（机械制造及其自动化专业论文）新型圆锥齿辊破碎机的理论分析与应用研究.pdf

摘要 摘要 破碎机是许多基础行业的共性设备，对新型高效节能破碎机的研究日益成 为业界的重大课题。本文以一种新型圆锥齿辊破碎机为研究对象，对其做了以 下几方面的研究。 ( 1 ) 在查阅相关参考文献和对两大矿厂的调研的基础上，分析了国内外破 碎机的研究现状和发展趋势，指出该新型圆锥齿辊破碎机的优势和对其研究的 意义。 ( 2 ) 应用s o l i d w o r k s 建立了该设备的三维模型，针对该新型破碎机在实 际作业中出现的如自动释放能力差、衬板更换不便等问题，设计了一种全新的 壳体自动开闭机构。并运用s i m u l a t i o n 工具对其中的关键部件进行了应力分析， 确定了合理的结构尺寸。 ( 3 ) 设计了其液压控制系统，实现了壳体开闭的自动化，大大改善了其操 作性能，提高了其市场竞争力。 ( 4 ) 建立了该新型破碎机的破碎功耗模型，通过分析计算，得到了该设备 的破碎功耗公式，设计并进行相关实验，对该功耗公式进行验证。分析了其产 品粒度特性，建立了粒度特性方程，最终通过实验结果与计算结果的对比，肯 定了该功耗公式可用于新型圆锥齿辊破碎机工程实际计算。 作者提出并成功设计了一种新颖的自动开闭壳体方案，应用经验公式结合 实验的方法研究了该新型破碎机的功耗问题，这对其他类型破碎机的结构改造 和功耗研究都具有一定的指导意义。 关键词：破碎机；大破碎比；改造；破碎理论；功耗；液压系统 a b s t r a c t ab s t r a c t c r u s h e ri sac o m m o nd e v i c ei nm a n yb a s i ci n d u s t r i e s ，t h er e s e a r c ho fe n e r g y e f f i c i e n tc r u s h e ri si n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga m a j o ri s s u ei ni n d u s t r y i nt h i sp a p e r an e w t y p ec o n ep i nr o l lc r u s h e ri sr e s e a r c h e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) o nt h eb a s i so fa c c e s s i n gt or e l e v a n ti n f o r m a t i o ni nt h el i t e r a t u r ea n d i n v e s t i g a t i o no ft h et w om i n e s ，t h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n db o t ha th o m e a n da b r o a da r ea n a l y z e d ，t h es u p e r i o r i t yo ft h i sn e w t y p ec o n ep i nr o l lc r u s h e ra n d s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hf o ri ta r ep o i n t e do u t ( 2 ) t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ee q u i p m e n ti sc r e a t e db yu s i n gt h es o f t w a r e s o l i d w o r k s ，t ot h ep r o b l e m sa p p e a ri na c t u a lo p e r a t i o no ft h i sn e wt y p ec r u s h i n g m a c h i n e ，s u c ha sb a da u t o m a t i cr e l e a s e 、i n c o n v e n i e n c eo fr e p l a c e m e n t ，an e wa u t o m a t i c o p e n i n ga n dc l o s i n gm e c h a n i s mo ft h es h e l li sd e s i g n e d t h ek e yc o m p o n e n t sa r e a n a l y z e db yu s i n gs i m u l a t i o nt o o l s ，s ot od e t e r m i n er e a s o n a b l es i z eo ft h es t r u c t u r e ( 3 ) n y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ea u t o m a t i o no ft h i ss h e l lo p e n i n ga n d c l o s i n gm e c h a n i s mi sr e a l i z e d ，t h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s o ft h i se q u i p m e n ta r eg r e a t l yi m p r o v e d ( 4 ) t h ep o w e rc o n s u m p t i o nm o d e lo ft h en e wt y p ec r u s h e ri se s t a b l i s h e d p o w e r c o n s u m p t i o nf o r m u l ao ft h ee q u i p m e n ti sg o tt h r o u g ha n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，a r e r d e s i g n i n ga n dc o n d u c t i n ge x p e r i m e n t , t h ep o w e rc o n s u m p t i o nf o r m u l ai sv e r i f i e d t h e g r a i ns i z ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o d u c t si sa n a l y z e d ，t h eg r a i ns i z ec h a r a c t e r i s t i c e q u a t i o n sa r ce s t a b l i s h e d ，b yc o m p a r i n gt h ef i n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc a l c u l a t e d r e s u l t s ，t h er a t i o n a l i t yo ft h ep o w e rc o n s u m p t i o nf o r m u l ai sc o n f i r m e d ，c a nb eu s e di n e n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o nf o rt h i sn e wt y p ec o n ep i nr o l lc r u s h e r an e wa u t o m a t i cs h e l lo p e n i n ga n dc l o s i n gm e c h a n i s mi sp r o p o s e da n d s u c c e s s f u l l y d e s i g n e db yt h ea u t h o r , u n d e rt h ea p p l i c a t i o no fe m p i r i c a lp o w e rc o n s u m p t i o nf o r m u l a c o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t a lm e t h o d ，t h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft h i sn e wt y p ec o n ep i n r o l lc r u s h e ri s r e s e a r c h e d ，w h i c hh a sd i r e c t i v e s i g n i f i c a n c e t ot h es t r u c t u r e m o d i f i c a t i o na n dt h er e s e a r c ho f p o w e r c o n s u m p t i o no f o t h e rt y p e so f c r u s h e r s k e yw o r d s ：c r u s h e r ；l a r g ec r u s h i n gr a t i o ；t r a n s f o r m a t i o n ；b r o k e nt h e o r y ；p o w e r c o n s u m p t i o n ；n y d r a u l i cs y s t e m i i 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源与背景 岩矿粉碎技术设备及破碎机是国民经济中许多基础行业的共性设备，其中 涵盖了冶金、选矿、建材、煤炭、火电、化工、非金属矿加工及新材料等众多 行业领域，并且破碎机是这些行业生产流程中的关键设备。各行业用于粉碎作 业的总电耗已经占全国发电量的5 以上。全国每年有上百亿吨岩矿物料需要 粉碎，上百万吨钢材消耗于粉碎作业。因而粉碎作业的节能降耗对国民经济 具有重要意义。目前各行业中大多数使用的破碎设备仍较落后，大部分仍是1 9 世纪中叶的产品。这些经上百年生产的传统机型存在至今，一方面证实了这些 设备的可靠性，但是事实上它们的能耗高、效率低、消耗高、振动大、扬尘污 染严重等诸多问题日渐暴露，亟待改进和提高。因此发展高效节能破碎设备， 发展大型破碎设备，将新技术、新材料引入破碎设备，研究碎矿过程的机理及 提高破碎效率的途径，提高设备的可靠性和寿命等是破碎机械发展的趋势眩1 。 基于对节能破碎方式、高效生产工艺、使用可靠设备结构的研究，在充分 市场调研、反复论证的基础上，新乡四达有限公司自主研发了该新型圆锥齿辊 破碎机。旨在更新传统落后设备，改善传统碎矿工艺，使之成为相关企业旧装 备改造的替代产品，进口同类产品的替代产品，为用户创造效益，为提升企业 核心竞争力，为节能减排做贡献。我所要做的工作是对该产品进行理论分析和 结构改造，提高其使用性能和产品竞争力，本人所做的工作就是对现有的新型 设备进行功耗、产量以及工作机理进行理论分析，并针对市场需求对其进行结 构改造，提高其实用性能。 1 2 机械粉碎方法 现行的粉碎机械种类繁多，工作原理都是依靠破碎机械的工作部件对物料 直接施力使其发生破碎，所用到的施力方法各有所不同，主要有以下几种粉碎 方法：挤压、冲击、剪切、弯折和剥磨等，其具体的工作方式如下图1 1 所示。 l 绪论 ( a ) 季率蚕 图1 1 破碎机对矿石的施力方式 c a ) 挤压：( b ) 冲击；( c ) 剪切；( d ) 弯折；( e ) 剥磨 这几种机械破碎的施力方式是较为常见的破碎方式，但是没有目前没有任 何一种破碎机所采用的是单一的破碎方式，每种破碎机中往往以一种破碎方式 为主，兼以其他破碎方式为辅，比如颚式破碎机和圆锥破碎机中以压碎力为主， 同时兼有弯折力作用，而球磨机中以剥磨和冲击方式为主，破碎机械都是以其 工作部件通过不断施力于破碎对象，因此又都具有一定的冲击效果3 。 矿石是破碎的对象，是硬而脆的晶体聚合材料，它的力学性质依破碎力的 不同而表现出不同的抗破碎性能：矿石硬度大，则抵抗挤压的能力就强；矿石 脆性大，则对其施加弯折和剪切作用效果较好，对其进行剥磨作用容易造成过 粉碎；矿石又是不同矿物的聚合体，力学性质极不均匀，存在很多力学上的脆 弱面，故抵抗冲击的能力很差。通过理论分析表明，对岩矿石来说，抗压强度 最大，抗剪强度次之，抗冲击强度则最下，若取抗压强度为1 ，抗剪强度则为 1 2 - 2 1 3 ，其余较小，可见能设法使岩石受到剪切弯曲以及冲击作用有利于减小 破碎力，降低机械破碎功耗。 1 3 国内外破碎机发展现状 1 3 1 颚式破碎机 颚式破碎机最早出现于1 9 5 8 年，现在看来已经属于很古老的破碎设备，但 至今广泛应用在建材、化工和矿山等以破碎机为主要生产设备的行业里，这与 其简单的结构、可靠的工作性能、低廉的价格、维护简单方便、占地面积小等 特点是分不开的，按照动颚的运动特性来分，主要分为两种类型：简单摆动型 颚破以及复杂摆动型颚破，两者之间的主要区别在于，复摆型颚破具有跟简单 的结构，而且动颚的运动轨迹比简摆型要复杂，在水平和竖直方向上均有运动 2 1 绪论 州。在破碎流程中，它大多应用于粗碎和中碎阶段，它存在以下几大缺点：破 碎比较小，能耗比较高，台效较低，并且破碎过程容易间断，颚板磨损速度快 导致更换频繁等。针对这些缺点，可以通过改进破碎腔型、优化设计整体结构、 这套设备加入自动控制系统、引进新的耐磨材料应用于衬板等方法加以改善。 在研究人员的不懈努力下，诞生了一些新型颚破，比如一种全新概念的机型一 一筛分颚式破碎机，顾名思义，它在传统的破碎系统中加入了筛分系统，大大 简化了破碎工艺流程，并且减少了破碎机的卡堵和过粉碎现象，这对生产效率 有很大的提高；另外还有双腔双动颚式破碎机，它的工作原理类似于圆锥破碎 机，相对于同规格的其他颚破，它具有更大的处理量和处理效率、大破碎比( 高 达2 0 到5 0 ) 以及更好的维护性1 5 】。总之，随着社会进步的要求和科技的不断 发展，会出现更多更新型的颚破设备投放市场。 1 3 2 圆锥破碎机 圆锥破碎机按照工作性质可以分为粗碎和中细碎两种，按结构和功能可分 为悬挂式、托轴式、振动式三种【6 j 。以粗碎圆锥破碎机中的旋回破碎机为例， 它的主要工作机构由可动圆锥和固定圆锥组成，矿石就是在这个破碎腔中由动 锥带动压向定锥发生破碎的。旋回破碎机体积很大，所以一般置于地下，它具 有很大的产量和破碎功率，因此常常作为选矿的第一段破碎，在动锥齿板磨损 后，排矿口的调整和衬板的更换都很麻烦，所以配备自动调节排矿口的装置很 有必要，这就出现了液压旋回破碎机，它与普通旋回破的区别在于主轴悬挂点 的支撑环处安装有液压缸，或者在主轴底部安装液压缸，支撑主轴，液压旋回 破碎机调整排矿口就比较方便，通过控制液压缸压力即可实现i _ 7 1 。 惯性圆锥破碎机是我国与俄罗斯米哈诺布尔合作的产品，该机型于1 9 9 2 年在国内试制成功并得到推广。它属于高效节能型细碎破碎机，具有较大的破 碎比。与传统的圆锥破碎机相比，具有以下很多优点，首先它良好地实现“料 层粉碎”，这样极大地降低了单位破碎比功耗；其次，它具备较大的破碎比， 并且通过特殊的结构设计实现产品粒度的可调，并且调节范围很广，这样就可 根据实际产品情况及时进行调节，减少了过大落料粒度和过粉碎现象，很大程 度上简化了破碎工艺流程，并且减少了衬板磨损对产品粒度的影响；再次，它 具有强大的排除硬物的能力，保证了破碎过程的顺利进行，在一定程度上为客 户节省了时间；另外，它能破碎任何硬度的物料，具有极广泛的市场应用【引。 3 1 绪论 1 3 3 立式冲击破碎机 立式冲击破碎机是利用高速运动的物料间的撞击破碎和相互摩擦之类的相 互作用所产生的粉碎，因此比较适宜应用于较硬和腐蚀性物料的粗碎和细碎， 这是一种高效节能的破碎方式，并且立式冲击破碎机的结构简单紧凑、价格低 廉，因此在破碎行业得到了较为广泛的应用【9 1 。近些年来，随着破碎理论和各 种科学技术的不断发展，这种类型的破碎机也得到了快速发展。 1 3 4 反击式破碎机 反击式破碎机与立式冲击破碎机原理类似，都属于利用冲击功破碎物料的 设备，利用冲击力破碎物料的破碎机，要比以静压力挤压作用破碎物料的破碎 机优越许多。颚式破碎机和圆锥破碎机均是以挤压破碎作用为原理的破碎机， 而反击式破碎机是以冲击力“自由破碎原理来对物料进行破碎的【1 0 1 。反击式 破碎机出现的比较晚，但是它的发展和市场占领速度很快，这与它自身的特点 是分不开的。 1 3 5 辊式破碎机 辊式破碎机是一种最为古老的碎矿设备，由于它的结构简单、可靠性高等 特点，所以一直沿用至今，主要用于矿石的中细碎作业。但是这种破碎机处理 量较小，占地面积却很大，所以其应用范围并不广，主要应用在小型矿等对设 备成本比较重视的地方。它的主要结构是两个相向旋转的圆辊，在破碎过程中， 物料落入两个辊子之间，在物料和辊子摩擦力的作用下被卷入辊子间形成的破 碎腔产生体积破碎，破碎产品在重力作用下从两个辊子间的间隙处排出【1 1 】。 总之，发展高效节能破碎设备，发展大型破碎设备，将新技术、新材料引 入破碎设备，研究碎矿过程的机理及提高过程效率的途径，提高设备的可靠性 和寿命等是破碎机械发展的趋势。 1 4 破碎设备调研情况 1 4 1 德兴铜矿 德兴铜矿简介 4 1 绪论 江西德兴铜矿是我国最大的露天铜矿，目前日开采量达到l o 万吨，预计开 采3 5 年，每年的铜产量达1 2 万吨，德兴铜矿共有两个采场，铜厂采场和富家 坞采场，采场的原矿石经过粗碎后送往选矿厂进行选矿，德兴铜矿共有两个选 矿厂，大山选厂和四洲选厂，在选厂经过中碎，细碎，浮选，然后送往精尾厂， 我们此次调研的主要地方就是泗洲采场、大山选矿厂和泗洲选矿厂。 其中大山选矿厂是国家“七五”计划重点工程一德兴铜矿三期工程的重要组 成部分，设计日处理量6 万吨，前三万系统1 9 9 1 年建成投产，后三万系统1 9 9 4 年 建成投产，2 0 0 2 年实现6 万讹的生产能力2 0 0 8 年，德铜启动了3 万伽的扩建项 目，预计2 0 1 1 年，大山选矿厂选矿规模由目前6 2 万枷增至9 2 万们扩建项目 建成后，其主要设备将包括1 2 台破碎机，6 台双层振动筛，1 8 台单层振动筛，9 台 5 5 m 8 5 m 球磨机，1 台1 0 3 7 * 5 1 9 m ，生产能力为2 2 5 万们的半自磨机，1 台 7 3 2 1 0 6 8 球磨机，3 台3 6 * 6 o m 溢流型球磨机等相关的破磨设备所以大山选矿 厂也是我们重点调研的厂区 矿石特点【l 1 j ： 德兴铜矿原矿主要是斑雀岩，其中包括两种矿石，具有不同的机械物理性 质，其中一种是天然粒级较小，自身缺陷较多的千枚岩型矿石，硬度达到莫氏 硬度在2 7 左右，这种矿石利于破碎，并且占矿山矿石含量的7 0 以上；另外 一种花岗岩长岩型矿石硬度较大，并且集结成较大的矿块，较难破碎，但是它 在矿山矿石中的含量只占到了3 0 以下。基于以上的矿石组成，可以得出，德 兴铜矿的矿石比较适宜于破碎，在实际破碎过程中，入料最大物料粒度为l m ， 经过大型旋回破碎机破碎至1 8 0 m m ，再经由圆锥破碎机组的中碎和细碎破碎至 物料粒度为1 2 1 5 m m ，从而便于进入下一级磨矿。 破碎工艺流程： 如下表1 1 、1 2 所示为大山选矿厂的破碎工艺流程，其采矿区有两台来自 沈重的大型旋回破碎机，矿区采集的爆破后的原矿，通过l o o t 电动轮运送至旋 回破碎机，矿石经旋回破碎机破碎至1 8 0 m m 左右再通过火车输送到大山选矿 厂进行中碎和细碎，德兴铜矿大山选矿厂是国内乃至国际上最大、配备最先进 的选矿厂，在这里，通过大型的皮带输送机将采矿区运送过来的矿石运至破碎 车间，破碎车间分为两个破碎组，正常工作情况下，保持轮休制，以方便破碎 5 i 绪论 齿板的定期更换、缓冲设备的检修时间、避免设备故障造成的减产，可见，大 型选矿厂对破碎设备可靠性的要求之高。如此复杂冗繁的破碎流程也暴露了， 在金属矿山选矿厂的建设和生产中，破碎回路的投资之高、生产费用之高、能 耗之巨大、占地面积之大、操作维护之冗繁，必将影响破碎经济效益。目前， 国家积极倡导节能减排，尤其是作为矿业行业这种电能消耗大户，节能即为核 心竞争力，所以德兴铜矿不惜赤巨资打造节能高效的半自磨系统。 德兴铜矿对引进设备的要求如下：设备进厂后，在调试周期内要对设备进 行综合评价，其中包括处理量、工作参数( 正常工作时电流、转速) ，同时要 综合考量处理量和台效( 单台设备物料处理效率，要求提高产品粒度合格率， 尽可能减少循环次数) ；衬板更换周期应满足9 0 0 小时，避免延误生产任务， 设备的维护要求简单方便，操作性强。 表1 1 大山选矿厂破碎工艺流程 表1 2 泗洲选矿厂破碎设备使用情况 现有破碎设备及应用性能( 与改造前的设备比较) 表1 3 现有破碎设备及应用性能 s v e d a l 卜h 8 0 0 0 圆锥具有处理能力大、自动化程度高、故障率低的优 点，因而二系列引进两台s v e d a l a - h 8 0 0 0 圆锥替代了两台s y m o n s 圆锥 6 1 绪论 破碎机。2 0 0 0 年底完成安装调试，在此基础上一系列引进两台山德维克一h 8 8 0 0 圆锥替代了两台s y m o n s 圆锥破碎机，2 0 0 4 年底完成安装调试。最新安装的 进口m p 8 0 0 圆锥破碎机是江铜集团德兴铜矿改扩建中细碎厂房安装工程中的 核心设备，总重量为1 2 0 5 7 吨，是目前世界上最大型的破碎机，也代表着最大 的破碎功率，这是任何类似规格的传统破碎机都无法企及的。此次m p s 0 0 圆锥 破碎机在江铜德兴铜矿的成功运转，将彻底改变该企业中细碎作业的面貌，大 幅度扩展中细碎的生产能力，下面重点介绍一下美卓m p 8 0 0 。 美卓m p 系列破碎机的简介【1 2 】 图1 2 美卓m p 8 0 0 外形图 采矿以及水泥生产行业以及其他以破碎设备为主要生产设备的行业，一直 都在追求以最少的生产成本投入极大地提高其生产能力，而目前市场上能有自 信给予这个承诺的破碎设备生产商中，美卓一定不会缺席。美卓矿机正是依靠 诺德伯格m p 系列圆锥破碎机让这一目标成为现实，m p 系列破碎机结构紧凑， 坚实耐用，这也是破碎行业对破碎设备的迫切要求，m p 系列拥有着许多独特 的设计理念：液压控制排料口尺寸、旋转定锥、自动过铁释放以及无限制大给 料口等，下面作简要介绍。 ( 1 ) 稳定性好：根据在线监测系统反馈信号，通过液压装置自动调节排料 口，从而保证破碎机时刻保持恒定的排料口，这对保持良好的产品粒度分布具 7 l 绪论 有重大的意义，也在一定程度上减少了物料的返回次数，节能降耗； ( 2 ) 衬板寿命长：当齿板磨损到一定程度时，通过大型的螺纹副旋转定锥 来调整排矿口尺寸，也使得破碎腔实现均匀磨损，有效利用衬板部件，延长衬 板生命周期； ( 3 ) 可靠性高：在遇到硬物，比如金属矿物富集的矿石或者金属部件进入 破碎腔时，通过四周的液压缸将整个定锥体顶起，从而使硬物顺利落料，并迅 速回到工作状态，这保证了破碎机流畅作业，在一定程度上提高了生产效率； ( 4 ) 破碎能力强：无限制给料口设计，说明m p 系列强大的破碎能力，能 将较大的矿石破碎，实现较高的破碎比，这正体现了美卓矿机极大的自信心。 ( 5 ) 应用广泛：m p 系列设计有多种不同的转速、多种类型的破碎腔，因 此应用范围更加广泛，并且它的齿板具有通用性，即一个动锥锥体适合所有衬 板腔型，更进一步增强了m p 系列的应用能力，同时外加备件的通用性不仅使 美卓减少了备件，同时也给客户带来了更方便的使用性。 ( 6 ) 维护方便：在对m p 系列进行常规维护时，可以使用它人性化的按钮 拆卸功能，更换部件如衬板时较为方便。另外破碎机主轴衬套应用青铜材料， 经久耐用，确保在最苛刻的破碎环境中达到最佳负载能力。 以上是美卓矿机核心竞争力的体现，国内很多破碎设备生产商都纷纷效仿 这些先进实用的设计理念，但是往往都达不到意想的效果，我认为原因在于我 们仿造只重其型、不重其意，刻意追求在外形上或者说功能上的实现，但是忽 略了整体结构的合理性、关键部件材料特性、衬板寿命、主轴衬套的耐磨性等 方面，远远不能满足破碎行业对破碎设备苛刻的要求。 1 4 2 广东韶关铅锌矿 矿石的硬度为莫式硬度7 8 左右，其矿石品位比较高，所以选矿厂的处理 量较低，为5 5 0 0 t d 。 表1 4 大山选矿厂破碎工艺流程1 3 1 三壁望鱼些整堑鏖( 婴!丝里量 中碎美卓m p 5 0 0 2 9 3 18 0 0 t h 细碎西蒙斯7 i n c h 1 2 以下 6 0 0 t h 相比德兴铜矿，其设备的参考意义不是很大，不过其破碎设备均纳入总体 在线监测系统，自动化程度比较高，现场很少工人，这从另一方面也说明了大 8 l 绪论 型选矿厂对破碎设备的自动化程度要求。并且韶关铅锌矿对国产设备的认可度 较高，所有的球磨机和振动筛都是国产，随着国内破碎机行业的发展，破碎设 备质量的不断提高，占据大型选矿厂的市场指日可待。 1 4 3 总结 在国内，德铜在生产工艺和引进的设备以及自动化程度上处于绝对的领先 地位，尤其是其生产设备的先进程度引领矿产行业的潮流，其实德铜本身对设 备的研究水平并不高，主要是对国外先进设备的引进，与国内设备相比，国外 设备具有以下优点( 以破碎机为例) ： ( 1 ) 设备大型化，节省占地面积：对早期的厂房进行设备改造，必须考虑 到空间问题，通过增大单台设备的处理量，从而能带来更好的空间效益，同时 也能在一定程度上节省能源消耗。 ( 2 ) 设备质量高，维修率低：经过不断的理论优化设计和长期的实验验证， 合理设计关键部件如( 破碎型腔结构、主轴组件、传动齿轮、偏心套、轴套等) ， 对这些关键部件采用特殊材料更是提高了使用寿命，降低了故障率。 ( 3 ) 通过结构改造，使得维护方便：圆锥破碎机采用液压顶起装置，将定 锥顶起，调节排矿口大小，也可以过铁；定锥在液压马达的驱动下，通过螺纹 与外壳连接，方便更换衬板。 ( 4 ) 自动化程度高，操作性能优越：这也是国内外设备的主要差距，国外 设备结合各种先进的控制手段，将传统的电控柜升级为工控机，利用定制的软 件进行可视化操作，对设备运行参数进行实时监控，便于集中进行生产管理并 及时排除故障，使设备处于最佳运转状态，提高生产效率。 1 5 课题的研究内容 1 5 1 课题的研究目的及意义 破碎设备是许多基础行业的共性设备，其使用性能尤其是可靠性和能耗的 高低对国民经济发展影响巨大。通过以上对国内外破碎设备的发展现状的分析， 尤其对国内典型应用单位破碎设备的实际使用情况进行的调研，可以得出，国 内破碎设备的研发与国外存在很大的差距，而我们需要不断探索新的、有效地 9 l 绪论 破碎机理，结合国外先进破碎设备的设计理念，提高国产破碎机的竞争力。新 乡四达公司通过多年的不泄努力，研制出一种新型的破碎机大破碎比圆锥齿辊 破碎机，该破碎机通过特殊的结构设计，实现了多级破碎、增大了破碎比、降 低了能耗，而这些概念在国际上是很先进的，得到了许多矿业单位的认可，具 有很大的市场潜力。但是在实际使用过程中发现了很多问题，主要表现为以下 几个方面： ( 1 ) 破碎机的易损件( 主要是衬板) 更换不便，大量浪费人力和时间。 ( 2 ) 破碎机的第三级衬板损坏速度快，影响整体设备的寿命。可以通过改 进第三级的破碎方式来实现。 ( 3 ) 面对异常工作情况缺乏适应能力，主要表现为缺乏过铁自动释放能力， 着严重制约了其工作连续稳定性。 ( 4 ) 破碎机中的磨矿和筛分系统容易造成排料不畅甚至是设备卡死的故 障，严重限制了设备的处理能力。 ( 5 ) 自动化程度有待提高。比如有超硬物料落入型腔时，不能及时发现。 基于此，该破碎机在正式投放市场之前，亟待相应的改造，本人的研究的 课题就是针对这些实际问题对该新型圆锥齿辊破碎机进行设备改造。 1 5 2 课题的研究内容 ( 1 ) 建立主要工作装置的三维实体模型和内外锥辊齿的虚拟样机模型，进 行运动学和动力学仿真，研究辊齿各工况下的载荷情况，然后进行强度和结构分 析，为产品的优化设计提供依据； ( 2 ) 对现有设备进行自动化改造，设计机壳自动开合机构。 ( 3 ) 监制改造结构部件的生产，监督加工和装配过程，使其满足设计要求。 ( 4 ) 对该新型设备进行功耗理论分析，研究影响其节能效果的因素进行理 论分析和实验验证。 1 0 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 2 1 新型圆锥齿辊破碎机的主要结构及工作原理 2 1 1 新型圆锥齿辊破碎机的主要结构 该新型圆锥齿辊破碎机的结构原理图如下图2 1 所示，皮带轮1 2 、锥齿轮 轴1 3 、伞齿轮1 4 通过电机驱动构成整个设备的动力部分，破碎齿板共有三层， 图示中只标注了第一层齿板组外齿板4 和内齿板5 ，它们构成形成倒锥形 破碎腔第一层破碎区，磨辊1 0 、筛网“组成磨料和筛分系统。主要工作过程 如下：物料通过给料装置，输送至料斗7 中，在重力作用下进入倒锥形型破碎 腔，内齿板和外齿板上的齿相互组合对物料进行一级破碎，由于破碎腔为倒锥 形，物理只有破碎至一定的粒度范围才会进入下一层破碎区，经过三层破碎区 破碎后的物料，落入磨料和筛分系统，铺散在筛网1 1 上，筛网随主轴转动，带 动物料至磨辊的辊压区，经过磨辊的碾压，满足产品粒度的物料透筛，落至皮 带输送机，而不满足粒度的则留在筛上继续碾压，直到达到合格粒度。 该新型圆锥齿辊破碎机结构设计较为紧凑，外形比较类似于圆锥破碎机， 1 导料帽；2 主轴座；3 齿圈；4 外齿板；5 内齿板；6 主轴；7 料斗； 8 轴套；9 外壳；1 0 磨辊；1 1 筛网1 2 皮带轮1 3 锥齿轮轴1 4 伞齿轮 图2 1 新型破碎机的结构原理图 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 但是圆锥破碎机衬板上没有分布破碎齿，并且圆锥破碎机在动力驱动齿轮转动 时，动锥随着主轴与齿轮间的偏心铜套的转动产生偏心摆动，利用偏心摆动时 产生与定锥间的间隙变化，从而对物料进行施力破碎。由于圆锥破碎机动锥产 生偏心摆动，其产品粒度变化范围较大，相比较而言，再不计长时间齿板磨损 的情况下，该新型圆锥齿辊破碎机的排矿口尺寸十分稳定，能保证较好的产品 粒度分布；相反，排矿口的固定使该新型圆锥齿辊破碎机对硬物的排出能力差， 而圆锥破碎机对于较小粒级的硬物，利用偏心摆动排出能力较强。 2 1 - 2 新型圆锥齿辊破碎机的特点 ( 1 ) 新型圆锥齿辊破碎机与传统圆锥破碎机的比较 该新型圆锥齿辊破碎机采用了全新的设计理念，外齿板组和内齿板组构成 了倒锥形破碎腔，这也是一种典型的收口强力破碎腔，目前市场上的圆锥破碎 机和大型旋回破碎机都是采用倒锥形破碎腔，但是其结构形式有所不同。 传统圆锥破碎机的腔型4 1 主要分为：标准型、中间型、短头型三种，如 图2 2 所示。而这三种腔型分别对应于粗碎、中碎和细碎过程。判断这三种腔 型的依据是给料口大小和平行区长短。给料口尺寸较小小平行区最长的是短头 型腔型，给料口尺寸较大平行区最短的是标准型腔形，而给料口尺寸和平行区居 中的为中间型腔形。而西蒙斯圆锥破碎机只有二种破碎腔型，即标准型和短头 犁。 标准型中间型短头型 图2 2 圆锥破碎机三种典型的型腔 如图2 3 所示为该新型圆锥齿辊破碎机的破碎腔结构图，图示中内齿板组2 和外齿板组5 构成了倒锥形的型腔，内齿板2 和外齿板5 在末端形成了 一个开口向外的的平行区，该平行区的间隔是预先调定的，这也限制了排矿粒 1 2 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 度，使产品粒度更加均匀。物料进入倒锥形破碎腔后，由齿板上上的两齿定 位，齿板上的齿施力对物料进行弯折和剪切；同样的，齿板和构成的第 二级破碎腔破碎过程与第一级相似；由齿板和构成的第三级破碎腔主要用 来进行细碎和排料，这一级中在倒锥形腔依旧进行弯剪破碎。这与圆锥破碎机 的型腔有所不同，根本原因在于破碎机理的不同，传统的圆锥齿辊破碎机是依 靠动锥的偏心摆动将物料压向定锥衬板，对矿石产生挤压作用，使其发生破碎。 l 一主轴；2 一动椎齿板；3 一动锥椎体；4 一定锥齿圈：5 一定锥齿板；6 一外壳 图2 3 新型圆锥齿辊破碎机腔型 ( 2 ) 新型圆锥齿辊破碎机与双齿辊破碎机的比较 双齿辊破碎机结构及破碎机理如图2 4 所示：它以两个平行安装的齿辊作 为主要施力部件，一定数量的大齿按照一定的间隔在每个齿辊的轴向分布，通 过齿轮传动实现齿辊相对转动，使相对应的两大齿咬持物料，其工作过程大致 分为两个部分：开始时，物料落入大齿的咬合区，这时在大齿的剪切作用下破 碎物料，以剪切破碎为主；当物料被剪碎成较小的物料时，被大齿的内壁压到 两齿辊的咬合区，由于齿辊间的间隙是定值，这时在大齿的压紧力作用和齿辊 间的咬合作用下，物料发生形变，此时的破碎方式以剪切、弯折为主，兼有挤 压作用。 通过上述分析可知，双齿辊破碎机以剪切和弯折为主要破碎方式，均是节 能高效的，但是目前的双齿辊破碎机齿形大多为薄片状，不能作为坚硬物料的 1 3 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 l粥 l 觯锄， 黔艨 过 图2 4 双齿辊破碎机结构及破碎机理 机理与之相似，也是以剪切和弯折的破碎方式为主，但该新型破碎机的市场定 位在对坚硬矿物的破碎，因此破碎齿齿形较大，破碎机机体也比较庞大，因此 目前对双齿辊破碎机的研究只能作为参考。 ( 3 ) 新型圆锥齿辊破碎机工作原理总结 通过圆锥破碎机和齿辊破碎机的比较，可以得出，该新型圆锥齿辊破碎机 具有圆锥破碎机相似的外型和相同的适用领域，而它的破碎机理则与齿辊破碎 机相类似，并且相对于圆锥破碎机和齿辊破碎机，该新型设备又具有一些独特 的优势：a 新型圆锥齿辊破碎机具有较大的破碎比，撇开磨矿系统不谈，单独 评价破碎腔，它能将粒度为4 0 0 m m 的物料破碎至2 0 m m ，破碎比高达2 0 ，这 是目前很多破碎设备无法企及的，将对传统“三段破碎一闭路 选矿工艺流程 产生影响，这样不仅简化了破碎工艺流程，同样也减少了物料输送装置对空间 的大量占用，对降低选矿能耗有巨大的作用；b 新型圆锥齿辊破碎机排料尺 寸范围较小，产品粒度稳定，这一点对于追求高品质的产品粒度很有必要。 但是目前该设备在试验阶段出现了一些问题，主要表现在： ( 1 ) 破碎机的易损件( 主要是衬板) 更换不便，大量浪费人力和时间。 ( 2 ) 破碎机的第三级衬板损坏速度快，影响整体设备的寿命。可以通过改 进第三级的破碎方式来实现。 ( 3 ) 面对异常工作情况缺乏适应能力，主要表现为缺乏过铁自动释放能力， 着严重制约了其工作连续稳定性。 ( 4 ) 破碎机中的磨矿和筛分系统容易造成排料不畅甚至是设备卡死的故 障，严重限制了设备的处理能力。 1 4 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 ( 5 ) 自动化程度有待提高。比如有超硬物料落入型腔时，不能及时发现。 这些问题的暴露也及时地为进一步的改造提供了依据。 2 2 新型圆锥齿辊破碎机的设备改造 针对该破碎机实际工作的出现的几大问题，分析如下： ( 1 ) 破碎机的齿板更换不便：改造方案为将破碎机改造成开闭式壳体， 通过加入液压展开装置，实现外壳自动打开，加入液压锁紧装置，使得外壳关 闭后能正常工作。这样既方便了齿板的更换，也给破碎机内部机件的维护提供 了便利。 ( 2 ) 破碎机的第三级破碎区衬板磨损快：改造方案为一改进第三级破碎区 的破碎方式，具体说，本人所采取的方案是通过优化齿形加以实现。 ( 3 ) 过铁释放能力不足：改造方案合理设计锁紧装置，在破碎过程中遇 到硬物能够是壳体稍微打开，不影响实际工作。 ( 4 ) 对于磨矿和筛分系统造成设备卡死现象，可以将磨矿筛分系统移除， 破碎过程的破碎比足以使该设备具备一定的市场竞争力，而磨矿本来就是高耗 能的过程，一套动力系统不可能为破磨两个过程提供足够的动力，另外，筛分 效率低下势必导致整套设备的产量。 ( 5 ) 自动化程度较低。通过加入液压执行元件和控制元件，再加入电机电 流检测和控制装置，在设备出现动力不足即将卡死的情况，即可实现切断电机， 打开壳体，排除故障。 总结，通过上述分析可知，此次设备改造的重点落在将原来完整固定的壳 体改造为液压控制自动开闭式壳体，但是将如此庞大的设备剖开不是那么容易 的事情，首先要拿出合理的方案。 2 2 1 剖开壳体方案的选取 剖开该破碎机主要是为了方便实现齿板的快装快卸，并且拆除了磨矿和筛 分系统之后，破碎腔以下基本上是中空的，所以只需将破碎机的破碎腔所在的 壳体展开即可，破碎腔壳体加上内部安装的齿圈和齿板共有约1 0 吨重，剖开方 案的优劣直接关系到整套设备的使用性能，所以对剖开方案的选取非常关键， 需要慎之又慎。 1 5 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 2 2 1 1 三分壳体方案： 如图2 5 所示，将壳体平均分成等三份，需要三根转轴，转轴安装在基座 和主轴座的轴承上，设计转动臂，一端安装在转轴上，另一端固接在壳体上， 当转轴按图示圆形箭头方向转动时，壳体即按图示箭头方向展开，这个方案结 构简单，安装方便，比较理想，但是实际情况没有这么简单，壳体内部安装有 齿圈，齿圈上又安装有多块齿板，将齿圈分割成三分势必会造成极大的变形， 这将直接影响齿圈和齿板的安装精度。另外，由于壳体以外没有与该设备成一 体的足够强度的机架，所以这种分割形式不利于布置液压缸来驱动壳体的展开， 而手动展开如此沉重的壳体显然是不现实的，因此不能采取这种方案。 ， 图2 5 三分壳体方案图 ，、 爻夭 山 2 6 二分壳体方案 2 2 1 1 二分壳体方案 如图2 6 所示，将壳体分为2 等份，需要一个转轴，转轴下端应该固定在 基座上，并且转轴上端也应固定到到破碎机的上端盖上，转轴固定不动，这样 仍然保持设备的一体性，转动臂一端可以相对转轴转动，另一端固接到壳体上， 此时，如果按上述三分壳体方案的思路，驱动转动臂，同样存在不宣布置液压 缸的问题。本文中所采取的方法是，在壳体上引出如图所示的翼板，翼板上开 有两个孔，将液压缸两端分别安装在两个圆孔上，这样，液压缸的伸缩就能带 动壳体的闭合与展开。相比较而言，这个方案更为合理，这样做有几个优点： 第一，只需将壳体剖开成两份，减少了改造的工作量；第二，另外即使壳体发 生了变形，两部分的变形量几乎相当，仍然能较为严密的合并在一起，避免了 报废设备的风险；第三展开液压缸只需要一个，降低了改造成本；第四，液压 缸安装方便，改造后结构紧凑，对设备外型的美观性影响不大。但是不能说这 个方案是十全十美的，对于重达5 吨的转动壳体显然不能用一个转动臂作为支 1 6 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 撑，这样每个转动壳体上至少需要有两个转动臂作为支撑，那么意味着转轴上 需要安装四个转动臂，转动臂和转轴之间所采用的配合方式显得尤其重要，还 要面临如何安装四个转动臂、如何在转动臂出现问题时将其拆除的问题，还要 考虑转动臂与转动壳体之间的连接方式等一系列实际问题。 在综合考虑了可行性和操作难度的情况下，经由导师的指导和现场工程师 的建议，最终确定了方案二，即二分壳体方案。 2 2 2 关键结构的设计计算和软件分析 2 2 2 1 展开壳体部分一些结构件的设计 ( 1 ) 转动臂的设计 转动臂的设计形式如图2 7 所示，由于需要克服较大的壳体重力，所以转 轴的尺寸较大，如果在转动臂上加轴承则需要的轴承尺寸很大，并且不利于安 装。图示的转动臂模型中，左端为轴套，套在转轴上，克服摩擦力在转轴上转 动，选定轴套的材料属性不同与转轴，这样最大程度上减小摩擦力，轴套内壁 开有油槽，通过控制加工尺寸精度，保证轴套内壁和转轴间存在合理的间隙值， 利于润滑油在间隙中均匀分布，形成油膜，这样又进一步减小了两者之间的摩 擦力。图中中间为竖立的筋板，需要满足抵抗转动壳体重力的强度要求，在尺 图2 7 转动臂的三维模型图2 8 转动壳体支撑架 寸的限制下，设计如图所示的三道筋板。图中右侧为转动臂与转动壳体之间的 连接部分，它与图2 8 中所示的转动壳体支撑架配合，通过螺栓连接成一个整 体，选用这种结构方式是为了便于设备的安装和转动臂日后的拆卸。图2 8 中 所示的转动壳体支撑架上下开有螺纹孔，在实际安装时，先将该支撑架插进转 动臂右侧的槽中，拧紧螺钉使他们成为一个整体，再转动转臂，将支撑架后侧 的弧板趴向转动外壳，再将支撑架和转动外壳焊接成一体，这样，拆卸转动臂 时，先将螺钉拆下，再转出转动臂即可。 1 7 2 新型圆锥齿辊破碎机的结构、工作原理及改造 ( 2 ) 转轴的设计 转轴结构设计之前，首先要确定其相对主轴的位置，距离太近将对转动臂 的安装带来不便，距离太远不仅减少设备的美观性，也会是转动外壳对转动臂 及转轴产生更大的作用力，造成更大的变形，所以综合以上因素，首先合理确 定了转轴相对于主轴的位置，这在之后的试车过程中也得到了有效地验证。 如图2 9 所示，转轴上标注的l 、3 、4 、5 区域是转动臂的安装区域，2 为 支撑环安装区，用来保证转动臂的轴向定位，安装结果如图2 1 0 所示，转轴右 端的台阶是为了与底座面接触，从而起到支撑作用，左边的台阶是用来定位卡 套，如图2 1 0 所示，将卡套通过螺栓连接在主轴座上，转轴两端用圆螺母锁紧， 这样将转轴与整个集体固接成一个整体，提高了整体刚度，为了节省材料同时 保证结构强度，转轴选用抗弯扭能力较强的空心圆钢，车削加工之前，先将圆 钢两端用与内口尺寸相同的钢板封住，再找定位孔进行加工，从而使转轴壁厚 均匀，也保证了转轴的圆度和同心度。 转轴的安装过程：首先将转动臂依次堆放在基座上的支撑环上，尽量保证 它们的圆环内孔与支撑环内孔同心，随后将转轴从左端插入主轴座圆孔，依次 穿过四个转动臂的内孔，待转轴右端的