顎式破碎機發展至今已有100余年的歷史，隨著社會經濟的不斷發展，破碎機已廣泛運用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利等部門。
國外從20世紀中后期便開始利用計算機仿真優化技術對顎式破碎機進行仿真優化分析，研制生產的破碎機整體性能較高。目前國內外有許多公司生產多種系列不同型號的顎式破碎機。但我國顎式破碎機機架的設計基本上采用傳統方法，即在破碎腔尺寸已定的情況下，通過類比法，按經驗確定其前、后、側壁的截面形狀和結構尺寸。采用這種傳統的方法，具有一定的盲目性，很難準確地設計出既經濟又滿足強度要求的機架。因此在實際生產中往往出現機架撕裂、動顎斷裂等主要部件過早失效而大大縮短整機使用壽命的現象。
近年來由于計算機的發展和計算仿真技術在工程領域的廣泛應用，已有不少破碎機生產企業采用仿真技術進行新產品的開發和研制。
本研究針對某公司設計生產的BP - 1100/700型顎式破碎機在使用過程中的動顎支架斷裂破壞問題，利用有限元計算分析軟件Ansys對動顎支架進行數值仿真計算，并進行結構改進。對比結構改進前后機架數值模擬分析及實際應用表明，提出的改進措施效果良好，解決了工程實際問題。
1、動顎支架受力分析
BP - 1100/700顎式破碎機是一種易于調整破碎粒度尺寸、具有較深且對稱的破碎腔的復擺式破碎機，其動顎由鑄鋼整體鑄造而成。依據動顎幾何構造、實際工作時受力特性及關聯部件的有關性能，假定動顎支架受力面僅為正向壓力，其計算簡圖如圖1所示。
2動顎原結構有限元分析
2.1動顎原結構有限元計算模型
按照設計圖紙尺寸在Ansys環境建立幾何模型，根據動顎支架的對稱性，計算時取其一半結構。為便于施加載荷，在動顎上增加一剛度較大的合金鋼面板來模擬抗磨襯板，同時模型中加上與動顎連接的肘板。單元類型采用軟件庫提供的Solid187，計算網格模型如圖2所示，原模型單元總數198 974個。
式中，M為電機輸入力矩；P為電機額定功率；n為電機額定轉速；F為肘板所提供的最大支撐力；a為肘板鑄鐵材料破壞強度；Smin,。為肘板最小橫戴面面積；Z為動顎支架可承載部分的長度；a為動顎支架轉動中心距可承載部位的最小距離；t為動顎承載面寬度；q為載荷集度。
對BP - 1100/700型動顎支架，q最大值取12MPa(電機最大功率及肘板接近破壞時，鑄鐵肘板破壞強度取最大250 MPa)。
2.3.2約束條件
對稱面對稱邊界條件，動顎與軸承連接圓柱面及肘板與機架連接底座面固定，肘板與底座粘接。
2.4動顎原結構計算結果分析
計算結果主要提取位移圖和等效應力圖如圖3和圖4所示。
從計算結果來看，動顎整體變形不大且比較均勻，基本沒有扭曲變形，最大位移為3.5 75 mm。在最大可能載荷(12 MPa)作用下筋板幾乎全部處于材料屈服狀態，同時多處應力達到其破壞強度( 450MPa)。最大應力發生在支架凹槽頂部，且筋板大面積處于高應力區域，尤其在筋板孔洞邊緣應力在400 MPa以上。這些與實際破壞位置相符，因此可以認為由于這些部位應力超過材料屈服極限，在循環載荷作用下，首先發生疲勞破壞，而最終導致動顎在凹槽附近產生斷裂。
3、動顎結構改進及其有限元分析
3.1動顎結構改進
基于對原動顎的仿真分析，為降低應力，提高使用壽命，對原動顎采用以下改進措施：以凸臺形式適當加厚筋板孔洞邊緣區域，降低其應力幅值；改進凹槽至動顎末端部分結構形式，去掉該部分筋板孔洞，加大倒角半徑，同時為減輕質量去掉末端擋板。
3.2動顎改進結構有限元分析
3. 2.1動顎改進結構有限元計算
按照設計圖紙尺寸在Ansys環境建立幾何模型，按照原結構分析方法建立計算模型。單元類型采用軟件庫提供的Solid187，改進網格模型如圖5所示，改進模型單元總數294 913個。
動顎改進結構有限元材料參數、施加載荷及約束條件同原結構。
3. 2.2動顎結構計算結果分析
計算結果主要提取位移圖和等效應力圖如圖6和圖7所示。從計算結果來看，動顎整體變形與原結構相似，最大位移為2.119 mm。在最大可能載荷(12 MPa)作用下應力分布與原結構有所不同，雖然筋板仍處于較高應力狀態，但由于結構形式的改變使應力分布趨于均勻，凹槽至末端部分應力水平有所提高，同時筋板其他部分最大應力有較大下降，尤其在筋板孔洞邊緣應力降到300 MPa以下。最大應力仍發生在動顎凹槽頂部，但最大值只有404 MPa，
4、動顎結構改進前后振動特性分析
為考察動顎結構改進對其動力學特性的影響，分別提取前12階固有頻率和相應主振型，對結構改進前后的動顎進行了自由模態分析。自由模態分析結果表明：改進前后動顎總質量由3 685.0 kg增加到3 988.6 kg，總質量增加8.2%；前12階固有頻率除前6階剛體振動頻率都為零或近似為零外，其余對應各階頻率均有提高，平均提高幅度在10%以上，具體數值見表2；觀察振動模態發現，結構改進前后各階主振型基本一致，即結構改進沒有引起其振動形式的改變。
5、結論
通過對BPII00/700型顎式破碎機動顎進行有限元數值模擬分析，發現造成動顎過早破壞的主要原因是原結構設計存在不合理因素，致使工作載荷作用下動顎局部應力過大，循環載荷作用的高交變應力環境導致動顎疲勞斷裂失效。并以此為依據對動顎進行了結構改進，即對高應力區域進行局部加厚，同時在原結構發生斷裂部位改變質量布局，以提高剛度和強度。改進前后強度和振動分析表明，在少量增加動顎總質量的情況下，大大提高了動顎的強度和剛度，且不改變其本身振動形式，在提高其使用壽命方面獲得了良好效果。實踐表明，本研究既解決了工程實際問題，又能為顎式破碎機動顎支架的結構設計提供有益參考。
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