料頭的碰撞后被拋出的過程。石塊對轉子本體的沖擊力在另外的文章中另有敘述。
添加約束和接觸：在轉子本體的內側（材料為石灰石）和外側（材料為鋼）以及主拋料頭（材料為鋼）兩兩之間加上鎖定，使它們在運動中成為一體。在每一個物料上添加和轉子本體以及主拋料頭的實體對實體接觸，接觸力設為碰撞，剛度設為1.0e+008N/mm，阻尼比設為1.0e+004．穿透深度設為1.0e-004mm，摩擦力的設置按照庫侖摩擦設置，靜摩擦系數設為0.3，動摩擦系數設為0.1，其余的按照ADAMDS的默認設置。
仿真：時間為1.5s，steps為5000。確定這些參數的基本原則是，在保證石料全部被拋出的前提下，盡量節約時間并能提高仿真精度。
4、仿真結果
利用ADAMS軟件并按照前述的模型參數級約束設定，可以得到轉速為1400 r/min、1500r/min、1600 r/min、1700r/min和1800r/min時主拋料頭的總體受沖擊力情況，如圖3所示。
圖3中，每一次碰撞在圖中表現為一次峰值。可以看出，轉子在1400r/min時，石塊加速均勻，碰撞次數最多，在1.4454s時石料被全部拋出：1600r/min和1700r/min時所受沖擊力相對比較平穩，受的平均沖擊力（每次沖擊力之和除以受沖擊的次數）也相差不大．石料分別在1.33s和1.31s被全部拋出；在1800r/min時，碰撞次數最少。這可能是由于轉速的增大．石料未經過充分碰撞就被強大的離心力拋出轉子；雖然最大沖擊力和平均沖擊力是最大的，但是除了最大值外其余的沖擊力都比前幾個轉速的小。從圖3可以看出，在1800rpm時石料被全部拋出的時間只有1.25s．顯然，石料未經過充分的碰撞加速就被甩出轉子，對其破碎效果會有不利影響。這說明，破碎效果不總是隨著轉速的提高而變好，而且最大沖擊力和平均沖擊力很大還會加速主拋料頭磨損，長時間的沖擊磨損會使主拋料頭的壽命大大縮短，進而對轉子本體的動平衡造成很大的影響。因此，合理地選擇轉速對于增加主拋料頭的壽命和提高破碎效率非常重要。
通過ADAMS對仿真的后處理，得到主拋料頭的最大沖擊力和平均沖擊力隨主軸轉速變化的數值曲線，如圖4所示。
由圖4看出，最大沖擊力存轉速1500-1600r/nun以及1750-1780r/min時相對增幅較大，在1400-1500r/min和1600-1750r/min時相對較平穩，而平均沖擊力在1400-1450r/min和1650-1750r/min時相對增幅較大，在1450-1650r/min時相對較平穩。由于物料是立方體的，是平面還是尖面與主拋料頭接觸所產生的沖擊力是不同的，在最大和平均沖擊力突然變化的轉速區間，尖面與主拋料頭的碰撞的幾率很大，加劇了主拋料頭的磨損，從而影響更換主拋料頭的頻率，造成很大的浪費。由圖可以看出，最大沖擊力比平均沖擊力高兩個數量級，即物料對主拋料頭的瞬間沖擊力很大。由此可以知道．1400-1500r/min以及1600-1750r/min是主拋料共受力均衡，轉子能獲得平穩運轉的轉速區間；降低最大沖擊力的值和頻率非常必要，這既與轉子結構及相關參數的優化有關，還要分析進料粒度均勻性的影響和石塊與主拋料頭碰撞的主要區域。
5、結論
轉速是影響立軸沖擊破碎機破碎質量、效率以及壽命的重要因素．但破碎效果不總是隨著轉速的提高而提高，高轉速還會加劇主拋料頭的磨損，嚴重影響破碎機的使用壽命。仿真分析表明．1400 -1500r/min以及1600-1750r/min是主拋料頭受力均衡，轉子能獲得平穩運轉的轉速區間；此外，為了全面兼顧破碎機的破碎質量、效率以及使用壽命，降低最大沖擊力的值和頻率是至關重要的，因此既需要考慮轉子結構及相關參數的優化，還要分析進料粒度均勻性的影響。對于石塊和主拋料頭的主要碰撞區域的確定也是非常重要的，值得進一步研究。
