（机械工程专业论文）基于确定性冲击技术的立轴破碎机转子设计.pdf

t h e d e s i g no f v e r t i c a ls h a f t i m p a c tc r u s h e rb a s e d o n d e t e r m i n i s t i ci m p a c t t e c h n o l o g y b y c h e nx i a nx i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h a of a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 敝储橼搿、观杆 日期：切7 珥绸7 1 1 4 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 敝作者签名蒋确新签名： 嘿 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 立轴冲击式破碎机简介1 1 2 1 传统立轴冲击式破碎机的结构2 1 2 2 立轴式破碎机的工作原理2 1 3 立轴冲击式破碎机转子4 1 4 立轴冲击式破碎机国内外研究情况5 1 4 1 传统立轴冲击式破碎机研究现状5 1 4 2 新型立轴破碎机的研究现状6 1 5 本文的主要内容7 第二章物料冲击确定性的实现原理9 2 1 新型立轴冲击式破碎机的结构及工作原理9 2 1 1 新型立轴冲击式破碎机结构简述9 2 1 2 新型立轴冲击式破碎机的工作原理9 2 2 物料在立轴冲击式破碎机中的运动过程分析1 0 2 2 1 前向导料板的情况1 0 2 2 2 后向导料板的情况1 5 2 3 本章小结17 第三章新型转子主要结构参数的确定1 9 3 1 转子半径的选择1 9 3 1 1 前向导料板时转子半径的选择1 9 3 1 2 后向导料板时转子半径的选择2 0 3 2 转子关键部件安装角度的确定2 2 3 2 1 导料板安装角度的选择2 2 3 2 2 冲击板滞后角度与安装角度的确定2 3 3 3 流道口数目的选择2 3 3 4 本章小结2 7 第四章物料冲击确定性的仿真2 9 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 4 。1 物料对冲击板的确定性冲击2 9 4 2 新型转子的物料加速效果3 2 4 2 1 新型转子与传统转子对物料加速效果的比较一3 2 4 2 2 导料板安装方式对新型转子加速物料效果的影响3 3 4 3 本章小结3 5 第五章新型转子及破碎腔主要零部件设计3 7 5 1 新型立轴破碎机主体结构3 7 5 2 新型转子结构3 7 5 2 1 新型转子结构中的分料盘3 8 5 2 2 新型转子结构中的导料板3 9 5 2 3 新型转子结构中的冲击板4 0 5 3 破碎腔主要结构4 1 5 4 主轴系统4 2 5 5 本章小结4 3 第六章结论与展望4 5 6 1 本论文完成的主要工作4 5 6 2 不足与展望4 5 参考文献一4 7 致谢4 9 附j j 乏51 济南大学硕士学位论文 摘要 立轴冲击式破碎机是广泛用于建材、冶金和制砂等行业的典型设备，转子是影响其 结构参数和产品性能的关键部件。作为物料的加速器，转子要使物料获得的不仅是动能 的大小，还有冲击的确定性和速度的一致性。具备这种性能特征的转予是一种新型转子 一同步转子。 本文分析了物料在新型转子中的运动过程和物料确定性冲击实现原理，得到了转子 结构中与物料抛出速度相关的主要参数，如转子尺寸、导料板安装角度、冲击板滞后角 度及安装角度等。通过对新型转子和传统转子模型的仿真分析，获得物料在两种转子中 的运动特性，确定了转子外半径5 0 0 m m 、转子内半径3 0 0 m m 、导料板安装角度1 0 。、 冲击板滞后角度1 9 3 。、冲击板安装角度2 7 9 。、流道口数目4 个的结构参数组合。 根据转子主要结构参数建立新型转子模型，运用e d e m 软件，在不同入料粒径、 不同转子转速下分别对传统转子和导料板安装角度为4 0 。、1 0 。的新型转子进行仿真 分析，表明了物料确定性冲击的正确实现以及在相同入料粒径下使物料获得相同抛出速 度时，导料板安装角度为1 0 。的新型转子旋转速度更低，受力更小，效果更好。 结合立轴冲击式破碎机转子各主要零部件的工作特点及优化参数，基于s o l i d w o r k s 设计了新型转子结构、与转子匹配的破碎腔和主轴系统等主要零部件，确定了相应的装 配关系及结构尺寸。 关键词：立轴冲击式破碎机；转子；确定性冲击；e d e m ；冲击板 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev e r t i c a ls h a f ti m p a c tc r u s h e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nt y p i c a le q u i p m e n to ft h e i n d u s t r yo fb u i l d i n gm a t e r i a l s ，m e t a l l u r g y , a n dm a n u f a c t u r e ds a n d t h er o t o r i st h ek e y c o m p o n e n t st oa f f e c ti t ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dp r o d u c tp e r f o r m a n c e a st h ea c c e l e r a t o ro f t h em a t e r i a l ，t h er o t o rw h i c hc a l l e dn e wt y p eo fr o t o r - r o t o rs y n c h r o n i z a t i o nd e c i d et h e m a t e r i a ln o to n l yt h es i z eo ft h ek i n e t i ce n e r g y , a sw e l la st h ec e r t a i n t yi m p a c ta n ds p e e d c o n s i s t e n c y t h ep r i n c i p l eo fd e t e r m i n i s t i c i m p a c tt e c h n o l o g ya n d t h em o v e m e n to fm a t e r i a l s i nt h en e wr o t o rw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r , g e t t i n gs o m em a i np a r a m e t e r sb e t w e e nr o t o r s t r u c t u r ea n dm a t e r i a lp r o je c t i l es p e e d ，s u c ha sr o t o rs i z e ，t h em o u n t i n ga n g l eo fg u i d e m e m b e r , t h el a ga n g l ea n dm o u n t i n ga n g l eo fi m p a c tp l a t e t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i so n t h en e wr o t o ra n dt h er o t o rm o d e l ，w eh a v eo b t a i n e dt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a l i nt h et w od i f f e r e n tr o t o ra n dd e t e r m i n e dt h er o t o ro u t e rr a d i u so f5 0 0 m m ，t h er o t o ri n n e r r a d i u so f3 0 0 m m ，t h eg u i d e p l a t em o u n t i n ga n g l e o f 一10o ，t h ei m p a c tp l a t el a ga n g l eo f19 3o ， t h ei m p a c tp l a t em o u n t i n ga n g l eo f2 7 9 。a n d4t h en u m b e ro fs t r e a mc r o s s i n g s t oe s t a b l i s han e wr o t o rm o d e la c c o r d i n gt ot h em a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h e ni nt h e d i f f e r e n tf e e dp a r t i c l es i z ea n dd i f f e r e n tr o t o rs p e e du s i n ge d e ms o f t w a r es i m u l a t i o na n a l y s i s m a t e r i a l si nt r a d i t i o n a lr o t o ra n d10d e g r e e so r4 0d e g r e e s ，t h eg u i d ep l a t em o u n t i n ga n g l eo f n e wr o t o r h er e s u l t ss h o wt h a tam a t e r i a lu n c e r t a i n t yi m p a c tt h ei m p l e m e n t a t i o na n dm a t e r i a l s t og e tt h es a m et h r o ws p e e di nt h es a m ef e e dp a r t i c l es i z e ，t h el o w e rg u i d ep l a t ea n dm o u n t i n g a n g l ei s - 10 。an e wt y p eo f r o t o rr o t a t i o ns p e e d ，t h ef o r c ei ss m a l l e r , t h ee f f e c tb e t t e r c o m b i n e dw i t ht h ew o r kc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i np a r t so ft h ev e r t i c a ls h a f ti m p a c t c r u s h e rr o t o ra n dt h ep a r a m e t e r sw h i c hi sb e e na n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n d e s i g n e dn e wt y p e o fr o t o rs t r u c t u r e ，t h ec r u s h i n gc h a m b e r , s p i n d l es y s t e m sa n do t h e rm a j o rc o m p o n e n t si n s o l i d w o r k s b u ta l s od e t e r m i n et h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n so fa s s e m b l y , m a t e r i a la n ds i z e k e yw o r d s ：v e r t i c a ls h a f ti m p a c tc r u s h e r ；r o t o r ；c e r t a i n t yi m p a c t ；e d e m ；t h ei m p a c t p l a t e v 济南大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着天然沙石的减少，工程用砂量的日益增多，市场对制砂设备特别是破碎机的需 求不断提高。目前市场上的破碎机种类主要有颚式破碎机、圆锥破碎机、锤式破碎机、 立轴反击式破碎机、立轴冲击式破碎机等。其中立轴冲击式破碎机又称制砂机，它广泛 适用于各种岩石、水泥熟料、石英石、铁矿石、混凝土骨料、磨料、耐火材料等多种硬、 脆物料的中碎、细碎( 制砂粒) ，对建筑用砂、筑路用砂石尤为适宜【1 】。该机型以结构简 单、造价低廉、受物料的水分影响小，具有细碎、粗磨、整形功能等优点在生产过程中 得到了广泛应用【2 j 。 转子是物料的加速器，因而是立轴式破碎机的重要结构，它决定了破碎机的性能和 参数。无论是转子中的导料板结构，还是流道口数目都直接影响到制砂机的产砂率【3 】。 此外，转子转速是立轴式破碎机的重要参数，较高的转子转速对转予制造质量、轴承承 载能力、动平衡等要求提高，而且转子转速太大会使得转子和其他易损件的磨损加剧【4 】。 不同的转子结构为使物料获得一定抛射速度时对转子转速的要求不同，因此，在结构上 不同类型的立轴冲击式破碎机主要表现在转子结构的不同。 1 2 立轴冲击式破碎机简介 早在2 0 世纪5 0 年代，艾利斯查尔默斯公司已经对破碎理论进行了大量研究，立 轴式破碎机在那一时期就已有专利。8 0 年代立轴式破碎机有了突破性进展，9 0 年代在 世界范围内得到广泛使用【5 ，6 j 。 立轴冲击式破碎机是利用高速旋转的转子对物料加速，运动的物料与砧板碰撞或物 料相互碰撞以及物料之间的摩擦而破碎，所以可用于特硬、中硬及中硬以下磨蚀性物料 的粗碎及细碎作业( 。立轴式破碎机在工程领域，是机制砂、垫层料、沥青混凝土和水 泥混凝土骨料的理想生产设备。在矿业领域，广泛地应用于磨矿过程的前段工艺，各 种矿石、水泥、耐火材料、铝矾土熟料、金刚砂、玻璃原料等高硬、特硬物料的中、细 碎领域。在机制建筑砂、石料以及各种冶金矿渣的破碎中更是得到普遍使用【8 。 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 1 2 1 传统立轴冲击式破碎机的结构 立轴冲击式破碎机由转子、破碎腔、电机、传动装置、主轴系统、润滑系统以及电 控系统组成【10 1 。其主要机构如图1 1 所示，其中转子是破碎机的关键部件。 溢料装置 主轴 图1 1 立轴冲击式破碎机结构 1 2 2 立轴式破碎机的工作原理 通常我们根据破碎方式的不同将立轴式破碎机分为“石打石”和“石打铁”两种。两种 立轴式破碎机在结构上主要的不同之处就是“石打石”立轴式破碎机的破碎腔中没有金 属砧板，而是由物料形成的料衬；“石打铁”立轴式破碎机的破碎腔内有砧板【1 2 】。由于它 们破碎方式的不同使得破碎原理不尽相同。 ( 1 ) 石打石立轴冲击式破碎机工作原理【1 3 1 4 1 。 所谓“石打石”就是指物料从转子抛射出打在破碎腔中由石料形成的物料垫层上。其 工作流程图如图1 2 所示 济南大学硕士学位论文 土m 、 i 进料胶带机。“_ 出料胶带机 图1 2 “石打石”立轴冲击式破碎机工作流程图 物料进入破碎机，给料器将物料分为两部分：一部分由分料器四周经自由落体进入 破碎腔；一部分从分料器中间垂直进入高速旋转的转子中，在转子中迅速加速，其加速 度甚至可达数百倍重力加速度，然后以5 0 8 5 r n s 的速度从转子上均匀分布的流道口抛 射出去。物料首先会与破碎腔内自由落体的物料冲击，然后一起冲击到破碎腔的物料衬 上，反弹后，斜向上冲击到破碎腔顶部，在重力作用下又改变运动方向，偏离向下运动。 由于从转子流道口抛射出的物料形成物料幕，一块物料在破碎腔内就有可能受到多次撞 击、摩擦及研磨。物料最终在重力作用下进入下一道工序。 这种“石打石”立轴式冲击式破碎机转子及破碎腔内的物料自磨，能大幅度减少磨损 件费用和维修工作量，生产成本相对低，可用于破碎中硬、特硬物料，而且铁污染少。 但是，破碎机采用“石打石”的破碎方式破碎率偏低，约为3 0 t 巧】。 ( 2 ) “石打铁立轴冲击式破碎机工作原理1 1 6 , 1 7 1 。 “石打铁”指物料从转子抛射出打在金属性砧板上，其工作流程如图1 3 所示 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 反击板 机架 入料装置 图11 3 “石打铁”立轴冲击式破碎机工作示意图 物料由立轴是冲击破碎机顶部进入破碎机，经过入料口垂直进入高速旋转的转子， 在转子中以数百倍重力加速度加速，然后以5 0 8 5 m s 的速度从转子上均匀分布的流道 口抛射而出，此时物料具有较大的动能，在与破碎腔四周的砧板碰撞时，大部分物料将 动能瞬间转化，产生撞击力，物料在撞击力作用下破碎。部分物料在砧板撞击后反弹， 与流道口抛射来的物料碰撞，再次撞击到砧板上。这样物料通过撞击、碰撞实现破碎， 最终形成物料混合物从卸料口排出。 这种“石打铁”破碎机较“石打石”破碎机有较高的破碎率，甚至可达到5 0 t 1 8 】，但是 物料中会有铁杂质，物料成形效果相对差。 1 3 立轴冲击式破碎机转子 立轴冲击式破碎机的传统转子结构主要分为开式转子和闭式转子，如图1 4 所示。 抛料头 耐磨板 导料板 开式转予 图1 4 不同转子结构 耐磨板 分料锥 闭式转子 坍南大学硕士学位论文 开式转子是在一个圆盘上焊有安装流道板的支撑柱，支撑柱的安装一般是径向的， 由于该机型转子没有形成物料垫，因此对流道衬板的磨损比较大，但允许的进料粒度也 比较大。闭式转子在内部镶有硬质合金刀片( 部分文献称抛料头为刀片) ，对转子本体 堆焊耐磨焊条，工作过程中有物料垫保护耐磨件，但对进料粒度的控制比较严格，而且 绝不允许有铁块进入，以免对转子造成损坏。 1 4 立轴冲击式破碎机国内外研究情况 1 4 1 传统立轴冲击式破碎机研究现状 自上世纪8 0 年代以来，立轴冲击式破碎机迅速发展，在破碎方式上，由石打铁到 石打石，在转子结构上，从开式转子到闭式转子，在给料方式上，从集中给转子进料到 转子与破碎腔同时下料。随着不断的发展，立轴冲击式破碎机的类型日益多样化、适用 范围越来越宽、使用寿命越来越长、粉尘污染越来越少【l9 1 。 一直以来，人们对立轴冲击式破碎机结构的研究和改进十分重视，特别是转子结构 【2 0 1 。转子是立轴冲击式破碎机的关键部件，是物料的加速器，虽然转子并不参与物料的 直接破碎过程，但是转子对物料的加速效果直接影响到物料获得的动能，而物料的动能 决定了破碎比。转子设计的合理与否直接决定了立轴冲击式破碎机性能的优劣，为此， 国内外科研人员和破碎机生产厂家始终都在对破碎机转子结构不断地优化。 北京有色冶金设计研究总院的齐国成讨论了立式冲击破碎机的破碎机理指出：物料 的破碎程度取决于冲击力的大小，而冲击力与物料的速度有关。为此，他对物料的速度 和冲击力进行分析，得到了物料冲击速度的计算公式，为转子的结构设计研究提供了重 要的理论依据。同时他建议在转子上安装冲击板、增加转子抛料口数目，以增加冲击作 用和物料的抛射次数 2 。 郎宝贤、朗世平他们分析了转子流道板三种不同安装方式( 前向流道板、径向流道 板、后向流道板) 对转子抛出物料速度的影响，通过理论公式计算得出结论：在入料相 同的情况下，相同的转子结构尺寸、转子转速，前向流道板的物料抛出速度大于径向流 道板的物料抛出速度，而径向流道板的物料抛出速度又大于后向流道板的物料抛出速 度。为此，传统转子结构中流道板采用前向安装方式 2 2 1 。 上海龙阳机械厂王刚对转子中的耐磨刀( 该机械厂对抛料头的另一种命名) 安装方 式进行了改进。传统的破碎机磨损件使用寿命极短，石料往往敲击在耐磨刀刀柄部位， 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破砰利i 转f 设计 严重影响其使用寿命，改进后的耐磨刀分别置于抛料头出口切线方向，该安装方式使得 耐磨刀寿命达到了1 0 0 多小时【2 3 】。 上海世邦粉体机器制造有限公司设计的立轴冲击式破碎机解决了传统破碎机采用 零部件与矿物之间直接接触破碎的方式造成机器零部件容易磨损的技术问题。他们在转 子的周围安装上与水平面呈1 5 0 3 5 0 夹角的周护板，叶轮上装上反击块，从而避免了破 碎机本体部件与矿物之间直接接触的破碎方式，使得机器零部件的磨损得到改善，有效 提高了破碎机部件的使用寿命【2 4 】。 b a r m a c1 1 0 0 系列产品d u o p a c t o r 破碎机在推向市场时，其转子采用了新的设计。 对转子和磨损部件的改进大大提高了转子的工作效率，也使得物料颗粒在转子中的滞留 时间大为缩短。因这些改进而产生的一个效益就是降低了比功率需求，并提高了给定容 量的小型电机的利用率，即可提高给定容量电机的容量。另一个效益就是大大降低了每 吨位的磨损费，并延长了维修间隔时削2 5 1 。 b h s - - s o n t h o f e n 公司制造的立轴冲击式破碎机，采用两室的星形转子，与三室转 子相比在物料破碎的性能方面得到了很大提高，在驱动电机功率不变的情况下，最大生 产能力提高了1 5 2 5 。两室转子允许更大的给料规格，而且结构简单，耐磨保护好， 从而转子的磨损降低了大约2 5 ，此外，该转子更好地避免了在给料量过大或者最大粒 度颗粒含量比较多时出现的物料堵塞现象【2 6 1 。 1 4 2 新型立轴破碎机的研究现状 对于传统型的立轴式冲击破碎机，无论是“石打石”还是“石打铁”的，破碎过程 中物料的主要碰撞只发生了一次，就是物料与物料幕或砧板发生的碰撞，发生碰撞时的 碰撞角度不确定，碰撞也是随机的、不确定的，因而能量利用率和破碎效果都无法满足 生产的实际需求。为此，人们研发了同步立轴破碎机 1 9 8 0 年，德国柏林大学的b r a u e r 教授提出b r a u e r 原理，得出了同步破碎的三大特点： ( 1 ) 第一次冲击后的反弹速度立即用于第二次冲击；( 2 ) 两次冲击互不干涉； ( 3 ) 以7 0 。8 0 。的最佳角度冲击。矿块在转子内二次加速可使能量节省最多5 0 【2 7 1 。 上世纪末，同步立轴冲击式破碎机制造并试验完成。一台s c l 型同步破碎机用于比 利时s d h 厂，将3 0 9 0m m 的河砾( s 1 0 2 9 0 9 5 ) 破碎到小于1 4 m m 。在日本，一 台特制的新型破碎机用于安山岩( s i 0 2 6 0 ) 制砂，其转子和定子均可形成物料衬， 因此破碎过程有两次石对石破碎 2 8 , 2 9 。 研雨大学石贝士学位论文 同步立轴冲击破碎机的关键是转子内的物料冲击不再是混乱无章的，而是具有确定 性的。k y r a nc s t e e l 现场考察了同步破碎机，分析了物料的运动特性及转子对物料的加 速特点，指出物料在同步转子内运动互不干涉，物料在分料盘上的相对运动轨迹是阿基 米德螺旋线，而物料与冲击板碰撞过程是一相对运动过程【3 0 】。 h a n sv a nd e rz a n d e r 对比了同步破碎机的一种新型结构与传统破碎机，指出荷兰的 这种同步破碎机设备可以提高产砂率1 0 、耐磨材料提高了2 5 的利用率、节省能源 1 0 【3 1 1 。 目前，同步立轴冲击破碎机技术在国外仍推广应用不多，国内更是鲜见相关研究。 如何在引进、消化和吸收相关技术的基础上实现集成创新，把握冲击破碎技术的前沿是 一个值得关注的问题。 1 5 本文的主要内容 ( 1 ) 分析物料在立轴冲击式破碎机转子中的运动特性，明确转子结构中影响转子对 物料加速效果的因素，获得各个因素与物料抛射速度之间的关系。 ( 2 ) 结合石料生产特点和传统破碎机转子结构确定出新型转子结构中影响转子对物 料加速效果的各个因素。 ( 3 ) 建立破碎机传统转子和新型转子模型，观察物料在不同转子结构中的运动特性， 获得需要的仿真实验数据。 ( 4 ) 对比理论计算结果和实验数据处理结果验证新型转子结构的可行性以及新型转 子较传统转子的优越性。 ( 5 ) 在s o l i d w o r k s 中建立新型转子及相应破碎腔的三维结构 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 8 济南大学硕士学位论文 第二章物料冲击确定性的实现原理 2 1 新型立轴冲击式破碎机的结构及工作原理 2 1 1 新型立轴冲击式破碎机结构简述 新型立轴冲击式破碎机的主要结构由以下几个部分组成：入料装置、同步转子、破 碎腔、传动机构、支架。与传统立轴冲击式破碎机结构的主要不同在于破碎机使用的转 子，新型破碎机转子结构如图2 1 所示， 图2 1 新型破碎机转子结构简图 冲击板与转子主体相连，冲击板和导料板具有相同角速度。冲击板和导料板一一对 应，两者之间相差一定角度，这一角度由转子本身尺寸决定。 2 1 2 新型立轴冲击式破碎机的工作原理 破碎机在工作的过程中破碎腔是固定的，而转子是高速转动的，转子上的导料板和 冲击板同轴旋转。物料由传送带进入转子入料口，在重力的作用之下，物料垂直下落到 高速旋转的转子分料盘上，分料盘将物料均匀地分散到高速旋转的导料板上，物料沿着 导料板运动，当物料从导料板末端离开后以匀速直线悬空向转子外缘运动，同步旋转的 冲击板与物料碰撞，实现转子对物料的二次加速，使得大多数物料速度达到5 0 8 5 m s ， 二次加速后的物料与破碎腔四周的砧板碰撞，大多数物料在撞击力的作用下破碎，最终 形成的物料从卸料口排除。这就是新型立轴冲击式破碎机的工作原理。 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 2 2 物料在立轴冲击式破碎机中的运动过程分析 在导料板三种不同安装方式( 前向、径向、后向) 的转子结构中，物料与导料板作 用力的计算公式不刚3 2 1 。其中，径向导料板是前向导料板与后向导料板的安装角度为。 时的特殊情况，因此，对物料在转子中的运动分析可分为前向导料板和后向导料板两种 情况。 2 2 1 前向导料板的情况 物料由入料口进入转子经导料板加速后再与冲击板碰撞，最后击打在砧板上，一共 经历了两次加速过程。首先是由导料板加速，然后是同步旋转的冲击板碰撞加速。物料 在转子中的运动过程可简单分为三个阶段，第一个阶段：物料经入料装置落在转子分料 盘上，被高速旋转的分料盘分散到各个导料板上，经过导料板的加速到达导料板末端， 此时物料获得的速度为玩；第二个阶段：物料离开导料板后以恒定的速度讳直线运动到 达碰撞点；第三个阶段：匀速直线运动的物料与相应的冲击板发生碰撞，实现二次加速。 第一个阶段，物料经分料盘进入不同的流道口( 每个流道口均有一个导料板) ，经导 料板加速后，物料脱离导料板末端a 点，此时，物料获得速度讳。讳是由作圆周运动的 转子的牵连速度吃和物料相对导料板的相对速度舌，组成，如图2 2 所示。 图2 2 物料经前向冲击板加速分析图 济南大学硕士学位论文 其中，一转子的内半经 _ 转子的外半径 瓦一物料碰撞前的速度 矽一导料板与径向方向夹角( 缈o ) 矽一速度瓦与径向方向夹角 万一绝对速度玩与相对速度t 的夹角 作圆周运动的转子在a 点对物料产生的牵连速度吃即为转子在a 点的切线速度， 其计算公式如下： v 。= r o r o ( 2 1 ) 其中0 9 为角速度。 导料板对物料的相对速度或，速度方向沿导料板方向，即与a 点径向方向夹角为缈， 相对速度计算公式如下 3 3 】： 1 ，= ( 1 + 厂2 ) 2 一f r o c o ( c o s 呼o + f s i n q ，) ( 2 2 ) 其中，厂为导料板摩擦系 设a = ( 1 + 厂2 ) 2 一f ，b l = c o s q 9 + f s i n o ( 2 3 ) 由于导料板确定后，导料板摩擦系数厂是常量，可知a 、b 只与滑块安装角度妒有 关。 物料脱离导料板a 点时获得的绝对速度玩= v e + 谚 由物料绝对速度、相对速度、牵连速度之间的几何关系可知： 1 ，。2 = v ；+ 1 ，；一2 v e v rc o s ( 2 + 缈) ( 2 4 ) 由公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 得物料离开导料板时得计算公式 ”缈再l + a i 2 b 画1 ，。2 缈? 一2 以6 一c 。s ( 詈。缈) 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 令 则 办l ：1 + a 2 b 2 - 2 a b 1c o s ( 2 - q ，) v o2r o c o h l ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中，在忽略速度对物料与导料板之间的摩擦因数的影响的情况下，变量h ，与转子 内半径及转子转速无关。 由图2 2 中物理量之间的几何关系可知： s i n 6 ：s i n ( 2 + c p )( 2 7 ) v p v o 由公式( 2 1 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 得到 万：一i n t s i n ( 2 + q ，) ( 2 9 ) 西：心n 塑泣 矽2 伊懈8 i n 十 旺_ 第二个阶段，物料脱离导料板末端a 沿直线a c 以碗匀速到达点c ，转子上的对应 b 冲击板 图2 3 物料直线运动过程 图2 3 中口表示物料离开导料板到达冲击板过程中转子旋转过的角度，乡表示冲击 板滞后角度。物料从导料板末端a 点匀速直线运动到发生碰撞的点c ，该运动过程不考 济南大学硕士学位论文 虑物料间的相互作用及气体对物料的影响，由运动学方程可知： 径向方向：r o t c o s = 1c o s o ! 一r o 切向方向：v o t s i n o = 一s i n a 对转子整体有：a + o ：f 仍 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 其中时间f 为物料由a 点运动到c 点所用的时间 由公式( 2 6 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 。1 2 ) 、( 2 1 3 ) 得 口：a r c c o s 鱼型堕二! ! 堕翌堕二! 堕塑( 2 “) 口= o i 一 z l t ， ( 14 - c o t 2 痧) 0 ：垒! ! 呈! 一口 ( 2 1 5 ) r o h ls i n # 可见冲击板板滞后角度臼与h ，、口有关，其中h 。与变量口、b ，及导料板安装角度相关， 变量口、b ，只与摩擦系数、导料板安装角度有关，在不考虑空气影响并忽略速度对摩擦 系数的影响的情况下，变量甄与转子转速无关，口、矽、妒与物料的大小、物料的质量 及转子的旋转速度均没有直接关系，角度口与物料离开导料板的速度v 。的角度矽有关， 角度与导料板安装角度妒有关，因此导料板安装角度护只与转子结构有关。 第三阶段，物料在c 点与相应的冲击板碰撞。如图2 4 所示， 冲击板 图2 4 物料二次加速分析图 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 其中，访一冲击板到达c 点时的线速度 吒对一碰撞前物料与冲击板的相对速度 y e 与碗的夹角 一冲击板的安装角度 7 5 0 一物料碰撞冲击板时的入射角度 碰撞过程中，物料与冲击板成7 0 0 8 0 0 ，在这一条件下物料与冲击板之间会有较大 恢复系数e ，冲击板对物料的加速效果好，理论计算过程中选取了7 5 。以转子为参考 系，碰撞后的物料以速度p v 相对远离冲击板方向，如图2 4 中所示，冲击板对物料的牵连 速度大小 v l = i 彩 ( 2 1 6 ) 方向沿转子在c 点的法线方向。 物料与冲击板碰撞后离开的绝对速度v 、物料与转子的相对速度吒对，由几何关系 得： v 相2 对= v ? + v ；一2 v 1 1 ，oc o s y ( 2 1 7 ) 通过确定冲击板安装角度使得物料与冲击板碰撞角度在7 0 0 8 0 0 ，由几何关系分析 得出物料碰撞后离开冲击板时，物料的相对速度方向与转子在该处线速度方向夹角很 小，考虑到物料在破碎机中的运动就具有随机性，为了便于计算，我们设定物料离开冲 击板时与该处转子线速度方向一致，则： v = v 1 + p v 相对 ( 2 1 8 ) 由公式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 可得 对= 彩屑i 丙五而 ( 2 1 9 ) 国：。：! 二：一 ( 2 2 0 ) 妙= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 l 2 z uj p 1 2 + 芬乃? 一2 r o f i h lc o s y + 1 其中 7 = 昙一( 矽一口) ( 2 2 1 ) 济南大学硕士学位论文 由几何关系得 s i n ( f l + 1 5 。)s i n y 一= 一 v o1 ，相对 由公式( 2 6 ) 、( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 得 ( 2 2 2 ) ：a r c s i n 下鱼垡些一 ( 2 2 3 ) 。 2 + 4 h l - 2 r l r o h lc o s y 可见冲击板安装角度与转子转速没有直接关系。 经过冲击板加速后的物料击打在破碎腔的砧板上实现破碎，通过调整砧板安装角度 都能使得物料接近垂直打在砧板上。所以影响物料破碎的关键在于物料打在砧板上的速 度，速度越高，物料动能越大，破碎比就越大。由公式( 2 1 6 ) 、( 2 1 8 ) 可以看出，理 论上影响物料击打砧板速度的主要因素有转子转速、物料与冲击板碰撞时的恢复系数、 物料与冲击板碰撞时的相对速度，转子转速越高、碰撞恢复系数越大、相对速度越大， 转子抛出物料时的速度就越高。对破碎机来讲，越高的转子转速对转子自身结构要求越 高，为了在不影响物料击打砧板速度的同时降低转子转速，我们可以提高物料与冲击板 碰撞时的恢复系数或者增加物料碰撞后离开冲击板时的相对速度。物料与冲击板碰撞属 于非完全弹性碰撞，在碰撞过程中有能量损失，资料表明物体以7 0 0 8 0 0 冲击冲击板时 有最大的恢复系数【3 4 】。公式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 、( 2 1 9 ) 表明影响物料离开冲击板的相对速 度的结构因素有：转子的内半径、转子外半径以及导料板的安装角度，结合破碎机整体 结构和生产成本，这三个因素中最容易调整的是导料板安装角度。 2 2 2 后向导料板的情况 后向安装导料板时，物料运动过程仍然分为三个阶段，其中只有第一阶段时物料离 开导料板的速度的表达公式不相同，在物料运动过程中的后两个阶段与前向导料板的情 况相同。 物料在第一个阶段物料获得绝对速度v 。离开导料板末端a 时各变量关系如图2 5 所 示。作圆周运动的转子在a 点产生对物料产生的牵连速度谚即为转子在a 点的圆周速 度，其计算公式如下： y 。= r o c o ( 2 2 4 ) 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 其中，缈为角速度。 图2 5 物料经后向导料板加速分析图 冲击板 导料板相对物料的相对速度为瓦，速度方向沿导料板方向即与a 点径向方向夹角 为够，牵连速度计算公式如下： 1 ，= ( 1 + 厂2 ) 2 - f r o c o ( c o s q o - f s i n o ) 其中厂为导料板摩擦系 1 同样设a = ( 1 + f2 ) 2 一f ，b 2 = c o s f o - f s i n ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 导料板选择后，在忽略速度对摩擦因数影响的情况下，物料与导料板之间的摩擦系 数厂是常量，可知d 、b ：只与滑块安装角度缈有关。 物料脱离导料板a 点时获得的绝对速度玩= 吃+ v r 由物料绝对速度、相对速度、牵连速度之间的几何关系可知 其中 y ；= v ；+ y ；一2 v 。1 ，c o s 万：至+ 驴 2 由公式( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 得物料离开导料板时得计算公式 y 。：功2 2 砭+ ；， y 。2 功 q 幻：c o s ( 三+ 缈) ( 2 2 7 ) 济索大学赜学位论文 令 则 舞2 = 飞7 l 释2 拶2 2 2 群参2 ( 等+ 秽) 可以看出，其中变量h 与转子内半径及转子转速无关。 由圈2 。5 中物理量之间的几何关系可知 s i 藤万一s i n ( 2 - ( p ) v 8v o ( 塞。2 8 ) ( 塞。塞9 ) 痧= 万一秽 ( 霪。3 0 ) 由公式( 塞。2 4 ) 、( 瑟。2 8 ) 、( 塞。2 9 ) 、( 塞。3 0 ) 得到 豳( 要。秽) 万= a 薹c s i 理惫一 ( 2 。3 | ) h 2 血( 要。够) = a r c s i n l 一一缈 ( 2 。3 2 ) 艚2 物料在第二个阶段时，仍然从a 点匀速直线运动到碰撞点c ，在第三个阶段，虽然 冲击板安装角度发生变化，但是，冲击板安装角度也在捆应变化，物料仍然以7 0 。8 0 。 入射角与冲击板发生碰撞。所以，导料扳安装角度的不同只是直接影响到鞠料运动的第 一个阶段，第二个阶段、第三个阶段是相同的。 可得出以下关系式 冲击板滞后角度秽。攀一群 咒殿，8 1 i 1 移 冲击板安装角度 ：瓣c s i n l 丝窒竺丝一 2 + 髻蠹2 2 r l r o h 2c o s y 转子转速 2 3 本鼙小结 矽 缈竺= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= ：= 烹烹= = = ：一 秽吒2 + 疗纛；一2 r o r l h 2c o s y 十l 本章分析了物料在新型转子中的加速过程，得到了转子结构中重要参数( 转子内半 基于确定性冲击技术的立轴冲击式破碎机转子设计 径、转子外半径、导料板安装角度、冲击板滞后角度及安装角度) 与转子转速及物料抛 出速度之间的关系。获得了导料板不同安装方式下的冲击板滞后角度、冲击板安装角度 及物料抛出速度的计算公式。 济南大学硕士学位论文 第三章新型转子主