层压式颚式破碎机毕业设计(论文)开题报告.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文）开题报告系（部）： 机械系 2013 年 3 月 28日 课题名称层压式颚式破碎机学生姓名刘晓专业班级B090201课题类型工程设计指导教师刘建寿职称教授课题来源生产1 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.领域 物料破碎是指利用外力将大颗粒变成小颗粒物料的过程，相应所使用的设备叫破碎机械。物料粉碎或者磨碎是利用外力将小颗粒物料变成粉体物料的过程，相应所使用的设备叫做粉磨机械。破碎与粉磨合起来简称碎磨，相应所使用的设备简称碎磨机械。物料碎磨工艺广泛用于冶金、矿山、煤炭、水利、建筑、建材、环保和化工等工业部门，在相应生产工艺中起着关键性的作用，决定着后续工艺能否有效进行。 传统破碎粉磨设备多以单颗粒破碎原理为其设计指导原则，从而导致相应设备的笨重、低效和高能耗。近年来国内外兴起一种称为层压破碎的新型破碎粉磨工作原理，可极大提高破碎粉磨设备的工作效率，改善破碎粉磨产品质量，降低破碎粉磨工艺能耗。本文基于层压破碎原理，对挤压类破碎粉磨设备工作机理和工作性能进行深入研究，为开发新型、高效、节能和环保的现代高能破碎粉磨设备奠定基础。如图 1-1 所 2 破碎粉磨理论研究现状物料破碎粉磨理论的发展与人类的生活和生产发展是同步的，相辅相成的。物料破碎粉磨工艺与人类经济生活密切相关，例如在冶金矿业、非金属矿、建筑建材、煤炭、环保、化工、饲料、化妆品、造纸、微电子、光学、生物、医药、陶瓷和食品等部门得到广泛应用。随着现代科学技术和经济社会的不断发展，为人们研究破碎粉磨理论提供强有力的手段。近年来，人们以先进的实验手段从不同的角度和视野深入而广泛地进行诸如撞击、挤压、冲击、爆炸等破碎粉磨实验，取得许多令人瞩目的研究成果。 根据物料入料形式的不同，破碎可以分为为单颗粒破碎和层压破碎，后者又称为料层破碎、颗粒群破碎或粒间破碎。所谓单颗粒破碎是指压力、撞击力、拉力或剪力作用于单个物料颗粒的破碎事件。单颗粒破碎是所有其它类型破碎的基础，国内外学者在过去的一百多年来做了大量的研究工作，取得许多有意义的成果。所谓层压破碎，是指物料破碎不仅发生在物料与衬板间的作用，而且更多地发生在散体物料颗粒之间的挤压、碰撞、冲击和研磨作用，颗粒间自身的相互作用而破碎的过程使料层呈现出许多特有的破碎规律。层压破碎是近年来国内外兴起的一个专门的碎磨研究领域，国内外学者做了大量的研究工作，取得不少研究成果，开发了一系列实用的节能环保碎磨设备。层压破碎研究现状在现代工业生产中，绝对意义上的单颗粒静压破碎和冲击破碎是不存在的，更多的碎磨设备是以单颗粒破碎和层压破碎共同工作的。例如，对于颚式破碎机和圆锥破碎机，在靠近给料口处存在某中形式的单颗粒破碎，然而在其它区域更多的是以层压破碎的形式工作的。对于球磨机和高压辊磨机，则完全以层压破碎的破碎原理工作。因此，仅对单颗粒物料破碎进行研究是远远不够的，不能很好地反映大多数碎磨设备的工作机理。因此，必须对层压破碎进行深入研究，探讨层压破碎工作机理的本质，为深入探索碎磨设备破碎工作性能和研制开发新型碎磨设备奠定理论基础。近几十年来，层压破碎已成为粉碎工程学的一个重要的研究领域。对层压破碎的深入研究，对贯彻执行“多碎少磨”的选矿新工艺有着重要和深远的意义。根据应变速率大小的不同，可以把散体物料层压破碎分为静压/准静态层压破碎(应变率-1 1.0s)动态冲击层压破碎(应变率-1 1.0s)。 (a) 静压/准静压层压破碎研究在大多数碎磨设备中，如颚式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机和高压辊磨机等都属于静压或准静压层压破碎。对静压和准静压层压破碎的研究，对研制开发新型高效破碎粉磨设备有重大指导意义。近几十年来国内外学者做了大量的研究工作，取得许多研究成果并成功应用于现有碎磨设备的改进设计和新型设备的研制开发，例如高压辊磨机，为提高设备工作性能和各大矿山实施“多碎少磨”等节能降耗新工艺做出重要贡献。静压/准静压层压破碎实验研究工作原理如图1-4所示，其研究内容包括层压破碎能耗、料层应力应变本构关系、破碎函数和选择函数模型、层压破碎过程数值仿真等。 (b) 动态冲击层压破碎研究在碎磨设备中，冲击式破碎机、球磨机等破碎粉磨设备是以冲击层压破碎原理工作的，因此冲击层压破碎成为粉碎工程学的重要研究方向之一，其实验工作原理如图1-5所示，其研究内容包括层压破碎能耗、料层的应力应变本构关系、选择函数和破碎函数模型、层压破碎与冲击速率关系模型、冲击层压破碎过程数值仿真等 我国挤压类破碎粉磨设备自从20世纪中叶仿制成功以来，没有得到大的发展，其水平基本停留在发达国家第一代和第二代产品的水平了，严重影响了各相关使用部门的经济效益。特别是近年来，随着“多碎少磨”等新工艺的提出和全球矿石品位日趋贫化，而采矿和选矿规模不断增大，需要处理的原矿量急剧增加，传统挤压类破碎粉磨设备已不能满足各生产部门的使用要求。然而，引进这类高能挤压类破碎粉磨设备，非常昂贵，不仅浪费大量外汇，还严重影响我国装备制造业的技术储备。为有效解决这些问题，必须对散体物料破碎原理，挤压类破碎粉磨设备工作机理和工作性能等进行深入研究，对传统挤压类破碎粉磨设备进行改进和优化设计，为研制开发具有完全自主知识产权的现代高能挤压类破碎粉磨设备奠定理论基础3挤压类破碎机腔形模型研究现状挤压类破碎机腔形是由动颚衬板和定颚衬板所形成的工作空间，是物料破碎的场所。破碎腔形的好坏，对破碎机的经济技术指标影响很大。合理的腔形可以改善破碎产品粒度和粒形，降低破碎能耗，从而提高破碎机用户的经济效益。国内外学者以提高破碎机产量和改善破碎产品质量为目标，对挤压类破碎机腔形进行了优化(a) 国外对挤压类破碎机腔形研究 日本在颚式破碎机中采用 S-T 型腔形，如图 1-17(a)所示，在破碎腔的下部设计一段同曲率的弧型“平行区”，物料到达平行区后，受到层压破碎。 日本神户制钢有限公司基于层压破碎原理，研制开发如图 1-17(b)所示颚式破碎机层压腔形，从而大大提高破碎机生产率，改善了破碎产品质量。 美国学者研究了图 1-17 (c), 1-17 (d)所示的颚式破碎机的几种曲线腔形，其共同特点是采用曲线腔形，使破碎腔堵塞点上移，提高了破碎机工作性能（b） 国内对挤压类破碎机腔形研究我国自从 20 世纪中叶开始仿制各类挤压类破碎粉磨设备成功以来，腔形对破碎机性能的重要影响已经引起国内学者的广泛关注，并做了大量的研究工作，为开发新型破碎粉磨设备奠定基础。 同济大学根据“固定容积”原理设计出如图 1-20(a)所示细碎颚式破碎机腔形，该腔形下部有一段平行区可实现层压破碎，从而提高破碎效率。 北京矿冶研究总院基于工态啮角，对细碎颚式破碎机腔形进行优化，研制出层压曲线腔形，如图 1-20(b)所示，极大地提高了破碎机工作性能。 太原理工大学基于颚式破碎机运动特性和物料流动状态的定量分析，建立了优化设计模型，开发如图 1-20(c)所示曲线腔形，改善了破碎机工作性能。 江西理工大学对层压破碎机理进行实验研究和计算机仿真分析，提出了如图1-20(d)所示颚式破碎机层压破碎腔形 武汉科技大学提出分层破碎假说，如图 1-21(a)所示，建立颚式破碎机腔形优化模型，得到如图 1-21(b)、1-21(c)、1-21(d)和 1-21(e)所示的几种优化腔形腔形是影响挤压类破碎机性能的重要因素之一。国内外学者对挤压类破碎机腔形进行了许多研究工作，为实现 “多碎少磨”和“以碎代磨”新工艺和开发新型破碎粉碎设备做出重要贡献。国内外学者的工作主要是以曲线腔形代替传统的直线或折线腔形，提高了破碎机堵塞点，从而提高了破碎机生产率，改善了破碎产品质量。然而，现有研究并没有揭示腔形对挤压类破碎机性能的影响，未考虑腔形设计与破碎机工作参数之间的内在关系，因此相应的曲线腔形不能有效地发挥作用。在生产实践中，曲线腔形磨损严重，导致腔形曲线很快失去原有形状，影响腔形应有工作性能。4 破碎粉磨理论研究意义国内外对单颗粒破碎原理和层压破碎原理进行了大量卓有成效的研究工作，取得一大批研究成果，揭示了散体物料破碎原因，为改进和优化现有破碎粉磨设备和研制开发新型、高效、节能和环保的现代高能破碎粉磨设备提供理论依据。国内外学者对散体物料的单颗粒破碎原理进行了广泛深入探讨，取得了以三大破碎理论为代表的研究成果，为深入研究层压破碎奠定了基础。层压破碎是近年来兴起 的一种先进破碎理论，被称为碎磨技术革命。国内外学者对层压破碎进行研究，利用研究成果成功开发高压辊磨机，为各大矿山和建筑建材等行业部门节能降耗做出重要贡献。然而，国内外利用层压破碎研究成果对其它挤压类破碎机，比如颚式破碎机和圆锥式破碎机等，研究较少，在国内基本为空白 基于层压破碎的挤压类破碎机应用分析层压破碎可极大地提高破碎粉磨设备生产率，改善破碎产品质量，提高破碎粉磨工艺效率，降低破碎粉磨设备能耗，因此得到国外众多破碎粉磨设备生产厂家的青睐，在挤压类破碎机上实现层压破碎的优越性、基本前提和可行性等进行分析。 优越性分析实验研究和生产实践表明，层压破碎与单颗粒破碎相比较，有极大的优越性，可极大地提高破碎机生产率，改善破碎产品质量，降低破碎能耗。提高生产率层压破碎给料充足，物料填充度高，破碎粉磨设备生产率高。以机重相同的基于单颗粒破碎原理的国产 PYB1200 弹簧圆锥破碎机与基于层压破碎的芬兰美卓 HP400圆锥破碎机进行对比研究，如表 1-1 所示，基于单颗粒破碎原理的国产 PYB1200 圆锥破碎机最小生产率和最大生产率分别为 110 吨/时和 168 吨/时，而基于层压破碎原理的美卓 HP400 圆锥破碎机最小与最大生产率分别为 355 吨/时和 700 吨/时。可见，基于层压破碎原理的高能圆锥破碎机可以极大地提高生产率。改善破碎产品质量单颗粒破碎产品质量较差，产品粒度较大，标定排料粒度小，针片状含量高。层压破碎是一种选择性破碎，散体物料沿着岩石裂缝、晶体缺陷等应力集中处进行破碎，破碎产品质量高，标定排料粒度高，针片状产品含量低。如表 1-1 所示，PYB1200圆锥破碎机标定排料粒度不到 20%，而 HP400 圆锥破碎机标定排料粒度达到 68%。此外，前者针片状产品含量高达 15%，而后者针片状含量不到 8%，可见层压破碎可极大地提高破碎产品质量。降低破碎能耗破碎粉磨工艺过程中能量的消耗形式主要是破碎有用功、摩擦发热、破碎噪声、设备机械功消耗等。仅仅考虑单颗粒物料破碎的本身功耗，其能量利用率是非常高的，然而基于单颗粒破碎原理的各种破碎粉磨设备，能量利用率非常低。德国学者 K.肖纳特对单颗粒破碎进行试验研究后认为，若单颗粒破碎能量消耗利用率为 100%，则各种传统破碎机均不超过 40%，这是由于基于单颗粒破碎原理的传统破碎机，有大量能量以热能、动能的形式消耗。美国学者 B.H.佰格特龙在进行单颗粒物料破碎时发现，物料破碎后所产生碎片飞溅能达到总输入能的 45%，表明有大量的输入能量以热能、动能等形式消耗。然而，层压破碎可以最大程度地利用破碎过程的飞溅动能。研究表明，基于层压破碎原理的辊式破碎机能量利用率高达 70%。此外，如表 1-1 所示，基于单颗粒破碎原理的 PYB1200 圆锥破碎机，比能耗为 0.65 千瓦/吨，而基于层压破碎原理的HP400圆锥破碎机比能耗为0.45千瓦/吨，比PYB1200圆锥破碎机低44.4%。因此，层压破碎可以最大程度地提高能量利用率。2. 研究的基本内容，拟解决的主要问题 1. 课题的研究范围和内容国产挤压类破碎粉磨设备性能落后，基本停留在国外第一代、第二代产品的水平了，严重地影响了我国装备制造业的水平，降低了各相关使用部门的经济效益。为提高我国装备制造业技术水平，改善我国破碎机生产厂家和用户的经济效益，基于先进层压破碎原理和现代优化设计方法，对挤压类破碎粉磨设备工作机理和工作性能进行深入研究，建立挤压类破碎粉磨设备多目标规划模型，为研制开发具有自主知识产权的新型、高效、节能和环保的现代高能国产挤压类破碎粉磨设备奠定理论基础。围绕以上目的，可把本文的主要研究内容分为：(1) 工作机理研究挤压类层压破碎机工作机理研究主要是对挤压破碎腔内的层压破碎过程进行深入研究，从而确定层压破碎过程本构关系模型、能耗模型、破碎过程选择函数模型和破碎函数模型等。对挤压类破碎机层压破碎选择函数模型和破碎函数模型进行实验研究，建立选择过程和破碎过程与破碎机工作和结构参数之间关系模型，实现对挤压类破碎机层压破碎产品粒度进行计算。(2) 工作性能研究挤压类破碎机工作性能研究包括基于层压破碎的生产率模型研究、产品粒度分布模型研究和腔形性能模型研究。i. 生产率模型研究传统挤压类破碎机基于单颗粒破碎原理，其生产率计算模型大都是基于破碎站统计数据进行回归分析而得到的经验公式，往往只能适合于现有破碎机，对新型破碎机则无法应用。基于层压破碎的挤压类破碎机，由于给料充分、均匀给料且给料粒度均匀，因此生产率大幅提高，传统经验公式不再适用。本文基于层压破碎原理，对散体物料在破碎腔内运动特性进行深入研究，提出挤压类破碎机生产率物理计算模型。ii. 破碎过程操作模型基于破碎矩阵模型、层压破碎过程选择函数模型和破碎函数模型，建立挤压类破碎机层压破碎过程操作模型，可对散体物料在破碎腔中的分层层压破碎过程进行描述，从而实现对破碎产品粒度的仿真、计算和控制。iii. 腔形性能模型传统挤压类破碎机腔形设计只需保证给排料口尺寸、平行区长度等符合相应机械标准和用户要求，啮角能有效咬入物料即可，一般根据工程师经验进行，没有相应理论指导。基于层压破碎原理，散体物料运动特性，生产率计算模型和破碎过程操作模型，对挤压类破碎机腔形进行分层研究，提出无堵塞无待料现象层压破碎曲线腔形设计模型。2 基本前提层压破碎具有区别于单颗粒破碎的特有性质，为在挤压类破碎粉磨设备上实现层压破碎，必须满足一些基本前提和假设。充分给料要求为充分发挥挤压类破碎机工作性能，在对破碎机进行给料时必须满足充分给料要求，否则破碎机存在待料现象，将对破碎机生产率、破碎产品质量和衬板磨损等产生重要影响。均匀给料要求挤压类破碎机工作过程中的均匀给料情况对破碎机工作性能有重要影响。当均匀给料得到保证时，破碎机破碎力分布合理，衬板磨损均匀，有利于发挥破碎机的最大工作性能。在国外现代高能挤压类破碎机中，均采用旋转布料器实现对破碎机的均匀给料，从而保证破碎机工作性能的充分发挥。旋转布料器已经标准化，可根据需要进行选用。给料粒度均匀性要求为保证在挤压类破碎机中实现层压破碎，必须保证给料粒度分布均匀。当给料粒度分布不均，存在大小颗粒相差甚远时，可能存在细粒效应，产生细粒颗粒对大颗粒的破碎保护作用，从而影响破碎机工作性能的充分发挥，因而必须保证给料粒度分布均匀。在国外现代高能挤压类破碎机中，均通过给料筛分来保证给料粒度分布要求物料可破碎性要求散体物料必须满足可破碎性要求，物料强度不能超过破碎机可处理的最大强度。另外，破碎腔中应该尽量避免铁块等非破碎物进入。物料强度均匀性要求当给料物料组成混杂时，存在各种物料强度不均现象，强度大的物料对强度小的物料产生保护作用，从而降低强度较小物料的破碎概率和产品粒度。此外，强度不均产生破碎腔衬板受力不均，从而导致衬板磨损不均。因此，为提高破碎机工作性能，改善零部件受力，充分发挥层压破碎性能，应该尽量保证给料物料强度的均匀性要求。重要影响。3 可行性分析本节基于层压破碎原理及其基本前提和假设，对在挤压类破碎机上实现层压破碎的可行性进行分析。层压破碎根据层压破碎概念，当散体物料占破碎容积的 40%以上时，实现完全层压破碎。由于挤压类破碎机充分给料，且配备布料器，可保证均匀给料，物料填充度可达55%，因此可以满足完全层压破碎要求。节能降耗层压破碎可实现节能降耗，为了最大程度地提高能量利用率，层压破碎给料必须满足一定条件。已有研究表明，当散体物料在 6-10 层时，节能降耗比较明显。一般地，给料当量平均粒度一般为允许最大给料粒度的一半左右，因此给料层物料层数为2 左右。参考 PYB1750 圆锥破碎机粒度优化结果可知，堵塞层高度为 93 毫米，当量物料平均粒度为 9.45 毫米，因此给料料层数为 9.8 层，堵塞层满足最佳给料料层数要求。因此，从给料层至堵塞层，给料物料料层数从 2 层变化至 9.8 层，表明接近堵塞层物料给料层数满足最佳给料层要求，可实现最大程度节能降耗，而在靠近给料层的破碎层，给料料层数大于 2，比能耗稍高，但相比单颗粒破碎，亦能实现节能降耗。静压层压破碎已有研究表明，挤压类破碎机衬板对散体物料冲击速度一般不超过 1.0 米/秒，因此属于静压层压破碎，有利于提高和改善挤压类破碎机的层压破碎效果。细粒效应和松散效应细粒效应描述细粒对粗粒的破碎保护作用，一般发生于粉磨工艺中，在破碎工艺中较少发生，因此在挤压类破碎机中可以不考虑细粒效应。松散效应描述使散体物料重新取向并松散再压，从而提高层压破碎效果。在挤压类破碎机中，衬板对各破碎层物料均有一定的冲击作用，有利于散体物料重新取向，从而实现一定程度的松散效应。物料填充度当破碎腔内物料填充度达到或超过 0.6 时，散体物料层压破碎效果显著，当达到0.84 时，层压破碎效果达到最佳状态。挤压类破碎机破碎腔内各破碎层物料填充度一般为 0.55-0.75，因此满足显著改善层压破碎效果要求。可通过改进破碎腔形设计，使层压破碎效果达到最佳状态。综上所述，对传统挤压类破碎机进行改进设计，可方便地实现层压破碎，从而提高挤压类破碎机生产率，改善破碎产品质量，实现节能降耗。