1、虚拟样机的建模和仿真
1.1三维实体建模
固定式破碎机工作装置主要由回转马达、回转机构、动臂、斗杆、连杆、摇杆、液压锤、动臂油缸、斗杆油缸和转锤油缸等部件组成。以GTPH60 -4. 0/3.O -W型固定式破碎机为例，采用Solidworks 08软件对工作装置主要部件进行三维建模，然后根据结构特点和功能要求，采用同心、重合等几何约束关系将各零部件装配起来，得到整体装配图。结合仿真需要，将工作装置调整到合适的初始位姿，本文中将初始位姿定为各油缸全缩状态，如图1所示。
1.2仿真平台
COSMOSMotion 08是与Solidworks 08软件无缝集成的全功能运动仿真软件，可以对复杂机械系统进行完整的运动学和动力学仿真，它继承了装配体的约束关系，可以进行冗余约束检查和自动消除，并添加了马达模块来模拟直线和旋转驱动，可分别按位移、速度或加速度，通过等速、距离、振荡、插值和表达式来定义各种运动，得到系统中各零部件的位移、速度、加速度和作用力及反作用力等情况，并以动画、图形、表格等多种形式输出结果，以满足用户对运动仿真分析的诸多需求。
COSMOSWorks是一套强大的有限元分析软件，能对用Solidworks设计的实体模型进行静态、热力、振动频率、疲劳、流体、扭曲等多项工程分析，也可以进行优化设计和非线性分析，是目前广为流行的CAE软件。本文通过应用COSMO-SMotion对工作装置的运动分析后得出一系列数据，包括各时刻各部件的运动特性和受力情况，然后可以方便地在COSMOSWorks中进行模态分析和有限元等分析。
1.3仿真工况
根据GTPH60 -4. 013.0 -W型固定式破碎机的实际情况设定仿真时间为28s，然后按照各油缸工作顺序、油缸直径大小确定每阶段的时间分配，采用COSMOSMotion插件中内嵌阶跃函数STEP(TIME，tl，xl，t2，x2)，通过马达模块控制各油缸的伸缩位移，从而驱动液压锤锤尖实现期望的运动。为了获得工作范围的包络图、各构件的运动学和动力学特性，只需给出其在X-Y平面的仿真结果（马达旋转不作考虑），将各部件重力加入后，通过下列函数表达式实现整个工作过程的仿真。
动臂油缸位移表达式：STEP (TIME．10，0, 15, 0.65) +STEP (TIME, 23,0,28,-0. 65)；斗杆油缸位移表达式：STEP (TIME，O,0,6, 0.85)+STEP (TIME, 15,0,20,-0. 85)；转锤油缸位移表达式：STEP (TIME，6,0, 10, 0.45)+STEP (TIME, 20,0,23,-0. 45)。
通过动力学仿真结果，可以适时地分析各工况的受力情况，确定各部件出现危险工况的位置。
2、仿真分析
2.1运动学仿真分析
锤尖运动的速度、加速度与各油缸伸缩的速度和加速度有着严格的依赖关系，在进行运动控制时，将给定的锤尖位姿和速度信息变换为各油缸伸长的控制指令，从而驱动液压锤锤尖实现期望的运动。当工作装置的结构尺寸及油缸铰点已定时，工作范围主要取决于各油缸的选型尺寸。运行仿真后锤尖的运动轨迹如图2，即整个工作装置的运动极限包络图，然后在结果中可以得出各点的速度、位移、加速度等运动学相关特性参数曲线，并可以输出到execl中进行处理。例如从其位移曲线图3中，可以得出最大打击深度3810mm和最大工作高度5852mm，最大工作半径6467mm等，限于篇幅不予列举，在设计过程中可以根据客户现场需要合理选择油缸的长度。
2.2动力学仿真分析
对于工作装置中各部件的受力（例如液压缸推力的计算），目前多采用轨迹图法或根据几何约束关系建立力学方程组进行求解，设计过程相当烦琐，设计结果也不尽如意。在COSMOSMotion中将各部件重力载荷用引力模块计入，液压锤的载荷通过力模块中谐波函数加入，运行仿真后以油缸为例，从图4中可以直观地看出工作装置在动作过程中每一时刻各油缸的受力状况和极值出现的位置，从而为液压系统和控制系统设计，以及极限工况下相关构件的强度校核和改进设计提供了参考依据。除液压缸的受力外，还可以根据动力学仿真结果，得到各关键点的受力特性，为后面各部件转入COSMO-SWorks中做有限元分析提供依据。
2.3模态分析
由于固定式破碎机工作中存在振动不稳定的情况，在设计时必须对各部件进行模态分析。模态分析的主要任务是研究无阻尼系统的自由振动，特别是确定结构的固有频率，以便有效地通过改变构件质量或形状避开这些频率或最大限度地减小对这些频率的激励，从而消除过度疲劳或损坏。
模态分析中最重要的材料参数是质量和刚度，以动臂为例，首先建立三维模型和划分有限元网格，然后在COSMOSWorks中选择频率分析，并定义材料属性和边界条件，运行后程序给出前5阶的频率及振型如表1所示，限于篇幅，只给出4阶振型图如图5所示。
分析动臂在27, 035Hz和32.155Hz内会产生共振，在152. 36Hz会产生较大变形，由于破碎机电机的转速一般为800～900r／nun，其频率约为15Hz，破碎锤作为外界激励源，其频率在5～8Hz，根据以上分析，动臂前5阶模态频率与发动机和液压锤的工作频率没有产生重合，故动臂在工作过程中的振动是安全的。
2.4有限元分析
由于在动力学仿真结果中，可以方便地得到关键点的受力情况，工作装置中的各部件就可以在COSMOSWorks中进行有限元分析，同样以动臂为例，给出在最大工作半径工况时的有限元分析结果。静态位移如图6所示，最大位移8.677mm; VonMises应力分布如图7，最大应力为375. 2MPa。其他位置的应力、应变、位移及安全系数数据可以通过探测得知。本次分析中，除上盖板与轴套表面因线接触出现一处应力集中外，其他处经探测应力最大值为158. 6MPa，低于材料许用应力，为后续结构的改进和优化分析提供了依据。
3、结论
利用Solidworks 08软件中嵌入的COSMOS软件对GTPH60 -4.0/3．O-W型固定式破碎机进行了虚拟样机建模、运动仿真和有限元技术的分析，整个过程是相关联的，分析过程中所做的修改都会自动映射到仿真模型和工程图中，大大节省了分析时间，并在理论分析和实际相结合的基础上对仿真的结果做出正确评估，得到的相关数据对设计工作具有重要的指导意义，为合理匹配相关参数提供了理论依据。
