国外从20世纪中后期便开始利用计算机仿真优化技术对颚式破碎机进行仿真优化分析，研制生产的破碎机整体性能较高。目前国内外有许多公司生产多种系列不同型号的颚式破碎机。但我国颚式破碎机机架的设计基本上采用传统方法，即在破碎腔尺寸已定的情况下，通过类比法，按经验确定其前、后、侧壁的截面形状和结构尺寸。采用这种传统的方法，具有一定的盲目性，很难准确地设计出既经济又满足强度要求的机架。因此在实际生产中往往出现机架撕裂、动颚断裂等主要部件过早失效而大大缩短整机使用寿命的现象。
近年来由于计算机的发展和计算仿真技术在工程领域的广泛应用，已有不少破碎机生产企业采用仿真技术进行新产品的开发和研制。
本研究针对某公司设计生产的BP - 1100/700型颚式破碎机在使用过程中的动颚支架断裂破坏问题，利用有限元计算分析软件Ansys对动颚支架进行数值仿真计算，并进行结构改进。对比结构改进前后机架数值模拟分析及实际应用表明，提出的改进措施效果良好，解决了工程实际问题。
1、动颚支架受力分析
BP - 1100/700颚式破碎机是一种易于调整破碎粒度尺寸、具有较深且对称的破碎腔的复摆式破碎机，其动颚由铸钢整体铸造而成。依据动颚几何构造、实际工作时受力特性及关联部件的有关性能，假定动颚支架受力面仅为正向压力，其计算简图如图1所示。
2动颚原结构有限元分析
2.1动颚原结构有限元计算模型
按照设计图纸尺寸在Ansys环境建立几何模型，根据动颚支架的对称性，计算时取其一半结构。为便于施加载荷，在动颚上增加一刚度较大的合金钢面板来模拟抗磨衬板，同时模型中加上与动颚连接的肘板。单元类型采用软件库提供的Solid187，计算网格模型如图2所示，原模型单元总数198 974个。
式中，M为电机输入力矩；P为电机额定功率；n为电机额定转速；F为肘板所提供的最大支撑力；a为肘板铸铁材料破坏强度；Smin,。为肘板最小横戴面面积；Z为动颚支架可承载部分的长度；a为动颚支架转动中心距可承载部位的最小距离；t为动颚承载面宽度；q为载荷集度。
对BP - 1100/700型动颚支架，q最大值取12MPa(电机最大功率及肘板接近破坏时，铸铁肘板破坏强度取最大250 MPa)。
2.3.2约束条件
对称面对称边界条件，动颚与轴承连接圆柱面及肘板与机架连接底座面固定，肘板与底座粘接。
2.4动颚原结构计算结果分析
计算结果主要提取位移图和等效应力图如图3和图4所示。
从计算结果来看，动颚整体变形不大且比较均匀，基本没有扭曲变形，最大位移为3.5 75 mm。在最大可能载荷(12 MPa)作用下筋板几乎全部处于材料屈服状态，同时多处应力达到其破坏强度( 450MPa)。最大应力发生在支架凹槽顶部，且筋板大面积处于高应力区域，尤其在筋板孔洞边缘应力在400 MPa以上。这些与实际破坏位置相符，因此可以认为由于这些部位应力超过材料屈服极限，在循环载荷作用下，首先发生疲劳破坏，而最终导致动颚在凹槽附近产生断裂。
3、动颚结构改进及其有限元分析
3.1动颚结构改进
基于对原动颚的仿真分析，为降低应力，提高使用寿命，对原动颚采用以下改进措施：以凸台形式适当加厚筋板孔洞边缘区域，降低其应力幅值；改进凹槽至动颚末端部分结构形式，去掉该部分筋板孔洞，加大倒角半径，同时为减轻质量去掉末端挡板。
3.2动颚改进结构有限元分析
3. 2.1动颚改进结构有限元计算
按照设计图纸尺寸在Ansys环境建立几何模型，按照原结构分析方法建立计算模型。单元类型采用软件库提供的Solid187，改进网格模型如图5所示，改进模型单元总数294 913个。
动颚改进结构有限元材料参数、施加载荷及约束条件同原结构。
3. 2.2动颚结构计算结果分析
计算结果主要提取位移图和等效应力图如图6和图7所示。从计算结果来看，动颚整体变形与原结构相似，最大位移为2.119 mm。在最大可能载荷(12 MPa)作用下应力分布与原结构有所不同，虽然筋板仍处于较高应力状态，但由于结构形式的改变使应力分布趋于均匀，凹槽至末端部分应力水平有所提高，同时筋板其他部分最大应力有较大下降，尤其在筋板孔洞边缘应力降到300 MPa以下。最大应力仍发生在动颚凹槽顶部，但最大值只有404 MPa，
4、动颚结构改进前后振动特性分析
为考察动颚结构改进对其动力学特性的影响，分别提取前12阶固有频率和相应主振型，对结构改进前后的动颚进行了自由模态分析。自由模态分析结果表明：改进前后动颚总质量由3 685.0 kg增加到3 988.6 kg，总质量增加8.2%；前12阶固有频率除前6阶刚体振动频率都为零或近似为零外，其余对应各阶频率均有提高，平均提高幅度在10%以上，具体数值见表2；观察振动模态发现，结构改进前后各阶主振型基本一致，即结构改进没有引起其振动形式的改变。
5、结论
通过对BPII00/700型颚式破碎机动颚进行有限元数值模拟分析，发现造成动颚过早破坏的主要原因是原结构设计存在不合理因素，致使工作载荷作用下动颚局部应力过大，循环载荷作用的高交变应力环境导致动颚疲劳断裂失效。并以此为依据对动颚进行了结构改进，即对高应力区域进行局部加厚，同时在原结构发生断裂部位改变质量布局，以提高刚度和强度。改进前后强度和振动分析表明，在少量增加动颚总质量的情况下，大大提高了动颚的强度和刚度，且不改变其本身振动形式，在提高其使用寿命方面获得了良好效果。实践表明，本研究既解决了工程实际问题，又能为颚式破碎机动颚支架的结构设计提供有益参考。
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