（机械工程专业论文）竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究.pdf

摘要 多碎少磨是国内外选矿界公认的节能降耗的有效方法，而超细粉碎又是降低入 磨粒度、实现多碎少磨的最直接手段。本文比较系统地分析了粉碎机械的篪力情况、 粉碎能耗学说及其应用和粉碎设备的应用和发展。在理论分析计算的基础上，系统性 地对竖轴式离心粉碎机进行了静力学、动力学分析。在计算分析的基础上，分析了竖 轴式离心粉碎机回转轴的转速范围、最大入磨粒度的确定、物料在下落过程中至少被 碾压一次的条件、辊轮卡塞而导致不能转动( 自转) 的条件、竖轴式离心粉碎机功耗 的确定等。并通过多次试验，得出了竖轴式离心粉碎机工作性能与有关参数之间的一 些重要规律。为设计竖轴式离心粉碎机提供了理论计算依据。为竖轴式离心粉碎机的 科学研究和开发生产奠定了坚实基础。 实验验证了竖轴式离心粉碎机的易耗件损耗因为破碎矿石而损耗的只占非常小 的一部分，而绝大多数的损耗是易耗件之间相互磨削的；验证了竖轴式离心粉碎机的 磨矿效率跟转速和环数的关系，以及在转速和环数不变的前题下，给矿量、给矿粒度 对磨矿效率的影响。通过动力学研究得出了竖轴式离心粉碎机一些主要零件的工作参 数和工作条件。为竖轴式离心粉碎机的实际生产应用提供了理论基础。 多碎少磨是实现降能节耗的重要途径，而竖轴式离心粉碎机这样一种设备可以实 现细碎粗磨，具有很好的应用前景和较好的经济价值。 关键词：物料粉碎动态分析竖轴式离心粉碎机 a b s t r a c t t h e p r i n c i p l eo f “m o r ec r u s h i n ga n d l e s sg r i n d i n g ”i sc o n s i d e r e da sa l le f f e c t i v ew a y o fd e c r e a s i n gc o n s u m p t i o n so ft h ee n e r g ya n dm a t e r i a l si ng r i n d i n g a n dc m s h i n g a n d m o r e o v e r , f i n ec m s h i n g i st h o u g h to fa sad i r e c tm e a n sw i t hw h i c hr e d u d n gt h es i z eo fm i l l f e e da n d “m o r ec m s h i n ga n dl e s sg r i n d i n g a r er e a l i z e d t h ep r e s s u r eo ft h ec r u s h i n g m a c h i n e m et h e o r yo fc r u s h i n gc o n s u m p t i o no fe n e r g ya n dt h ea p p l i c a t i o no ft h et h e o r y , a n da l s ot h e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o ft h e c r a s h i n ge q u i p m e n t t h e v e r t i c a l c e n t r i f u g a lm i l li s s t u d i e db yk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga n d c a l c u l a t i n gc o m p l e t e l ya n ds y s t e m a t i c a l l y b a s e d o na n a l y z i n ga n dc a c u h t i n g ，t h ep a p e r a n a l i z e st h es p e e dr a n g eo fr o t a r ys h a f to ft h em a c h i n e t h ed e t e r m i n a t i o no ft h el a r g e s ts i z e o fm i l lf e e d ，t h ec o n d i t i o nf o rb e i n g g r u n d a tl e a s to n c e d u r i n g t h e f a l l i n g o ft h e m a t e r i a l s ，t h ec o n d i t i o nf o rb r e a k i n gp l a t eb e i n gb l o c k e dn o tt or e v o l v e ，t h ed e t e r m i n a t i o no f t h em i l l sp o w e ra b r a s i o n ，a n de t c t h r o u g hm a n y e x p e r i m e n t s ，s e v e r a li m p o r t a n tp r i n c i p l e s b e t w e e n w o r k i n gp e r f o r m a n c e o fm i l la n dt h er e l a t i v e w o r k i n gp a r a m e t e r s a r e r e c o v e r e d ，t h u sg a i n i n gs o m et h e o r e t i ca n dc a l c u l a t i v eb a s i sf o rt h ed e s i g no fv e t i c a l c e n t i f u g a lm i l l ，w h i c hp r o v i d e sf i r m l yt h eb a s ef o rs c i e n f i f i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ev e r t i c a lc e n t i f u g a lm i l l e x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a t t h ew e a ra b r a s i o no ft h ev e r t i c a lc e n t i f u g a lm i l l s e a s i l y c o n s u m p t e dp a r t sd u e t oc r u s h i n gt h eo r ec o n s t i t u t e so n l yq u i t eas m a l l p o r t i o n w h i l e m o s to fw h i c hi sm a d e b y t h e g r i n d i n g b e t w e e nt h e e a s i l y c o n s u m p t e dp a r t s t h e m s e l v e s ；t h e yh a v ea l s op r o v e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r i n d i n ge f f e c to ft h em i l l a n dt h er e v o l v i n gs p e e da sw e l la sn u m b e ro fc i r c l e s ，a n dh o wt h eq u a n t i t yo fm i n e r a la n d t h es i z eo fm i n e r a la f f e c tt h eg r i n d i n de f f i c i e n c ya tt h ee q u i s i t eo fs t a b i l i t yo fs p e e da n d n u m b e ro fc i r c l e s t h ew o r k i n gp a r a m e t e r sa n dw o r k i n gc o n d i t i o n so fm a i np a r t so ft h e v e r t i c a lc e n t i f u g a lm i l la r eg a i n e dt h r o u g hd y n a m i c sr e s e a r c h ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c b a s ef o r p r a c t i c a lu s e o ft h ev e r t i c a lc e n t i f u g a lm i l l t h e p r i n c i p l eo f m o r ec r u s h i n ga n dl e s sg r i n d i n g i sa l li m p o r t a n tw a yo fd e c r e a s i n g c o n s u m p t i o n so f t h ee n e r g ya n dm a t e r i a l si i lg r i n d i n ga n d c r a s h i n g a n de q u i p m e n tl i k et h e v e r t i c a lc e n t i f u g a lm i l lc a nr e a l i z ef i n ee r u s m n ga n dc r u d eg r i n d i n g ，t h u s h a v i n gan i c e p r o s p e c tf o rp r a c t i c a lu s ea n d f a i r l yg o o de c o n o m i c v a l u e k e y w o r d s ：m a t e r i a l s c r a p i n g ；d y n a m i ca n a l y z i n g ；v e r t i c a lc e n t r i f u g a lm i l l 郑重声明 本人的学位论文是在导师的指导下独立撰写下完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的 法律后果和法律责任，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：移嫁若目、j 函d 侔月zf 日 茎坚查兰三翌堡主兰堕堡苎 坚塑蔓塑：堂塑堡塑堕塑查竺竺坌堑! ! 窒一 1 引言 1 1 课题提出的背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 矿业是国民经济中的基础产业，它与国民经济的发展息息相关。矿物加工是矿业 的一个非常重要的环节，它不但要为其他领域提供原材料，而且还要为自身的可持续 发展提供机遇。 粉碎是矿物加工中不可缺少的一种工艺。粉碎的任务是提供具有一定粒度、粒度 组成和充分解离而又不过粉碎的加工原料，以便进一步的加工和使用。 磨、碎矿作业在选矿流程中占有十分重要的地位，磨、碎矿效率的高低直接影响 着最终选矿指标的好坏。对于经济指标也是如此。一般选矿厂各作业费用在总成本中 所占的比例为：破碎作业占有1 3 3 ，磨矿作业占4 0 ，选别作业占1 6 4 ，辅助作业占 1 3 3 ，脱水及运输占1 7 。从以上各项费用所占比例来看，磨矿作业所占比例最大。 因此，有效地提高磨矿效率，可以大幅度降低消耗费用，提高经济效益。 对磨机而言，影响磨矿效率的主要原因之一是物料入磨粒度的大小，即入磨粒度 愈小，磨矿效率愈高。根据有关资料和我们试验所得到的数据发现，入磨粒度低l m m ， 磨机的处理能力可以提高1 以上。如入磨粒度从2 0 m m 降到1 5 r a m ，磨机可提高5 以上的处理能力，且动力消耗降低2 0 左右。因此，在目前我国能源严重短缺的情况 下，积极推行多破少磨工艺，引进消化和研制新的高效细碎设备是很必要的，将对我 国的社会主义经济建设和矿山事业的发展产生深远的影响。 1 1 。2 课题的来源，目的和意义 碎矿、磨矿作业是选矿、冶金、建材、某些轻化工原料及火力发电等基础工业生 产中不可缺少的重要工序。目前国内外相关行业所使用的碎磨设备仍以传统的破磨设 备为主，效率低，能耗高，是造成选矿厂和建材厂生产成本高的主要因素。仅以冶金、 建材两行业为例，在一般浮选厂和水泥生产中，其球磨机的电耗约占生产用电总量的 5 0 以上，每加工一吨矿石( 或水泥) 的钢球衬板消耗不低于1 5 k g ，仅此两项消耗， 按现价折合到每吨矿石的粉磨费用分别为1 4 元和3 5 元以上，可见磨矿成本对这些行业 武汉大学工程硕士学位论文 竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究 经济效益的好坏起着重要的作用。我国金属矿特别是铁矿原矿品位不高，又是水泥生 产大国，据统计，全国年生产球磨矿石、水泥生熟料和其它物料的总量约2 0 亿吨， 年磨矿耗电总量约4 0 0 亿度，年耗钢球和衬板约3 0 亿公斤。若每度电按o 5 元，每公 斤钢球、衬板按6 3 元计算，则我国现有磨机每年消耗的电费和钢耗费用不低于4 0 0 亿元。可见，提高磨矿效率降低消耗，对国民经济具有非常重要的意义“1 。 球磨机的工作机理是靠筒内钢球( 或钢棒) 和物料间的冲击和相互磨擦、剥脱而 实现物料磨细的。实践证明，球磨机对入磨粒度的大小很敏感，据有关资料和我们的 试验，在+ 1 5 m m 到，2 0 m m 范围内入磨粒度每降低l m m ，磨机的处理能力提高5 以 上，而单产电耗降低约2 0 。我们还对0 7 0 0 m m 环磨机串联到干式管磨机前做预粉碎， 使管摩给料粒度从原一3 5 衄经环磨碎至一3 m m 后再入管磨进行过两个月的对比考察，发 现串联后管磨生产能力提高了4 8 左右，单产电耗和钢耗分别降低了3 7 和4 3 ，这 个指标虽然与湿式球磨所作测定降幅有些差别，但降低入磨粒度对提高球磨生产能 力、降低相关基础工业部门的生产成本是可行的和非常必要的。而降低磨机的入磨粒 度，最现实的办法就是研制高效节能的细粉碎设备来改造现有厂矿的生产流程。 离心磨是一种新型的高效率细磨设备。由于离心磨结构简单，占厂房面积小，耗 电低，效率高，生产率也大。为此，从事矿山机械的各国工程技术人员，多年来一直 在研究常规球磨机的替代磨机。提出许多设计方案，也试制出一些样机，有的已投入 实际应用。新磨机设计方案或样机有：行星磨机、鲁奇离心磨机、卧式离心磨机、竖 轴式单筒( 转子式) 离心磨机、竖轴式三筒( 行星式) 离心磨机、介质搅拌式磨机、 射流式磨机及e m - 1 2 0 0 立式磨机等。但这些磨机均未达到常规磨机替代产品的要求。 经我们分析研究后，认为竖轴式单筒离心磨矿机继续开发研究后可达到替代要求。 1 2 国内外研究开发水平及发晨趋势 为了降低入磨料度，提高磨矿效率，二十世纪7 0 年代以来，国外一些制造厂家 对超细破碎设备的研制十分重视，先后开发出了许多新型、高效、节能的细碎设备。 如美国a - c 公司研制了一种小偏心距、高摆频、高深破碎机把挤压式破碎原理与振动 式破碎原理相结合，形成对物料的选择破碎，破碎效率高，产品粒度也较细；德国洪 堡公司研制的高压辊磨机，这种设备以挤压破碎为主，在高压力下，可以把2 5 n t m 以 下物料挤压成一2 0 0 目占4 0 以上的产品，该类型设备已开始在我国的建材行业推广 2 茎堡奎兰三墨婴主主垒堡茎 墨塑塞堕：堂堂堡墨盟塑查堑堡坌塑里堕l 应用。同时，d a v i d 竖轴冲击式破碎机也是一种新型的高效细碎设备，它有两种主要 形式：即石对石自衬破碎腔和石对铁破碎腔，它对物料的破碎主要借助于高速转动的 转子( 速度可达4 5 m s - - 1 0 0 m s ) 对物料产生的离心力来实现。因此，从严格的意义 来讲，该设备实际上是一种离心冲击式破碎机。当入料粒度小于6 0 r a m 时，台时处理 量可达8 8 1 3 0 吨时，且产品粒度小于l o m m 可占6 0 9 0 ，此外，还有一种水冲式 破碎机也具有较好的破碎效果。竖轴式离心粉碎机是我国独创的一种高效低耗粉碎设 备，它的显著特点是降低能耗，单位容积生产效率高、产品粒度均匀，对某些物料可 代替超细碎和粗磨两道作业，实现多碎少磨，具有很好的现实意义和较大的经济价值。 以e 2 0 0 0 x1 2 0 0 型竖轴式离心粉碎机为例，当给料粒度一4 0 + 2 5 衄，产品粒度一2 0 0 目4 5 和- - i m m 时，台时处理能力分别可达i 0 0 吨和1 6 0 吨”“1 。 随着我国矿山事业的不断发展，破碎设备的研制和开发有了很大的变化，但主要 仍以引进、消化为主。例如鞍钢矿山公司曾从美国a c 公司引进了二台8 4 寸的液压 圆锥破碎机。但由于该机制造费用较高，一直没有制造出样机。据了解，鞍钢矿山公 司引迸的该两台设备，由于备件磨损，一直无法使用。如从德国引进的高压辊磨机已 在我国的水泥厂开始推广应用，但要用来破碎较硬的铁矿石，还有一定的困难。前苏 联用5 0 0 x 3 0 0 毫米的离心磨取代了一向在精矿和中矿再磨作业中沿用的普通球磨机。 既提高了生产率又能减少泥化现象。并用8 0 0 x 1 0 0 0 毫米的离心磨代替大型选矿厂再 磨中矿及精矿所用的2 7 0 0 x 3 6 0 0 毫米的普通球磨。尽管近年来我国相继从美国、德国、 前苏联和日本等国引进了多项破碎设备技术和开发研制了一些破碎设备，但仍存在着 品种少、水平低、质量差、寿命短、效率低等闯题。因此，研制适合于矿山用的细碎 设备一直摆在我们面前的一个十分现实的问题，也是困惑矿山和我们从事机械设计工 作者的非常棘手的问题。因此，必须进行认真研究，以企解决。 通过对竖轴式单筒离心磨机的研究分析后认为当前此类磨机有两个问题：i ) 原 来的设计采用直简式结构，上层未磨细的物料由于重力作用必然堆积在拨盘环形间隙 出料处，而钢球直径又不可能太小，钢球半径以下的块状物料永远无法磨细，挡住级 间出口，使上层物料即使磨细也到不了下一层；2 ) 在每个磨室中放置一定数量的磨 矿介质，如钢球，理论上好象能上下排列成一条线，而实际上经过实验表明：这些钢 球运动中和物料相互挤在磨室底部，使钢球不能自由高速滚动碾压物料，起不到粉碎 物料作用。 苎坚查兰三望堡主堂垒堡茎 墨垫墨查：鱼塑壁垫堕垫查翌堡坌堑翌! ! l 1 3 课题研究目标 本课题为_ 从根本上提高磨矿效率，降低电耗和钢耗。以竖轴式离心粉碎机的静 力学、动力学分析为突破口，基础理论问题为背景开展研究。为细破碎设备的进一步 开发建立起坚实的理论基础。 1 3 1 主要研究内容 1 ) 竖轴式离心粉碎机工作面的静力学分析。 2 ) 竖轴式离心粉碎机工作面的动力学分析。 3 ) 竖轴式离心粉碎机重要零件结构分析。 4 ) 竖轴式离心粉碎机实验研究。 1 3 ，2 主要研究成果 1 ) 通过静力学分析，建立力学模型，分析竖轴式离心粉碎机运动和受力关系， 从理论上论证离心粉碎机易耗件损耗的原因。 2 ) 建立离心粉碎机的动力学模型，确定主轴角速度的范围、怎样保证被粉碎物 料在下落高度内至少被碾压一次、建立竖轴振动分析力学模型，得出一阶共振频率、 确定最大入磨粒度、得出辊轮卡塞而导致不能自转的条件以及推导出离心粉碎机的功 率消耗的几个因素及其计算方法。 3 ) 通过对离心粉碎机的结构及材质进行合理的分析改进，如改直简式为锥筒式 等来确定竖轴式离心粉碎机结构及性能参数的相互关系及其最佳匹配，为工业型竖轴 式离心粉碎机的设计计算提供理论依据。 4 ) 通过对竖轴式离心粉碎机的实验，验证以上理论以及结构的改进是科学和合 理的。 武汉大学工程硕士学位论文 竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究 2 物料粉碎理论及粉碎施力情况 2 1 粉碎机械的施力情况 粉碎是利用机械的方法克服固体物料内部的凝聚力而将其分裂的一种工艺，即靠 机械力将物料由大块破碎成小块” 1 。 任何一种碎矿机和磨矿机都不是只有一种力破碎矿石，通常是以某种力为主，配 合其他种类力的作用，因此，破碎机械施于矿石的力是复杂的。为了便于分析和研究， 常常着重考虑主要的力，对于其他力的影响仅作附带考查。破碎机械的旄力情况，可 以分为压碎、劈开、折断、磨剥和冲击等，表示在图2 1 中。机械的施力情形不同， 考虑的矿石的强度类型也有区别。对于压碎，应当考虑矿石的抗压强度；对于劈开， 要注意它的抗拉强度；对于折断，要注意的是矿石的抗弯强度；磨剥矿石时，就应当 考虑它的抗剪切强度。破碎机械都是用它的工作部件以动载荷反复作用于矿石，因而 具有一定的冲击效果。当矿石被冲击时，就应当考虑它的抗冲击强度。在研究各种破 碎机械的工作原理时，对它们的施力情况，应当分清楚。例如矿石在颚式碎矿机的齿 板间被破碎时，受到劈开作用，矿石的抗劈开强度约为抗拉伸强度的1 2 倍。 _ 留弦缓弦缓羽 歹乏f ( i ( ) 、) 1 。，二7 谊艺砀乇l 圈2 1 磕碎机援对矿石的麓力情形 ( a ) 压碎( b ) 劈开( c ) 折断( d ) 磨剥( e ) 冲击 大多数待粉碎物料，尤其是矿物一般呈脆性，为了有助于粉碎工具咬住物料，减 少粉碎阻力和过粉碎，粉碎工具制成具有尖锐程度不同的刃，称为齿牙。施力开始时， 物料在同齿牙接触的部分首先发生局部粉碎，然后产生较大的裂缝，最终导致物料全 部粉碎。由于脆性物料的抗拉和抗剪强度大大低于抗压强度，粉碎时产生的裂缝往往 顺着施力方向，与施力方向成4 5 。角度或沿着颗粒内部的脆弱面方向发展。 一物体撞击另一物体时，前者的动能迅速地转变为后者的形变位能，而且局部地 壅堡查堂三堡堡主兰垡笙奎 坚塑塞塞：垒塑壁垫堕i 塑堕堡坌堑! ! ! l 集中在被撞击处，产生较大的应力集中导致物料粉碎。物料在打击或冲击作用下，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粉碎，而被粉碎物料的内部微观裂纹和脆弱面的数目相 对地减少了，被粉碎物料的强度较粉碎前的强度高。如果撞击速度高，变形来不及扩 展到被撞击物的全部，就在撞击处发生相当大的局部应力，故动载荷的破坏作用较静 载荷的大。如载荷超过疲劳极限，增加反复冲击次数，可以减少发生破坏所需的应力。 因此，用高频冲击的方法破碎矿石有很好的效果，功率消耗较少，破碎比高且过粉碎 低，容易在较粗粒级发生充分的解离。反击式碎矿机和振动球磨等，都具有高频冲击 的特点。 一般矿石都是由多种矿物组成的，它们的物理性质并不一样，有时还有很大差别， 如煤块中的精煤和黄铁矿及煤矸石，伟晶花岗岩中的绿柱石和长石等等。当破碎这类 矿石时，其中各矿物被破碎的情形就不一样，有的被破碎成较粗的粒子，有的却较细。 这种现象叫选择性破碎。发生选择性破碎的根本原因是矿石中各种成份的矿物的机械 性质差别很大，且破碎机械的性能也有影响，如反击式碎矿机和自磨机就较容易产生 选择性破碎。注意这种现象在选矿工艺中很重要。例如，对有用矿物比脉石易泥化的 矿石，应当先将已解离的含有用矿物较多的粒级分出，不必等待将全部矿料都磨到同 样细度，从而有利于减轻过粉碎。筛选方法也就是以选择性破碎为根据的。 在了解矿石的机械性质和破碎机的施力情形以后，就要注意破碎机的施力方式应 该与矿石的性质相适应，才会有好的效果。对于硬矿石，应当用弯折配合冲击来破碎 它，如果用磨剥，机器比遭严重磨损。对于脆性矿石，弯折和劈开较为有利，如用磨 剥，产品中的过细粉末就会太多。对于韧性及粘性较大的矿石，采用磨剥的方式破碎 它，就较为合理。由于物料的机械性质是形形色色的，所以破碎机械也就多种多样。 归纳起来，施力种类因物料性质、粒度及对粉碎产品的要求而异： 1 ) 粒度较大或中等硬度的物料压碎、折断或冲击等； 2 ) 粒度较小的坚硬物料磨剥、压碎、劈开或冲击等； 3 ) 粉状或泥状物料磨剥、冲击、压碎等； 4 ) 腐蚀性弱的物料冲击、劈开、磨剥等； 5 ) 腐蚀性较强的物料以压碎为主； 6 ) 韧性物料折断或高速冲击； 茎堡查鲎三塑里主兰竺堡壅 堡塑塞壹：生塑壁垫竺塾查壁堡坌塑婴塞 7 ) 建材工业的石料压碎、冲击、劈开等； 8 ) 多组分物料冲击作用下的选择性粉碎。 2 2 粉碎能耗理论及其应用 粉碎理论要涉及物料在粉碎过程中的能量消耗问题，而物料粉碎过程又很复杂， 物料粉碎所需的能量又和许多因素有关，而这些因素在不同情况下又有不同的变化 】。粉碎物料时，粉碎工具对颗粒物料施力，当作用力超过颗粒之间的物料强度极限 时，导致粉碎。外力做的功称为粉碎能耗。外力所做的功主要消耗于以下几个方面： 1 ) 粉碎机械传动中的能耗； 2 ) 颗粒在粉碎发生之前的变形能； 3 ) 粉碎物料新增表面积的表面能； 4 ) 颗粒表面结构发生变化所消耗的能，如位错、产生表面活性点、表面形成无 定形层或氧化物层； 5 ) 晶体结构发生变化所消耗的能； 6 ) 磨矿介质之间的摩擦、振动及其它能耗。 为了深入理解破碎矿石过程，评价破碎机械的效率，和找寻更有效的破碎方法， 多年来出现了很多有关破碎耗能的理论。其中有三种最主要的、公认的关于粉碎能耗 与给料和产品粒度之间关系的学说，现介绍如下 1 2 2 2 ： 1 ) e r 雷廷格( r i t t i n g e r ) 理论 此学说由p r v o nr i t t i n g e r 提出，又称为表面积假说。当物料被破碎后，产生了 新的表面积，产物的表面积必然比原物料的表面积增多。位于物体表面上的质点，与 内部的质点不同，由于与它相邻的质点数目不够使它平衡，因而存在着不饱和键能。 分裂物体时，必须克服它的内部质点间的内聚力，使内部质点变为表面质点，表面上 的位能于是增加，因此，破碎物体要消耗一定数量的功。根据此理，p r 雷廷格认为： 外力破碎物体所作之功，转化为新生表面积上的表露能，故破碎过程所消耗的功与新 生表面积成正比。可以将这种意义表示为： d a l = 郴( 2 1 ) 式中：d a 生成新表面积嬲所需的功；，比例系数，即生成一个单位新 表面积所需的功，又可以做比表面能。 1 武汉大学工程硕士学位论文 竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究 设d 为矿块的直径，k 。为由直径求表面积的形状系数，k ：为由直径求体积的形状 系数t 那么，女。d 2 为表面积，t 2 d 为体积。又设q 为被破砰矿石的总重量，d 为单 位体积的矿石的重量，在总重量中含有直径为d 的矿块数是 n = 瓦a 歹 ( 2 2 ) 根据公式( 2 1 ) ，可以列出破碎重量为a 的矿石所需的功如下： 地= y 矗坝印2 ) = 置。q 吉凹 ( 2 - 3 ) 热弘票 设d 0 为给矿直径，d ，为破碎产物直径，在d ，与d 0 限内积分，得到： 铲蜀q j 芸扣= 墨q 旁一寺 4 ， 或 a t = k i q 【1 瓦d o 一1 - 喇f 1 ( 2 5 ) 式中：i 为破碎比。 应用上面公式时，由于矿块和破碎产物都是混合粒群，故应当用它们的平均粒度 作计算。选用计算平均粒度的方法如下。 因为破碎物料消耗的功是物料直径的函数，对于雷廷格学说，此函数的形式为 ，( d ) 2 吉。设( d 0 ) 平均是原物料的平均直径，( d 0 ) r 是原物料中个别粒级的直径，n 是 个别粒级的重量百分率。当( d 0 ) 平均能极充分地代表物料的粒度时，用它按规定的函 数计算得的结果，应当和用个别粒级按同一函数计算的结果再求得的算术平均值，即 f ( d o ) 平均2 而1 0 。、d 。) ， ( 2 6 ) 将这个道理用来求雷廷格学说中的平均直径，可以得出： ! ：土v 且 ( d 0 ) $ 1 0 0 一( d n ) ， 一8 一 堕堡查兰三矍堡圭兰堡兰苎 坚! 堕童坐塑堕垫塑垫查鲎竺坌堑竺! 坠 或 ( d o ) 平均= 了1 0 f 0 ( 2 7 ) f ! ! 厶( 域) i 同理，雷廷格理论中的破碎产物的平均直径的计算为： ( 。，) 平均= 了l o 下o ( 2 8 ) f ! ! 一( d 。) 公式( 2 7 ) 和( 2 - 8 ) 都是调和平均法。 2 ) b j i 吉尔皮切夫( k1 4 p hqeb ) 理论 此理论由基克( i ( i c k ) 和b 7 1 吉尔皮切夫( khpj i hqe b ) 首先提出，又 称为体积假说。外力作用于物体发生弹性变形时，它所作的功储存在弹性体内，成为 弹性体的形变能。岩矿是脆性物料，在弹性范围内，它的应力和应变关系并不严格遵 从虎克定律，如下式所表达： 盯”= e e( 2 9 ) 式中：仃应力；s 应变；e 弹性磨量；m 接近1 的指数，对 于花岗岩，m = 1 1 3 。 象岩矿这样的脆性体，它的弹性极限接近强度极限，因而可以把弹性范围内的 形变能公式近似地用于破裂状态。于是，体积为y 的脆性物体，在外力作用下应力为 0 一g ( 强度极限) 范围内发生变形，它储有的形变能为： u ：广y 旦二仃：生一v ( 2 - 1 0 ) j o em + le b 兀吉尔皮切夫( khpnnqeb ) 和基克都认为，外力对破碎物体所作的 功，完全用于使物体发生变形，到了形变能储至极限，物体即被破坏。他们根据这种 物理基础，提出的破碎耗能学说可以叙述为：使几何上相似的同种物料，破碎成同样 形状的产品，所需的功与它们的体积或重量成正比。这个学说的内容，可以用下式表 达： d a 2 = k d v( 2 1 1 ) 式中：d a ：破碎体积为d v 的物体所需要的功；置比例系数，即破碎一 个单位体积的物体所需的功。 武汉大学工程硕士学位论文 竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究 按照推证公式( 2 - 4 ) 的方法，并且所用符号的意义一样，可以得出 式中：置。 以：= 置j 等d t t z 。3 ，= 鬈：q - 吉d d c 2 一，2 ， ：塑 在给矿互彳垒( d o ) 和破砰直径( d 。) 限内积分上式： a 2 “：q 扣“：q 1 n d 。一l n d ，】 ( 2 - 1 3 ) 或 a 2 = 胃2 妯u d o 。= 2 3 0 3 k 2 a l g f ( 2 1 4 ) 应用公式( 2 1 4 ) 时，也要确定给矿和产物的平均直径的计算法。根据这个学 说，功耗是矿粒直径的函数，而函数的形式是培d ，故用前法导出的计算平均直径的 公式为： 蚍h = 娶磐( 2 - 1 5 ) 或 l g ( d p ) 韵= 掣秘 ( 2 1 6 ) 这两个公式都是加权平均法。 3 ) e c 榜德( b o n d ) 理论 此学说又称为裂缝假说。f c 榜德根据用一般碎矿和磨矿设备作试验得到的资 料，整理成下面的经验公式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 。当应用榜德学说时，最好照他的这个 经验公式及其中规定的各符号的意义，因为比较方便，还可以和榜德的许多研究相比 较。 肛彬c 警，厣= 芳”捂， 沼 或 w = 嵩扛岛， ( 2 1 8 ) 式中：，给矿的8 0 能通过的方筛孔的宽，微米；p 产品的8 0 能通 过的方筛孔的宽，微米；w 将一短吨( 9 0 7 1 8 公斤) 粒度为f 的给矿破碎到产品 武汉大学工程硕士学位论文 竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究 粒度为p 所耗的功，千瓦时，短吨；j 功耗指标，即将“理论上无限大的粒度” 破碎至0 8 0 可以通过1 0 0 微米筛孔宽时所需的功，千瓦时1 短吨。 在建立上面经验公式以后，榜德作了如下的理论解释：破碎矿石时，外力作用 的功首先是使物体发生变形，当局部变形超过临界点，即生成裂口，裂口形成以后， 储在物体内的形变能即使裂口扩展并生成断面。输入功的有用部分转化为新生表面上 的表面能，其他部分成为热损失。因此，破碎矿石所需的功，应当考虑形变能和表面 能两项。形变能和体积成正比，即与矿i ( ：撕尹i 矿：d s ，：) 成比例。对于单位体 积的物体，就是与d 5 ”i d 3 = 士成比例。 d 根据榜德所作的解释，采用推导前两个功耗学说的方法，不难推出： 小砌赤一击j “，q 击晦- ， 沼 式中：k ，为比例系数，其他符号与前面的相同。 如果要计算给矿和产品的平均粒度，用推导公式( 2 7 ) 及( 2 1 5 ) 的方法，可 以得到： ( d o ) 平t 0 - - - 五1 0 0 】2 ( 2 - 2 0 ) 厶再瓦 及 ( d ，) 平均：卜- 罢一】2 ( 2 - 2 1 ) 厶零丽 2 3 粉碎设备的应用和发晨 2 3 1 新型破碎设备的应用与发展， 近十年来，新型破碎设备的品种不多。这里介绍几种对于实现多碎少磨具有现实 意义和发展潜力的破碎设备。”1 。 1 ) 锤式破碎机 为了实现超细碎，8 0 年代以来，锤式破碎机作为超细碎和选择性破碎设备有了很 大的发展，其应用在扩大，尤其是对于软和中硬矿石的破碎。捷克和斯洛伐克设计的 武汉大学工程硕士学位论文 竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究 轻型锤碎机k d l ，由于结构对称，可按任一方向转动，并通过改变某些参数，其处理 能力和产品粒度组成也可以改变。该机给料粒度为2 5 0 o t m ，产品粒度可达0 2 5 r a m ， 安装功率为1 6 0 k w ，处理能力为1 0 0 1 5 0 t h 。在原苏联某稀有金属硫化矿选矿厂， 该矿为脉矿，开采贫化率高达6 0 8 0 ，有用矿物呈粗粒嵌布，9 0 9 5 有用矿物集中 在脉状矿体中，而围岩比矿脉坚硬得多。采用锤式破碎机组成的破碎流程进行工业试 验证明，一3 0 0 + 7 0 n 皿原矿经第一段锤碎，一3 0 0 + 5 0 和- 5 0 + 1 6 啦粒级产率分别为1 1 8 9 和4 1 5 9 ，金属分布率分别为1 2 3 和1 0 6 3 ，若- 5 0 + 1 6 衄粒级再进行第二段锤碎， 一5 0 + 1 6 和一1 6 + 3 衄粒级产率分别为1 7 4 7 和2 0 8 9 ，金属分布率分别为1 8 9 和 4 5 5 。因此，采用一段和两段锤碎流程，可抛弃产率为5 0 2 3 和5 3 4 8 、金属损失 率为7 6 7 和1 1 8 6 的尾矿，可作为高效拣选准备作业，锤头损耗为2 0 3 0 9 t ，电 耗0 8 k w h t 。 锤式破碎机是使物料在冲击力作用下沿自然裂隙、节理、层理等薄弱面分裂破碎， 它比利用板压、剪切、研磨破碎更有效，具有耗能低而破碎比大的特点。 锤式破碎机适于破碎抗压强度2 2 0 n m m 2 以下的，石英含量较低的脆性物料，并根 据使用物料的性质不同，给料和产品粒度不同而设计成不同的类型。 我国不少中小型水泥厂使用慢速锤式破碎机作为石灰石的单段破碎系统，但效率 较低。我国目前生产的快速锤式破碎机用于中碎的为承击式，用于细碎的有平击机。 小型有色矿山多用于第二段破碎。大连甘井子石灰石矿一台巾1 4 3 0 x1 2 2 8 衄可逆转锤 式细碎机，给料为4 0 衄中等强度石灰石，产品3 o 舢，锤头由7 0 支增到2 7 0 支，总 质量由8 7 3 6 k g ，增到2 2 8 6 k g ，生产能力由8 0 1 2 0 t h 增加到1 8 5 t h ，单位电耗由 2 4 k w h t 降为1 7 7 k w h t ，取得了良好的效果。 2 ) 立轴式冲击破碎机 立轴式冲击破碎机有两种类型，一是物料被抛掷到破碎机壳体内的颚板上，称岩 石冲击金属破碎机；二是破碎机有一个构成壳体的破碎室，岩石能以其自然休止角堆 积在壳体内，物料以极大的速度冲击岩石层，使其发生某种程度的破碎。岩石被抛掷 到个倾斜面后，就向上偏转到破碎室上部，由此转为向下移动，然后连续地从转子 抛出的岩石幕并受到二次破碎作用，称岩石冲击岩石破碎机。；i t ；n n 如图2 2 所示。 在立式冲击破碎机中，叶轮或转子的圆周速度可以高达9 9 m s ，给入破碎机内粒 度很小的物料也会受到有效的破碎，它没有冲击锤，金属磨损很小。给料粒度一般小 茎坚查兰三塑婴主堂竺堡苎 坚塑苎塑尘塑壁垫竺垫查堡竺坌堑竺茎 于6 0 毫米。可用于破碎硬质的磨蚀性的物料，对软硬物料可选择性破碎，具有干燥 性能，可通过混杂的金属，能取代棒磨机。 田2 2 立轴式冲击麓碎 ( a ) 岩石冲击金属破碎原理；( b ) 岩石冲击岩石破碎原理 3 ) 变啮角回转式破碎机 中南大学研制的变啮角回转式破碎机的结构如图2 3 所示。其组成包括机架、回 转辊、固定凹面破碎板、保险装置、调整机构、电动机及传动装置、拉紧装置。回转 辊上的破碎板l 装在辊套2 上，辊套通过滚动轴承3 装在偏心轴4 上，偏心轴通过一 对主轴装于枧架上，它由电动机通过三角腔带驱动。固定圈面破碎板5 通过悬挂轴座 7 悬挂于轴6 上，悬挂轴用滚动轴承支承在机架上。机架为组合式焊接结构。为便于 制造和维修，采用结构简单的保险板或保险销轴作为保险装置。采用圆柱螺旋弹簧加 拉杆作为拉紧装置。破碎机的破碎腔由偏心回转的破碎辊筒与固定凹面破碎板组成， 破碎腔的啮角是变化的。 该破碎机经工业试验表明，与同规格颚式破碎机相比，生产能力提高一倍以上， 能耗降低5 0 左右，衬板钢耗约降低5 0 左右，破碎比可达1 3 ，产品粒度均匀，运转 平稳。 圈2 3 回转式破碎机构篱圈 ，1 3 垄坚查堂王堡堡主兰垡堡苎 坚塑塞童：生塑堡塾堕垫查堂竺坌塑里堡l 2 3 2 新型磨碎设备的应用与发展 为了克服磨碎作业能量利用率过低的缺点，世界许多国家一直致力于开发离心磨 矿机和振动磨矿机，使其达到工业化的要求。”。 1 ) 离心磨矿机 长沙矿冶研究院王贵福研制的干式离心磨矿机，早在8 0 年代初已通过鉴定。具 有独特的结构和工作原理，电耗比球磨低3 0 ，钢耗省8 9 6 ，生产成本低4 3 9 ，生 产能力大，单位容积生产能力为球磨机的3 6 倍，重量轻，体积小，润滑简单，制造 易，价格低。 德国鲁奇公司和南非矿业局合作研制了半工业和工业试验型离心磨矿机。该机采 用水平轴的结构方案。筒体沿闭合轨迹移动，该轨迹半径为简体半径的0 4 。简体规 格为巾1 1 2 m ，转数2 0 0 r m i n ，充填率为5 0 时介质的重量为2 2 t ，筒体加速度为 9 9 ( g 为重力加速度) ，功率1 4 0 0 k w 。结构如图2 4 所示。若进行自磨则可处理小于 7 5 衄的物料。 5 l h 氘j 习一 乙 旷 几声= 们r = 崴彭 u1 卜n文少妒醪掣 己 圈2 4 离心磨矿机鲭掬系统 i 可更换简体；2 横臂：3 偏心轴；4 电机；5 减速机。 试验表明，在细磨范围内，当磨机充填率较高时，单位能耗低于球磨机。负荷充 填率为8 0 时，单位能耗低3 0 。机重比球磨机轻1 2 4 5 。当处理量为2 0 0 1 0 4 t a 时，离心磨矿机的总成本为球磨机的7 4 。 2 ) 振动磨矿机 振动磨矿机最早出现在法国，1 9 4 0 年巴赫曼系统地提出了振动磨矿机理论。5 0 年代由间歇式向连续式发展。6 0 年代形成系统产品。大型振动磨规格已达中5 2 2 5 ， 生产能力为2 0 t h ，双电机功率为2 7 5 k w 。我国从7 0 年代开始研制，西安冶金建筑 1 4 堂望查堂三矍堡主堂焦堕兰坚塑壅塑：堂塑塑盟望查堡丝坌塑里堕一 学院研制的m g z l 型振动蘑为双筒平列，规格为巾2 0 0 x1 3 0 0 h a m ，振幅2 6 3 0 m a ，振动 强度为1 5 9 ( g 为重力加速度) ，结构如图2 5 所示。 进料 p万酉芴冬 峙趁墼鳓 妇 圈2 5i i g z - i 振动磨矿机 振动磨亦属介质磨矿，但与球磨不同，它是通过简体的振动，使磨矿介质及被磨 物料呈悬浮状态，被磨物料通过处于悬浮状态的简体纵向运动受到介质研磨，并由于 振动旋转而造成的螺旋形线路在简体内移动。由于磨矿介质间的冲击、研磨，使物料 受到粉碎。振动磨的特点是单位时间内的作用次数高( 冲击次数为球磨机的4 5 倍) ， 产品粒度细，分布均匀。 国产m g z l 型振动磨机与巾1 5 5 7 m 球磨机相比较，具有明显的优点，其对比 列于表2 3 。 表2 - 3m g z - 1 g 型振动磨与e1 5 5 7 m 球磨机的比较 窘机外形尺寸重量 比机重容积生产率 ( 单位生 比力率 类型 ( m ) ( t )( t i m 3 ) ( k w t ) 产能力量) m g z 1 g1 3 l 。2 1 2 0 9 7 51 8 3 2 2 型振动磨 x o 8 口1 5 l o 3 3 ，3 9 x2 55 1 0o 1 34 3 3 5 2 5 7 m 球磨机 2 7 7 振动磨矿机在我国已用于冶金( 耐火材料、碳素、铁合金等) ，化工( 磷肥等) ， 建材( 硅灰石、水泥等) ，煤炭和选矿( 黄金矿、铬铁矿、石墨等) 行业。其中有粗 磨，也有超细磨；有干磨，也有湿磨。 某水泥厂用振动磨机对硅灰石进行深加工，给料粒度为不大于l o 毫米，原料含 水量为2 5 ，介质采用普通4 5 号钢棒，充满系数约为7 5 ，处理能力达3 4 t h ，产 品细度为一4 0 0 目占9 0 ，能耗只有球磨机的5 0 。各国振动磨矿机主要性能列于表2 4 。 武汉大学工程硕士学位论文 竖轴式离心粉碎机的动态特性分析研究 表2 - 4 各国振动磨矿机的主要性能 国别 中国德国日本 项目 型号 m g z 1p a l l a