固体废弃物破碎机的结构设计研究

密 级 学 号 040504 毕 业 设 计（论 文） 固体废弃物破碎机的结构设计研究院（系、部） ： 机械工程学院 姓 名： 廖廷林 年 级： 环 04-1 专 业： 环境工程 指导教师： 周翠红 教师职称： 副教授 2008 年 5 月 30 日北京 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文 固体废弃物破碎机的结构设计研究 系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院作者签名： 廖廷林 学 号： 040504 2008 年 6 月 20 日 固体废弃物破碎机的结构设计研究 摘 要 破碎是固体废弃物资源化处理过程中的重要环节，固体废弃物经破碎处理后，有利于它的分离、运输、混合和后续处理。由于对辊破碎机结构设计简单，过粉现象少，工作可靠，辊面上的齿牙形状、尺寸、排列可按物料性质进行设计，适应性强等特点，在固体废弃物的破碎处理中得到了广泛的应用，但是随着资源的枯竭，节能降耗理念的指导下，需要对传统的破碎设备进行优化设计，对它的关键部分进行特殊处理以延长其使用寿命。本文通过利用三维软件（UG NX ）建立它的虚拟样机，分析破碎机构在传动过程中运动机理，并用 UG NX 运动仿真分析它的运动状况和载荷传递情况；再使用 UG NX 高级仿真模块对对辊式破碎机的重要部件进行有限元分析，并用 NX Nastran 解算器进行解算分析，得出齿辊盘的应力集中或是受载比较大的地方，以便在加工过程中对它进行加固，从而延长齿辊盘的使用寿命和节约经济成本。 关键词：辊式破碎机，设计，UG NX ，运动仿真，有限元分析 I 固体废弃物破碎机的结构设计研究 Abstract In the solid recover process , the crusher is a importation step. After crushing , the solid waste can be easy to transport, mix, make later processing. As the structure of double roll crush is simple, fess powder, reliable operation. The design of tooth shape of surface, the size, the arrangement depend on the material nature, and so on. The roll crusher have widely use. with the resources depletion. In the idea of saving energy ,the design of roll crusher need to be optimized. The key part is disposed to delay its used life, this article set up the three dimensional of the UG NX software, analyzed the organization of crusher in the transmission process of the movement machine, and movement simulation analyzed it movement condition and the movement transmission situation with UG NX. Using the UG NX high-level simulation module for roller type part to carry on the finite element analysis again. To solver carries on the resolving analysis with UX Nastran, in order to find the great load and collect force part. So reinforce them in the production of practice, and delay their lives. Key words：double roll crusher ，design ，simulation ， finite element analysis II 固体废弃物破碎机的结构设计研究 目 录 第一章 前言 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 论文研究的目的及意义 . 4 1.3 论文有限元分析方法 . 6 1.4 对辊式破碎机的研究情况 . 7 1.5 论文研究的主要内容 . 8 第二章 破碎机的设计原理 . 9 2.1 动力源的选择 . 9 2.2 整体设计 . 9 2.3 破碎辊部的设计 . 10 2.4 破碎齿齿顶刃的螺旋分布置 . 15 2.5 破碎机片状固体废弃物破碎中的受力分析 . 16 2.6 破碎齿材质的选择与加工工艺的研究 . 17 2.7 工具钢的种类与适用范围 . 18 第三章 破碎机虚拟样机的设计计算与建模 .20 3.1 三维软件 Unigraphics（UG）的基本概述 . 20 3.2 样机的相关设计计算 . 21 3.3 样机的工作原理及特点 . 28 3.4 破碎辊的结构特点 . 29 3.4 虚拟样机建模 . 31 第四章 虚拟机的运动仿真 .34 4.1 运动仿真介绍 . 34 4.2 运动模型的分析与简化 . 34 4.3 创建连杆和运动副 . 35 4.4 运动仿真分析 . 36 第五章 破碎齿辊盘有限元分析. 39 5.1 有限元分析方法 . 39 III 固体废弃物破碎机的结构设计研究 5.2 有限元软件及网格单元的介绍 . 40 5.3 齿辊盘有限元模型的建立 . 41 5.4 模型后处理分析 . 44 第六章 结论与展望. 48 6.1 结论 . 48 6.2 展望 . 48 参考文献 .49 致 谢 .51 附 录 .52申 明 .55IV 固体废弃物破碎机的结构设计研究 第一章 前言 1.1 概述 1.1.1 破碎机的应用与发展 物料破碎是利用打击、冲击力或是研磨在颗粒内部产生向四方传播的应力波，并在内部缺陷、裂纹、晶粒界面等处产生应力集中，使物料首先沿这些脆弱面破碎的过程，而实现这一过程的机械被称为破碎机。 在当代飞速发展的工业技术中，破碎作业已经成了不可或缺的一个环节。在各种金属、非金属、化工矿物原料、建筑材料的加工和固体废弃物的处理过程中都需要对物料进行磨碎作业。由于物料的物理性质和结构差异很大，为适应各种物料的要求，破碎机的品种也是五花八门的。就金属矿选矿而言，破碎是选矿厂的首道工序，为了分离有用矿物，不但分为粗碎、中碎、细碎，而且还要磨矿。然而磨碎过程在整个产品生产加工过程中的能耗也是相当巨大的，而磨矿过程则是选矿厂能耗大户（约占全厂耗电的 50%） ，为了节能和提高生产效率，所以提出了“多碎少磨”的技术原则1。这使破碎机向细碎、粉碎和高效节能方向发展。另外随着工业自动化的发展，破碎机也向自动化方向迈进（如国外产品已实现机电液一体化、连续检测，并自动调节给料速率、排矿口尺寸及破碎力等）。随着处理规模的扩大，破碎机也在向大型化发展，如粗碎旋回破碎机的处理能力已达6000t/h。破碎机的结构、品种、应用等方面发展迅速，但理论研究落后于实践是个长期存在的问题，如新原理和新方式的破碎（如电、热破碎）尚在研究试验中，暂时还不能用于生产。目前在理论研究方面所获得的知识，主要还是用来说明试验的结果，而在预测机器的性能、选型以及设计计算，往往仍要凭借经验或试验。但随着现代科学技术的发展，物料的破碎技术越来越受重视，破碎理论研究迟缓落后的局面也在积极扭转。 1.1.2 破碎机理论的发展 (1) 早期破碎理论 早在十九世纪，许多的学者就粉碎能耗的关系问题纷纷提出自己的看法，其中最著名的有雷廷格尔（Rittinger ）的“面积说”，基克（Kick ）的“体积说”和庞德（Bond）的“裂缝说”，俗称破碎三大理论，数学表达式可以写成： 1 固体废弃物破碎机的结构设计研究 rdsdA =1（1-1 ） )( 理论RittingerkdvdA =2（ 1-2） )( 理论KickPFPFwwi100= （1-3 ） )( 理论Bond而这三大理论的表达式，可以统一由沃克公式表示为： xndxdE = （1-4 ） 当 n=1，1.5，2 时，将上式积分，就可以分别得到上述三大理论的表达式。 三大理论表达式采用以下粒度的表示法，“面积说”采用调和平均径；“体积说”采用加权几何平均径；而“裂缝说”采用 80%所有通过的方孔筛宽的尺寸来表示。他们采用的粒度都是靠经验确定的2。 实际运用中，这三大理论各自仅反映粉碎过程的某一阶段，互不矛盾。对于粗粒物料的粉碎过程，“体积说”比较接近于实际；对于细粒物料，“面积说”与实际过程较吻合；“裂缝说”适用于中等粒度的粉碎过程。 (2) 压层破碎理论 在 20 世纪 80 年代，人们在研究单颗粒破碎时发现，在空气中一次破碎的碎片撞击金属板时明显地产生二次破碎，一次破碎的碎片具有的动能占全部破碎能量的 45%。如能充分利用二次破碎能量则可提高破碎效率。也有人指出，较小的持续负荷比短时间的强大冲击，更有希望破碎物料。同时在对冲击力与挤压力对颗粒层的破碎效果进行研究后得出结论：静压粉碎效率为 100%，单次冲击效率为 35%40% 。为了节约能量，提高粉碎效率，应多用静压粉碎，少用冲击粉碎。如果使大批脆性物料颗粒受到 50MPa 以上的压力，就能够由“料层粉碎”节约出可观的能量。基于这两个认识形成了层压破碎理论，与传统的挤压破碎理论不同，传统的挤压破碎认为物料的破碎是基于单颗粒发生在颗粒与衬板之间。层压破碎认为物料颗粒的破碎不仅发生在颗粒与衬板之间，同时也大量发生在颗粒与颗粒之间。其特征是在破碎室的有效破碎段形成高密度的多个颗粒层，将充足的破碎功作用于物料颗粒群，在充分发挥层压破碎的同时充分利用了物料破碎过程中所产生的强大碎片飞动能对相邻物料进行再破碎，获得极高的破碎率。即便是比较2 固体废弃物破碎机的结构设计研究 大的排料口间隙也能大量生产细粒产品。料层物料颗粒之间的相互挤压，实现了选择性破碎，使那些强度低的针、片物料在层压破碎中首先破碎，故能产生颗粒量很高的物料产品( 针片状含量15%) 。 颚式破碎机是在这一理论的指导下应运而生的代表性破碎设备。 (3) 石石磨碎反应理论 通过物料与物料之间相互撞击、边缘剪切和摩擦的联合作用实现破碎物料。原物料从机器顶部送入分料斗，借助于控制门和分料挡板使原物料按一定比例通过料斗底部进入高速运转的转子或通过分料斗侧面的分料口落入破碎腔。原物料在破碎机的转子内被加速到很高的圆周速度，物料颗粒在离心力的作用下通过转子侧面出口高速向外飞出，与从分料口落下的物料颗粒发生非完全弹性碰撞，被击碎的物料又与破碎腔中其它颗粒反复撞击、磨碎，在腔内形成紊流，越接近破碎腔内壁，物料的颗粒越小，速度越低，不久后失去能量的物料便落入成品料斗。在此过程中，破碎腔内壁附近始终有一层小颗粒的低速物料，这一层物料又为破碎提供了一层石衬。这样，在物料破碎过程中只是物料颗粒之间的相互作用，因此被称为自生性破碎机。 (4) 粒层破碎理论 物料在大作用力情况下，一般为 150300MPa，其破碎比大，使物料层破碎，并且还使颗粒内部产生大的裂纹，使后续的磨矿能力大幅度增加，使产品的粒度更容易细化，其代表产品是辊压破碎机3。 1.1.3 破碎机的工作原理 破碎机械虽然类型繁多，但按照施力方法不同，对物料破碎有挤压、弯曲、冲击、剪切和研磨等方法。而在破碎机械中，施力情况很复杂，往往是几种施力同时存在，当然在某一台破碎机械中也只有一种或二种主要施力。由于物料颗粒的形状是不规则的，而且物料的物性不同，所以采用的粉碎方法也不同，利用机械力粉碎物料按施加外力不同有如下几种方法： (1) 压碎 将物料置于两块工作面之间，施加压力后，物 料因压应力达到其抗压强度而破碎，这种方法一般使用于破碎大块物料。 (2) 劈碎 将物料置于一个平面及一个带尖棱的工作平面 之间，当带尖棱的工作平面对物料挤压时，物料将沿压力作用线的方向劈碎。劈裂的原因是由于劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限。物料的拉伸强度极限比抗压强3 固体废弃物破碎机的结构设计研究 度极限小很多。 (3) 折碎 物料受弯曲应力作用而破碎。被破碎物料承受 集中载荷作用的两支点简支梁或多支点梁。当物料的弯曲应力达到物料的弯曲强度时，