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**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较为严重的部件，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，较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个磨损较为严重，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．碰撞次数较多，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，碰撞次数较少。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；虽然较大冲击力和平均冲击力是较大的，但是除了较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．而且较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，得到主抛料头的较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，较大冲击力在转速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，在较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。较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：降低较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，降低较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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