圆锥破碎机是一种将物料破碎到一定颗粒的重型设备，在冶金、矿山、化工、电力等工业部门广泛应用。在化工部门，破碎粉磨机械将原料破碎粉磨，增加物料的表面积，为缩短物料化学反应的时间创造了有利条件。主轴、动锥及其衬板是圆锥破碎机的 关键部件，其设计参数的选择与确定直接影响圆锥破碎机的使用寿命和可靠性。同时，破碎机在正常的工作过程中，由于动锥衬板与物料直接接触，衬板的上载荷情 况极为复杂，难于求解，一般的设计部门对其研究的较少或只停留在理论分析阶段，因此本文将采用有限元法对三者进行静力学分析，较为准确的计算出应力分布情 况，为该类圆锥破碎机主要部件的设计提供有价值的参考数据。
 
         2圆锥破碎机简介
          圆锥破碎机主要有机架、皮带轮、水平轴、偏心套、上破碎壁（定锥）、下破碎壁（动锥）、液力偶合器、润滑系统、控制系统等几部分组成。其动锥固定在一个悬 挂竖轴上，竖轴置于水平轴上的偏心套筒内。工作时，电动机带动皮带轮或联轴器旋转，从而通过水平轴、偏心套、悬挂竖轴迫使动锥沿着定锥内表面作旋摆运动。 在动锥靠拢定锥的区段，物料受到动锥的挤压、撞击和弯曲作用而破碎，形成破碎腔;在动锥偏离定锥的地方，已被破碎的物料在自重作用下从锥底卸出。破碎机通 过连续性的工作实现对石料的持续破碎。
 
         圆锥破碎机的结构特点是所有主要功能部件都是独立的和分离的，只有当它们组成整体时才能完成机器的功能，如机器的架体与支承套的组合，调整套和支承套的组合，除在结构设计上采用了特殊的结构外，还必须设置一些可以锁紧的零部件。
 
         3圆锥破碎机主要零件及总体的设计
因为ANSYS 软件只能倒入立体图形进行分析，所以在进行各零件的有限元分析之前必须先做出各零件的立体造型。利用inventor 的三维立体造型功能做出个零件的三维造型。装配设计主要是进行零部件的装配和编辑，是基于装配关系的关联设计。在inventor 装配环境中，可将已有零部件装入并进行组装，检查各零部件的设计是否满足设计需要，并对不合要求的零部件进行修改，也可以在该环境中结合现有的零部件及其 装配关系创建新的零部件。此外，部件装配设计也是创建表达视图，动画，装配工程图等的基础。在此环境中，可以装入已有零部件，创建新的零部件，对零部件进 行约束，管理零部件的装配结构等关系。
 
           3.1 总体设计
          下图为总装配图：

         装配图上，1 为机架部，2 为传动部，3 为空偏心轴部，4 为碗形轴承部，5 为破碎圆锥部，6 为调整装置部，7 为调整套部，8 为弹簧部，9 为15/100 液压站，10 为基础部，11 为电控设备，12 为润滑部，13 为弹性联轴器，14 为环首螺钉，15 为安装工具，16 和17 均为吊钩。
          3.2 主轴
         下图为主轴的二维图和三维造型：

 
           3.3 圆锥破碎壁
          下图为圆锥破碎壁的二维图和三维造型：

 
         4圆锥破碎机主要零件的材料性能常数
         4.1 主轴的料性能常数
         主轴的材料为35SiMn2MoV，弹性模量为E=206GPa，泊松比为μ=0.3，密度为ρ=7.9×103kg/m3，所受破碎力为300MPa。
 
          4.2 圆锥破碎壁材料性能常数
         圆锥破碎壁的材料为ZGMn13，弹性模量为E=600GPa，泊松比为μ=0.22，密度为ρ=7.98×103kg/m3，所受破碎力为300MPa。
 
         5 基于ANSYS 的有关弹簧圆锥破碎机的有限元分析
         5.1 ANSYS 基本分析过程
         一般而言，ANSYS 的基本分析过程可以分为三步，即：前处理（Preprocessor）；施加载荷与求解（Solution）；后处理（Postprocessor）。
 
        5.2 主轴的有限元分析
        5.2.1 主轴的static 静态分析
       （1） 把用inventor 做出来的主轴的立体造型另存为sat格式。因为ANSYS 没有inventor 接口，不能直接导入inventor的文件，必须先把inventor 的文件另存为一个ANSYS 能识别的副本。
 
       （2）等待系统计算并生成网格图形。
 
       （3）在分析过程的相关步骤中输入主轴材料的性能常数。主轴的材料为35SiMn2MoV，弹性模量为E=206GPa，泊松比为μ=0.3，密度为 ρ=7.9×103kg/m3，所受破碎力为300MPa。主轴受力时的固定面为顶部和底部，受力面为主轴和圆锥躯体接触的部分，即从顶部往下数第三四五 节。选择分析类型为static 静态分析。
 
       （4）主轴受力后的应变图和应力图，受力后的变形情况和未受力时的形状以网格形式表示，前后对比，依次如下图。

 
        由应变图知，主轴zui大的位移DMX 为66.457mm，zui大应变SMX 为66.457mm/m2，由应变下方的标尺可知，主轴受力后，zui大变形发生在和圆锥躯体接触的部分也就是主要受力的部分，zui小变形发生在顶部和底部，也 就是*固定的部分。由应力图主轴受到的zui大应力SMX 为0.409×1011Pa,zui小应力SMN 为0.88×108Pa，由图下方的标尺可知，主轴受力后，受力zui大处为其与圆锥躯体接触的部分，尤其是与圆锥躯体接触的*节，也就是从左上方数的第三 节。根据主轴变形前后情况的对比可知，虽然仅仅观察主轴受力后的形状时，看不出主轴的明显变形，但是和变形前的原来的形状一比较就可以发现主轴还是有较明 显的变形的。主轴变形的形式是向轴线凹陷，应该是受压迫作用。工作时主轴绕固定轴线做偏心转动，通过改变圆锥破碎壁和破碎腔的空间大小来达到碾碎物料的作 用，主轴上连接圆锥躯体和圆锥破碎壁，它们之间不通过键连接，圆锥躯体和圆锥破碎壁根主轴之间的运动关系是随动，它们和主轴的运动并不一致。可看出主轴是破碎机工作时的主要受力元件，所以主轴失效的事故常有发生，这和破碎机显示的工作情况相符。
 
        5.2.2 主轴的modal 模态分析
       （1）接着静态分析往下做，将主轴变回网格造型，如下图。主轴受力时的固定面为顶部和底部，受力面为主轴和圆锥躯体接触的部分，即从顶部往下数第三四五节。选择分析类型为modal 模态分析。
       （2）在模态分析中选择6 阶，观察第4 阶的分析结果。
       （3）主轴受力后的变形情况和轴变形前后的形状，以网格形式显示。依次如下图所示。

         由图知，模态分析中的主轴受力后变形较静态分析时明显，变形程度较大。因为是受到以三角函数形式变化的载荷的作用，主轴也呈现出振动的变形特点，呈现扭曲 的形状，变形十分明显，zui大位移DMX 为0.123×10- 5mm，zui小应变SMX 为0.123×10- 5mm/m2。由图下方的标尺知道主轴变形zui大的地方是主轴和圆锥躯体接触的地方，即从左上方往下数第三节到第四节，第五节，形变也比较大，但是比第三四 节要小，而这三节是相对来说形变zui大的几节，也就是说主要受力的部分就是形变zui大的地方。变形zui小的地方是被固定的顶部和底部，应变为0。
 
        根据主轴变形前后的情况对比可知，主轴在模态分析的状态下，变形十分明显，偏离原来形状的程度很大，模态分析状态下，主轴呈现出振动的特点，即受拉伸也受 到压迫作用，主轴在以三角函数形式变化的载荷的作用下，近乎扭曲，如果选择材料不当，主轴很容易失效。主轴是破碎机工作部分即破碎圆锥部的主要工作构件， 在工作时受到很大的破碎力，是zui容易失效的构件，这和在静态分析与模态分析中得出的主轴的变形都很明显的结论相符。通过和下面圆锥破碎壁与圆锥躯体的变形 情况对比，可知主轴变形在三个破碎圆锥部中的主要构件中是zui明显的。
 
        5.3 圆锥破碎壁的有限元分析
        5.3.1 圆锥破碎壁的static 静态分析
        （1）在分析过程的相关步骤中输入圆锥破碎壁材料的性能常数。ZGMn13 的弹性模量为6E11Pa，泊松比为0.22。密度为7980kg/m3。破碎力是300MPa。圆锥破碎壁的底部为受力中的固定面，受力面为与圆锥躯体 接触的部分即它的整个锥面。选择分析类型为static 静态分析。等待系统计算并生成网格图形。
        （2）圆锥破碎壁受力后的应变图和应力图，受力后的变形情况和未受力时的形状，变形前后对比。依次如下图。

 
          由应变图知，圆锥破碎壁zui大的位移DMX 为5.658mm,zui大应变SMX 为5.658mm/m2，由应变下方的标尺可知，圆锥破碎壁受力后，zui大变形发生在和圆锥躯体接触的部分也就是主要受力的部分即锥面的上半部分，而整个锥 面也是相对变形较大的部分，zui小变形发生在底部，也就是*固定的部分。由应力图知，圆锥破碎壁受到的zui大应力SMX 为0.893×1010Pa，zui小应力SMN 为0.107×107Pa，由图下方的标尺可知，圆锥破碎壁受力后，受力zui大处为其与圆锥躯体接触的部分，即整个锥面，受力zui小的地方是被*固定的底 部，几乎为0，而且由图知道，圆锥破碎壁的受力比较均匀，受力zui大处不是太明显。这种受力状况应该是比较理想的。
 
          根据圆锥破碎壁变形前后的形状比较，可以知道圆锥破碎壁的变形形式是整个锥面以对称的方式向外延伸，近乎膨胀，由此可推测，圆锥破碎壁受到拉伸作用。圆锥 破碎壁的作用主要是碾碎物料，在工作中受到的力还是很大的，所以通过比较受力前后的形状，虽然它叫主轴变形没有那么明显，但还是不难观察它的变形。
 
          5.3.2 圆锥破碎壁的modal 模态分析
         （1）接着静态分析往下做，将圆锥破碎壁变回网格造型，圆锥破碎壁的底部为受力中的固定面，受力面为与圆锥躯体接触的部分即它的整个锥面。选择分析类型为modal 模态分析。
 
         （2）在模态分析中选择6 阶，观察第4 阶的分析结果。
 
         （3）圆锥破碎壁受力后的变形情况和变形前后的形状，依次如下图所示。

 
         由图知，模态分析中的圆锥破碎壁受力后变形较静态分析时明显，变形分布的情形也大不相同，而且变形程度较大。zui大位移DMX 为0.143×10- 5mm， zui小应变SMX 为0.143×10- 5mm/m2。由图下方的标尺知道圆锥破碎壁变形zui大的地方是圆锥破碎壁和圆锥躯体接触的地方，和静态分析时的应变状况相似，变形较大的地方集中在整个锥 面及主要的受力面，变形zui大的地方是锥面上的中间的一小部分圆形的地方，前后对称。变形zui小的地方是被固定的底部，应变为0。这种应变的情况较静态分析时 的情况没有那么理想。根据圆锥破碎壁变形前后的形状比较，可知圆锥破碎壁的变形形式是整个锥面以对称的方式向里凹陷，由此可推测，圆锥破碎壁受到压迫作 用。圆锥破碎壁的作用主要是碾碎物料，在工作中受到的力还是很大的，所以通过比较受力前后的形状，虽然它较主轴变形没有那么明显，但还是不难观察它的变 形。
 
         在使用ANSYS 的过程中，zui大的考验和困难就是为导入的零件三维模型划分网格。它需要在理想的条件下完成对零件的各种分析，所以如果零件的模型太复杂，特别是倒角太多 时，就会划分失败。因此这个软件适用于不太复杂的零件的分析。在使用这个软件时的第二个重点是选择零件的建模方式，ANSYS 的建模方式有很多种，有壳式的，也有实体，因为零件都是不太复杂的零件，所以在选择建模方式时都选择实体，Brick 里的8node 45 或20node 186，但是后者相对建模太细致，可能会导致划分网格失败。不过就相对。ANSYS 可以为用户显示分析构件变形前后的形状对比，让用户很直观地观察构件的变形情况。可能在分析零件的应力应变时会觉得这个构件受力后没有变形，但是根据理论 计算的知识，构件在受到那么大的破碎力的时候肯定会有所变形，这时就需要认真比较构件受力前后的形状，从而肯定自己的想法，构件是有变形的，只是变形大小 的问题。通过比较，可以知道构件变形大不大，是否容易在工作中失效，再跟实际情况相比较，进行更深入地研究。