（机械制造及其自动化专业论文）实验室粗碎用颚式破碎机破碎衬板研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 实验室粗碎用颚式破碎机破碎衬板研究 摘要 复摆颚式破碎机是破碎物料的主要设备，广泛应用于黑色、有色冶金、 矿山、建筑等行业。相比于国内众多类型的破碎机，复摆颚式破碎机因其 成本低、生产效率高而得到广泛的应用。颚式破碎机的破碎腔是由动颚板、 定颚板及机架两侧壁的衬板组成。破碎腔的形状是由进料口尺寸、排料口 尺寸、啮角、动定颚板以及两侧壁衬板的布置方式、衬板的纵向和横向断 面的形状等因素所决定的，而这些因素直接影响了破碎机的生产率、产品 粒度组成、比能耗、粒形和破碎衬板的使用寿命等。因此受到了国内外学 者的重视，并结合现代计算机技术进行了大量的研究。 为了实现“最优腔形”的要求，本文充分考虑物料流动及破碎的实际 情况，设计出一种实验室用的小型颚式破碎机。提出了合理的破碎腔形结 构，计算出了破碎腔的各形状参数、物料进料周期、电机转速、破碎机产 量及能耗，确定了破碎衬板及衬板齿形的参数尺寸，从而给出破碎衬板的 三维实体模型。并利用自顶向下设计中的布局模块来设计控制曲柄摇杆机 构，将衬板模型装配在连杆上，在此基础上应用p r o m e c h a nis m 分析了破 碎衬板齿面的复杂运动特性。根据单颗粒物料会在破碎腔内经过若干次流 太原理工大学硕士研究生学位论文 动和破碎的特性，计算出破碎衬板的破碎力分布情况，为用p r o m e c h a n i c a 进行破碎衬板的有限元分析提供精确的模型和动态载荷的加载。主要工作 内容如下： ( 1 ) 结合单颗粒物料在破碎腔内的流动破碎及物料本身的特性，提出 新的颚式破碎机的设计方法。经过计算精确的给出颚式破碎机的结构及工 作参数，提出一种新的合理的破碎腔形，设计出新的破碎衬板一曲线梯形 齿形。 ( 2 ) 基于自顶向下的曲柄连杆机构布局设计，利用p r o m e c h a n i s m 模 块对动颚上的破碎衬板进行运动学分析，给出待测试关键点的水平方向及 竖直方向的位移、速度、加速度及其运动轨迹曲线，得出破碎衬板齿面上 的复杂运动特性的运动规律。 ( 3 ) 计算出破碎衬板在各个破位的受力大小，结合物料的流动破碎特 性，给出破碎衬板的静态及动态的受力加载分布图，应用p r o m e c h a n i c a 模块，对破碎衬板进行静态分析及疲劳分析，得出相应的应力应变云图， 对破碎衬板的受力磨损分析及寿命预测提供了有力的理论依据。 关键词：颚式破碎机，破碎衬板，布局，运动学分析，有限元分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c ho fl a b0 r a r o r y 儿抓，c r u s h e rl i n e r b a s e d0 nc o a r s ec r u s h i n g a bs t r a c t t h ej a wc r u s h e ri st h em a i ne q u i p m e n to fb r e a 虹n gm a t e r i a l s i ti sw i d e l y u s e di nf i e r r o u sm e t a l l 嘲n o n f e r r o u sm e t a l l u 培y ，m i n i n g ，c o n s t m c t i o nt r a d e s a j l do t h e ri n d u s t r i e s w h e nc o h l p a r e dt ot h ed o m e s t i cm a n y 够p e so fc m s h e r s ， p e n d u l u mj a wc m s h e “sw i d e l yu s e df o ri t s1 0 wc o s t 姐dh i g he m c i e n c y t h e c r u s h i n gc h 趿l b e ri sc o n s i s to fa c t i v eja wp l a t e ，f i x e dja wa n ds i d e w a r dl i n e r p l a t e s t h es 1 1 a p eo ft h ec i u s h i n gc h 锄b e ri sd e c i d e db yd i s c h ：a r g i n gp o i r ts i z e ， f e e d i n gp o r r ts i z e ，n i ea n g l e ，跗a 1 1 9 e m e n to fm o v e da 1 1 d6 x e da n ds i d e w a r d1 i n e r p l a t e s ，l o n g i t u d i n a la n d 竹a n s v e r s es e c t i o ns h 印eo ft h el i n e ra n ds oo n t he ：s e f a c t o r s d i r e c t l y a f j f e c tt h ec m s h e ro fp r o d u c t i v i t y ，p r o d u c t i o n s i z e ，e n e 唱y c o n s u r n p t i o n ，g r a i ns h 印ea n dm es e r v i c el i f eo ft 1 1 el i n e re t c s od o m e s t i ca 1 1 d f o r e i g ns c h 0 1 a u r sp a yal o to fa t t e n t i o nt oi ta j l dd oal o to fr e s e a r c hb ym o d e m c o m p u t e rt e c l u l o l o g y i no r d e rt or e a l i z et h e o p t i m u mc a v i t ys h a p e r e q u i r e m e n t ，w ed e s i g na n e wl a b o r a t o 拶ja wc m s h e rw i t hc o a r s ec m s h i n gb a s e do nc o n s i d e r i n gt h e m a t e r i a ln o w i n ga l l dt h e 、a c t u a ls i t u a t i o no fc r u s h i n gi nm i sp 印e r g i v eag o o d c m s h i l l gc a v i t ys h a p es t n l c t u r e c a l c u l a t et 1 1 ep a r a m e t e ro fc m s h i n gc a v i t y s h a p e ，m a t e r i a lf e e d i n gc y c l e ，t h em o t o rs p e e d ，t h ee n e 略ya n dp r o d u c t i o n o f c r u s h e r d e t e 吼i 1 1 ep a r a m e t e r so ft 圭l el i n e ra n di t st o o t hp r o f i l e a n dg i v em e3 d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o d e lo fl i n e r c o n t r 0 1t h ec r 龇墩r o c k e ro 玛a n i z a t i o nb a s e do nm et 9 p d o w n d e s i g l l o f1 a y o u t a s s e m b l et h el i n e ro nm e c o m l e c t 逾g r o d u s et h e p r o m e c h a n i s mt os i m u l a t et h ec o m p l e xm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm el i n e r b a s e do nm em o d e l c a l c u l a t et 1 1 ef o r c ed i s t r i b u t i o no f1 i n e rf o ri t sf l o w i n ga n d c m s h i n gc h a r a c t e r i s t i c si nc r u s h i n gc a v i 劬i no r d e rt op r o v i d ea c c u r a t em o d e l a n dd y n a m i cl o a do f1 0 a d m gi n6 n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h em a i nw o r ko ft h i s p 印e ra sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) g i v ean e wd e s i g nm e t h o do ft h ej a wc i 、j s h e rb a s e do nf l o w i n ga n d c r u s h i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i n 9 1 ep a r t i c l em a t e r i a li nc m s h i n gc a v i 吼g i v e t h es 觚c t u r ea n dw o r k i n gp 甜眦l e t e r so fj a wc r u s h e ra r e ra c c u r a t ec a l c u l a t i o n s u g g e s tag o o df o m lo fc r u s h i n gc a v i 够d e s i g nan e w1 i n e rw 池c u r v et r 印e z o i d t o o t l l ( 2 ) b a s e do nm e l a y o u to fc r 甜汰 r o d s y s t e m o n t o p d o w n u s e p r o ：m e c h a n i s mt os i m u l a t et h ek i n e m a t i ca n a l y s i so ft h el i n e r ，w h i c hf i xo nt l l e m o v i n gj a w g i v et h ed i s p l a c e m e n t ，s p e e d ，a c c e l e r a t i o no ft h ek e yp o i n t si n h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n o b t a i nt h ec o m p l e xm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s o f t l l el i n e r ( 3 ) c a l c u l a t et h ef o r c eo fm el i n e ri ne a c hc m s h i n gl o c a t i o n c o m b i n e d w i mt h en o w m ga n dc m s h i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l g i v e 也es t a t i ca n d d y n a m i cs t r e s sd i s t r i b u t i o no f1 i n e r u s em ep r 胡e c h a n i c am o d u l et oa n a l y z e s t a t i ca n a l y s i sa n df a t i g u ea n a l y s i so ft h el i n e r d r a wt h ec o r r e s p o n d i n gs t r e s s c l o u da n ds t r a i nc l o u do fm el i n e r p r o v i d eas t r o n gt h e o r e t i c a lb a s i so nt h e s t r e s sa n a l y s i sa n dl i f ep r e d i c t i o n i v k e y w o r d s ：j a wc r u s h e r ，1 i n e r ，l a y o u t ，k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 粉碎是当代飞速发展的经济社会的一个必不可少的工业环节。粉碎包括破碎和粉 磨，凡在外力的作用下，将大颗粒物料变成小颗粒物料的过程叫破碎，其使用的机械称 为破碎机。将小颗粒物料变成粉体物料的过程称为粉磨或磨碎，所使用的机械称为粉磨 机械。破碎机被广泛应用于各种金属、非金属、化工矿物原料及建筑材料等行业。在实 际的生产中，以大型选矿厂为例，破碎粉磨的费用将近占整个选矿厂投资总额的5 0 ， 由此可见其在相应的生产中占着极其重要的地位。在粉碎工作过程中，粉碎是一种耗能、 效率低的作业过程，且工作时伴随着摩擦、噪声及振动等，从而消耗了大量的能量【1 1 。 因此多年来国内外学者一直致力于研究如何能在保证产量的前提下尽量降低粉碎的能 耗，这些研究涵盖了理论上的设计研究、设备上的改进创新、生成工艺上的合理提高等 【2 】【3 】，从而为破碎机的发展提供了科学可靠地保证。 1 1 颚式破碎机的发展和研究现状 白第一台颚式破碎机问世以来至今已有1 5 0 多年的历史，是由美国人布雷克( b 1 a k e ) 发明的嘲。在此过程中，其结构得到了不断的改进和提升。颚式破碎机依据动颚的运动 特性的不同可分为：简摆式和复摆式两种。图1 1 所示即为简摆式颚式破碎机，其工作原 理为：在电动机8 的驱动下，通过由皮带7 和皮带轮参组成的带传动将力传递给偏心轴6 ， 由偏心轴的偏心运动带动连杆1 1 做偏心运动。当连杆向上运动时，由于肘板1 0 和1 2 问的夹角变大推动了动颚板3 向定颚板1 靠近，从而使夹在其中的物料2 发生破碎：当 连杆做向下运动时，肘板1 0 和1 2 之间的夹角变小，动颚板由于受到拉杆弹簧9 的拉力 而逐渐远离定颚板，在此过程中被破碎的物料从排料口排出，随着电动机的连续转动带 动动颚做周期性的圆弧运动，从而实现物料的周期性破碎。这种破碎机因其动颚绕悬挂 轴做周期性的圆弧摆动，故称为简摆颚式破碎机。图中所示的该机为一曲柄双摇杆机构。 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 而将上述悬挂动颚的轴去掉并将其直接挂在偏心轴上，并一同去掉前肘板及连杆，即构 成曲柄摇杆机构。该机构不仅使动颚板随偏心轴的转动做偏心运动还绕同一中心做摆 动，从而构成一种复杂的平面运动，故称为复摆颚式破碎机。见图1 1 。 卜固定颚板；2 一物料；3 一动颚板；4 一动颚悬挂轴；卜固定颚；2 一动颚； 5 一带轮；6 一偏心轴；7 一带；8 一电动机；9 一拉杆弹簧； 3 一偏心轴；4 一连杆 1o 后肘板；1 1 一连杆；12 一前肘板；13 机架 5 一肘板；6 一弹簧；7 拉杆 图1 1 简摆颚式破碎机聋复摆颚式破碎机f 4 】圈 f i g 1 - 1s i m p l ep e n d u l 啪j a wc m s h e ra n dc o m p o l n l dp e n d u l 啪j a wc m s h e r 两种破碎机比较，简摆式颚式破碎机其优点：在垂直方向上动颚的行程较小从而减 小了破碎衬板的磨损，节约了衬板的材料；在工作中，连杆施加较小的力能给肘板产生 很大的推力；其缺点：首先，结构复杂且机身笨重，相比同规格的破碎机要中2 0 3 0 。 其次，动颚的运动轨迹不理想，虽在垂直方向上可减小磨损，但在水平方向上其进料口 处的行程小、排料口处的行程大，不能保证产品的粒度并且在破碎物料过程中会阻碍排 料。因此，在相同条件下其比复摆颚式破碎机的生产效率低3 0 左右。随着科技的进步 及采用现在的设计方法，复摆颚式破碎机基本替代了简摆颚式破碎机，从目前国内外市 场来看，绝大多数还是使用复摆颚式破碎机，但还是以常规设计和经验设计为主，新的 设计理念较少。 颚式破碎机制造厂家在国外主要有美国n o r d b e r g 、t e l - s m i m 、k u e k b n ，德国 k h d 、融u p p ，瑞典s v e d a l a 和日本神户等等，其产品主要以大中型颚式破碎机为主， 且以制造先进、可靠性高、使用期长及自动控制技术先进占据着极大的市场优势。近些 年来，国际破碎机市场更是发生了巨大的变化，发达国家通过对本国制造业的改革，导 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 致简摆颚式破碎机已逐步退出了历史的舞台取而代之的正是复摆式的颚式破碎机。并将 破碎机的研制重点放在了大型颚式破碎机上，进一步增强了自身的市场竞争力。而在国 内，复摆式颚式破碎机也已经逐步取代了简摆式颚式破碎机在各个行业中的使用，但只 有很少数的颚式破碎机能达到世界的先进水平，说明在国内生产的众多破碎机类型中， 无论在技术上还是在使用上都与国外的颚式破碎机存在着很大的差距。主要表现在应用 新型耐磨材料少、大型号机型少、计算机辅助设计水平低、设计开发力度不够、自动控 制水平低以及制造工艺水平差等方面【6 】。为了缩短与世界先进水平的差距，在设计和生 产破碎机方面能与发达国家相提并论，一定要打破传统的靠经验设计的模式，不断地发 展创新，大胆提出新的设计思想和理念，在实践中提高我国颚式破碎机的技术水平。 在国内，为了提高传统颚式破碎机的生产效率和改善其性能，相继研究出了多种类 型的颚式破碎机主要有：双动颚颚式破碎机，该破碎机是由辽宁某学院和企业合作设计 开发出的，是由两个没有定颚板且拆掉前墙的破碎机相对而置组成的，其在偏心轴上安 装了一对开式齿轮以保证两动颚的同步运转，这时破碎腔便由两个动颚组成。双动颚颚 式破碎机具有生产能力高、成本低、使用寿命长和衬板磨损小等特点；双腔双动颚颚式 破碎机，该破碎机由安徽某设计院发明，是在颚式破碎机的基础上演变而来的，它集中 了颚式破碎机的优点，充分利用了其破碎机空载行程的蓄能作用，使其生产能力提高近 一倍，且破碎产品粒度细而均匀；冲击颚式破碎机，该机由中南大学周恩浦教授研究开 发，具有强力破碎的特点，适合破碎硬及超硬的物料，像硅铁、云石、碳化钨等；外动 颚颚式破碎机，该机改变了传统颚式破碎机的设计理念，其连杆不再是传统意义上的动 颚，而仅是连杆上的一点的延伸，偏心轴通过边板将力传给外动颚。这种机型具有外型 低，衬板寿命长、生产能力高、能耗低和噪声低等特点【7 】【8 】，其结构如图1 2 所示：- j 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 卜静颚；2 一动颚；3 一曲柄；4 一连杆；5 一肘板；6 一动颚轨迹 图卜2 新型外动颚匀摆颚式破碎机嗍嘲 f i g 1 - 2a n e wo u t s i d es w i n g j a wp l a t eo f c r u s h e r 在国外，随着对颚式破碎机技术的不断深入研究，国外也出现了许多新型的颚式破 碎机。其中俄罗斯选矿设计院研制出一种新型的振动颚式破碎机，和其他类型的破碎机 比它主要适用于破碎强度较大的物料。其工作部分主要由振荡器和动颚部组成，在物料 破碎过程中，不平衡振荡器利甩其产生的离心惯性力结合高频振动实现物料的破碎且可 以通过调节振荡器的振动振幅来控制产品的粒度。被广泛应用在破碎较硬金属、硬质矿 等破碎行业【1 0 】，结构如图1 3 所示： 卜机座；2 一颚板；3 一不平衡振动器；4 一扭力轴 图卜3 振动颚式破碎机【1 o 】 f i g 1 3 b r a t i o nj a wc m s h e r 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 无论国内还是国外设计研究的破碎机，都在一定程度上对破碎机行业的发展起到了 积极的推动和促进作用，但由于各种原因，多数机型没能得到大面积推广使用。如外动 颚颚式破碎机更适用于地下矿山作业，而在国内大多数的企业生产和现场使用的依旧是 传统颚式破碎机，而且近几年国内机械设备展览会上仍以传统颚式破碎机为主，很少有 新型的颚式破碎机出现【1 l 】。 7 目前，我国许多中小矿山厂由于资金、技术有限对破碎机的研究大多侧重于小型破 碎机上，而国际上破碎机正在向大型化、节能多破等方向发展。像大型的旋转破碎机、 圆锥破碎机都主要由国外企业生产制造。而且国内各制造厂商生产的颚式破碎机技术水 平相差也很悬殊，只有少数厂家的产品基本接近世界先进水平，而大多数厂家的产品与 世界先进水平相比差距仍然很大。像上海建设路桥机械设备有限公司经过与高校的多年 合作研制出的山宝牌颚式破碎机就销往欧美各大洲以及东南亚等各国，产品基本上达到 了世界的先进水平，上建成功的原因就在于保证了颚式破碎机的动颚有最佳的运动特 性，而这个最佳运动特性是由上建公司所开发的专门针对颚式破碎机的c a d 软件，借 助其中的机构优化设计模块对破碎机进行优化设计得到的卯。因此，颚式破碎机机构优 化设计是保证破碎机有最佳性能的根本方法。随着近几年计算机技术的飞速发展，出现 了大量针对复摆颚式破碎机的机构优化设计的研究。各种优化设计方法主要有：以排料 口、给料口处行程特性比值最小、生产能力最大、功耗最小、曲柄半径最小、偏心轴受 力最小等为目标函数，但约束条件基本都由经验公式或者个人经验所设定【1 2 】【1 羽。同时， 由于国外企业的对自身的技术加强了保密，各大破碎机制造商所生产复摆颚式破碎机具 体设计细节及无法得知，再者由于自身技术水平有限。在相当长的一段的时期内，我国 生产的颚式破碎机很多都依靠图解法或针对引进产品的类比法所设计的，甚至直接引用 简摆颚式破碎机的相关研究结论f 1 9 】。严重制约了我国颚式破碎机的发展了。 从上述颚式破碎机发展及国内外研究状况来看，为了缩短与世界先进水平的差距， 除了借鉴学习国外先进技术外，还应积极采用现代设计方法来代替原有的常规设计和经 验设计。充分利用飞速发展的计算机辅助设计技术来提高产品的性能、优化关键的机构、 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 缩短研发的周期，提升自身的竞争力。如近些年在机械行业中得到很好应用的二维 a u t o c a d 软件及三维的p r o e 、a n s y s 、灿) a m s 等。我们相信，在如上建实践结果 的拉动下，充分地将计算机应用到颚式破碎机的优化设计中，各厂家、高校、研究单位 会提出更好的设计方法，结合新的设计制造工艺等综合技术水平，我国的颚式破碎机会 逐步达到世界的一流水平。 1 2 破碎理论的研究现状 破碎是一种使物料粒度减小的高耗能、低效率的作业过程，在选矿厂4 0 u6 0 的 功都消耗在破碎和磨碎上，故一百多年来关于破碎理论的研究都以功耗问题为重心，也 就是说研究破碎过程与能量消耗关系的学说，细说亦即破碎过程中输入功与破碎前后物 料粒度变化的关系【2 0 】【2 1 1 ，从而为确定物料的可粉碎性、合理选择和设计粉碎设备、正 确评价粉碎效率等提供理论依据，更对合理地利用能源、节约能源具有重要的意义。 在传统的功耗研究中，各国学者提出了各种不同的观点和理论，公认的破碎功耗理 论有面积学说、体积学说、裂缝学说口1 】【2 2 1 。 ( 1 ) 面积学说，由德国学者p rv o n 融t t i n g e r 于1 8 6 7 年提出，这也是最早的首次 系统的阐述了物料破碎前后状态与消耗功之间的关系。雷霆格认为：因为物料表面上质 点与其内部质点的性质不同。在物料破碎的过程中，外力做的功用主要用于克服剪切变 形产生新表面积所需的能耗，即破碎的功耗与新生表面积s 成正比，则d = k 搬。 经推导有公式： 。 = k q 譬 ( 1 1 ) 式中：墨为综合比例系数，墨= 警粤； d 纸 五一比例系数； 畸、恕一物料表面积、体积的形状系数； 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 万一单位体积物料的质量； q 一物料质量； d 一物料破碎前平均直径； f 一破碎比。 经长期的实际应用和理论研究证明，面积学说适用于数十微米到数百微米的细粉碎 中，因在细粉碎过程中其破碎比较大，新生的表面积多，表面能变化大。 ( 2 ) 体积学说，是由俄国学者b r 基切夫、德国学者f 基克( 瞄c k ) 分别于1 8 7 4 年和1 8 8 5 年提出的。该学说主要是解释破碎的输入功与破碎前后物料的潜能之间的关 系，他们认为：在物料发生破碎前后，因变形和产热所消耗的功应与物料的体积的变形 是成正比的，即破碎机的功耗吸与物料的体积变形矿成正比，那么d = 恐d y 。经 推导有公式： 吸= 砭q 苦 ( 1 _ 2 ) 式中：为综合比例系数，= 等； 眨一比例系数。 体积学说适用于数十微米到数毫米粒度范围的粗碎，因为在这一阶段其破碎比不 大，新生表面积不多，变形能占了主要部分。 ( 3 ) 裂缝学说，由f c 邦德( b o n g ) 和中国王仁东提出。该学说综合考虑了物料 破碎时的变形能和表面能，他们认为：当外力作用于物料时，在物料破碎过程中，该外 力先是迫使物料发生变形，当局部变形超过了极限值后，便会形成与物料表面相垂直的 裂纹，再由物料内储存的变性能使裂纹逐渐扩大形成断裂面从而使物料发生破碎。在该 破碎过程中，破碎机输入的功一部分用于新生表面所消耗的表面能，一部分因摩擦生热 转化成热而损失掉。因此，物料破碎时所需的功应充分考虑变形能和表面能，缺一不可。 当等量地考虑这两项时，则所需的功取为二者的几何平均值，即与矿歹成正比例。 也就是说，粉碎物料所做的功敝与新生成的裂缝的程度五f 五：i 成正比。经推导有公 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 式： = 玛q 等 ( 1 - 3 ) 非恐为综合比例系数，巧= 篑； 乃一比例系数。 裂缝学说与面积学说和体积学说相比，主要用于中等破碎比的粗碎过程中，其主要 反映了物料破碎时裂纹的形成及其扩展的过程。 综合上述三大破碎理论，1 9 5 7 由r ic h a r e l s 提出了一种破碎能耗的普遍公式： 口矿：一c 生( 1 4 ) x “ 式中：x 物料粒度5 c 与设备性能有关的系数； 以与物料特性有关的系数。 当n 分别为l 、1 5 、2 时，积分式可分别得到体积学说、裂缝学说和面积学说的相 应公式，而三个学说分别有其片面性、适用性和互补性。在真实的物料破碎过程中，往 往会经历由体积学说向裂缝学说再向面积学说逐步过渡的过程。虽然在长期的工业实践 中起到了重要盼指导作用，但随着技术的发展对更能反映实际粉碎状态的破碎理论已迫 在眉睫。 1 3 选题目的和意义 目前，国内破碎机类型很多，但得到广泛使用的还是复摆式的颚式破碎机。由于该 颚式破碎机动颚的运动特性决定来了其在上端及下端运动的不同步性，从而物料在破碎 腔内受动静颚板的交替性的压碎，并且因动颚在排料口处的的垂直行程相对较大，故非 常有利于物料的排出，特别对一些特殊的物料( 如粘性大、湿度大的物料) 排料效果更 好。再者，因其结构简单紧凑，工作可靠，生产率较高。从而广泛应用于矿山、建材、 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 公路、冶炼、铁路、化工等行业 4 】。多少年来为祖国的建设带来了巨大的效益。 但是这种颚式破碎机也存在自身不可忽略的缺点：如动颚的垂直行程相对较大，也 会导致物料在破碎中不仅受到挤压作用，还会与颚板产生巨大的摩擦作用，从而加剧了 物料的粉碎现象，增加了能量的消耗，加大了颚板的磨损。并且在其破碎物料时，动颚 会受到巨大挤压力，因动颚是直接悬挂在偏心轴上，所以也经常会造成的设备事故，像 轴的断裂、轴承被压碎、动颚体的断裂、机体破碎等等【5 1 。这些设备事故的发生除了有 工作环境恶劣，工作中使用不当，及长期使用中产生的金属件疲劳等因素之外，最主要 原因就是破碎机本身的破碎腔形和破碎衬板的设计不合理造成的。 在颚式破碎机破碎衬板研究方面，现有技术中通常使用的颚式破碎机衬板采用竖直 平行的直线型三角齿结构，并且厚度均匀，也就是从上至下的厚度相同。在进行物料破 碎工作时，大块物料在破碎腔上部被挤压时，由于受到垂直于动颚衬板表面上的作用力 及沿着齿面的摩擦力，物料有可能产生相对的滑动、翻转甚至蹦料，使物料很难得到有 效的破碎。顺利进入破碎腔进行破碎的物料，经历多次破碎后物料会集中在靠近破碎腔 排料口的地方，此时的物料被视为合格的产品，但同时也很容易在破碎腔的中下部发生 物料的重复破碎的情况，即颚式破碎机的堵料现象。因此，大大影响颚式破碎机的生产 效率，同时也加剧了排料口处衬板的磨损，造成了很大的材料浪费和经济损失。 查相关资料表明，目前主要从以下两方面来研究破碎衬板： 一是从材质上找到高耐磨性能材料。现有颚式破碎机上所使用的齿板，一般是采用 由英国哈德菲尔德发明的普通高锰钢。因其在冲击载荷的作用下，会产生表面硬化，不 仅使其能形成既硬又耐磨的特性还能保持其本身所具有的韧性，所以在破碎机上得到了 广泛的应用。但在不同的工作环境条件下，高锰钢的这种特点会被限制其破碎工作时间 也极具下降，从而造成了材料的巨大浪费。随着科学技术的发展，近些年国内外采用了 一些再合金化的高锰钢或新的材料来制作破碎衬板，如高铬白口铸铁、高碳高锰钢、加 铬高锰钢、微合金化高锰钢等，因其提高了普通高锰钢的初始硬度及在低冲击载荷下的 加工硬化能力从而进一步提高了破碎衬板的使用寿命。 二是合理确定齿板的结构形状和几何尺寸。如江西稀有金属钨业控股集团有限公 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 司，针对我国现有技术中颚式破碎机衬板采用通常竖直平行，厚度均匀的直线型三角齿 结构而造成的影响生产率和衬板磨损太快的问题，提出了一种新型的颚式破碎机。在动 颚衬板和定颚衬板方面都做了改进：动颚衬板上的齿条在竖直方向上的两端为直线型三 角齿，齿条沿动颚衬板的水平中线上下对称，并且沿垂直中线左右对称；在中部采用横 向圆弧型三角齿相的结构；动颚和定颚衬板的表面沿长度方向为弧面，弧面半径与弧长 成正比例，并且弧面半径为弧长的2 0 5 0 倍( 见图卜4 ) 【2 3 】。从而延长了衬板寿命，降 低了破碎衬板的单位消耗，提高了生产效率。 一氆 1 1 二 1 一 。 l 0 ，一 玉 樾毒= 宅轷 1 lf 童 窃 ：。中。 氨 q 。 氩 譬 一_ 隔 珥 图卜4 新型破碎衬板1 2 3 l f i g 1 4n e w c m s h e rl i n e r 在颚式破碎机的破碎腔形研究方面，一般是根据实践经验与理论分析来确定破碎腔 形的，并指出破碎空间的纵向剖面的形状对生产能力、单位功耗及衬板的寿命有较大的 影响，根据定颚板、动颚板的形状，可以把现有的腔形分为：直线直线型、曲线( 上 部) 直线( 下部) 型、曲线一直线型等，曲线腔形具有很多优点而被广泛应用。近几年 也有很多学者提出了各种关于破碎腔形的优化方法，如：以排料口处生产率为目标函数； 】0 太原理工大学硕士研究生学位论文 以相邻物料层破碎前断面积之差的均方根为目标函数；基于物料分层破碎原理，按各层 当量物料质量与排料层当量物料质量的差值极小为目标函数等【2 4 】- 2 7 1 。我们知道，破碎 机性能优劣关键在于能否保证动颚齿面具有最佳的运动特性，而动颚的复杂运动特性很 大程度上又取决于破碎机的机构尺寸和破碎腔形的形状尺寸。因此，对破碎腔形的更深 入合理的研究是提高破碎机性能最有效的途径。 总之，破碎腔形的优化设计是一个复杂的问题，设计过程中不仅要考虑破碎机的机 构参数尺寸、动颚摆动特性、物料破碎特征，还应充分考虑物料颗粒在破碎腔内破碎过 程中的合理流动特性。而不能总是依靠经验设计或直接套用简摆颚式破碎机的设计方 法，仅仅以假设动颚作平行运动及物料在破碎时处于静态的理想模型进行分析设计，其 结果必然无法设计出性能优良且切合实际破碎的复摆颚式破碎机，也必然会导致物料滞 留、颚板受力分布无法确定、破碎衬板磨损严重、耗能高、成本高等一系列问题。 所以，本论文的目的旨在研制出高效合理的破碎衬板及破碎腔形，其对颚式破碎机 的发展及性能的提高无疑具有重要的现实意义，即合理的解决破碎衬板和破碎腔形问 题，对提高颚式破碎机的破碎效率、增大破碎比、更准确的控制排料粒度，尤其在将破 碎物料破碎得粒度较小时、延长衬板寿命、降低颚式破碎机衬板的单位消耗、保证企业 的生产效益、提高颚式破碎机的性能具有巨大的意义。 1 4 本文主要研究内容 针对上述国内颚式破碎机普遍存在的破碎衬板和破碎腔形的问题，国内关于颚式破 碎机的相关研究却仍以经验设计为主，缺乏新的理论研究。为解决上述问题，本课题给 出了一种新的研究路径，即在曲柄摇杆机构原理基础上，充分合理地结合单颗粒物料在 破碎腔内流动破碎的特征，设计出新一代的颚式破碎机。在此基础上计算出新型颚式破 碎机的结构参数、工作参数、破碎腔形状尺寸及对主要构件( 破碎衬板) 的结构设计， 该课题旨在为颚式破碎机向“多碎少磨”、降低功耗、节约成本的方向发展提供一种新 的设计理念及理论依据。具体内容如下： 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 结合单颗粒物料在破碎腔内的流动破碎及物料本身的特性，设计出了一种新 型的颚式破碎机。经过计算精确的给出了新型颚式破碎机的结构及工作参数，给出一种 合理的破碎腔形，设计出新的破碎衬板梯形曲线弧度齿面 ( 2 ) 基于自顶向下的曲柄摇杆机构布局设计，利用p r o m e c h a n i s m 模块对动颚上 的破碎衬板进行运动学分析，给出待测试点的水平方向及垂直方向的位移、速度、加速 度及其运动轨迹曲线，得出破碎衬板齿面上的复杂运动特性的运动规律。并通过理论计 算得出衬板齿面任意一点运动学参数的计算公式。 ( 3 ) 计算出破碎衬板在各个破位的受力大小，结合物料的流动破碎特性，给出破 碎衬板的静态及动态的受力加载分布图，应用p r 0 m e c h a l l i c a 模块，对破碎衬板进行静 力分析及疲劳分析，得出相应的应力应变云图，对破碎衬板的受力磨损分析及寿命预测 提供了有力的理论依据。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章新型颚式破碎机的设计方法 由于物料在破碎腔内的破碎是一个复杂的过程。就目前针对颚式破碎机的研究现状 来看，对物料在破碎腔内流动破碎过程的描述主要有两种模型：分层流动破碎假说【4 4 】和 物料质量总体平衡瞰】【2 8 1 ；并定义物料在破碎腔内的挤压过程为动颚上一点在其水平方 向上的正向移动，在物料与动颚板接触时如发生了水平方向的正向移动说明物料受到了 动颚板的挤压作用从而使物料发生破碎。很明显这一原理更适用于简摆颚式破碎机，因 为其将动颚的复杂摆动特性理想地视为动颚的平动，物料在破碎腔内仅受到动颚板的水 平挤压作用，而实际上物料在破碎腔内是运动的且离散分布的，依据这样的原理设计出 的破碎腔形很显然影响了颚式破碎机的性能。而能充分考虑单颗粒物料流动破碎及合理 结合动颚板运动特性进行破碎腔形的研究设计，在国内几乎为空白。 2 1 新型颚式破碎机的设计方法 为了突破传统的颚式破碎机的设计方法，为颚式破碎机的研发提供新的设计理念。 本文在基于传统颚式破碎机曲柄摇杆机构的基础上；充分考虑单颗粒物料在破碎腔内会 经过若干次流动及破碎的现实依据，提出一种新的设计方法，该设计思想的前提： ( 1 ) 待破碎物料在破碎腔内破碎后，必须腾出其本身的空间后才会经历下一次破 碎，其破碎的情况亦即如此，直至经过若干次破碎后从排料口排出。 ( 2 ) 根据白相似性原理，物料破碎后其特征与破碎前相似，也可以说当球形或方 形物料破碎后其仍为球形或方形物料。且一个物料破碎后其一分为二变为两个物料，两 个物料又视为两个相互独立的单颗粒物料进入下一次的破碎，破碎情况亦然。 对于单颗粒球形物料而言，进入破碎腔内后，首次发生破碎若一分为二，则破碎前 后的球形物料的直径间的关系由下式计算，如图2 1 表示了球形物料在破碎腔内流动破 碎的纵向截面示意图： 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 嚣 图2 1 球形物料流动破碎示意图 f i g 2 - 1f r a g m e n t a t i o n 狮dn o w a g es c h e m a t i cd i a 孕锄o fs p h e r i c a l m a t l 。r i a l 设破碎机的破碎腔允许的最大给料尺寸为d o ，即球形物料破碎前的直径为d o ( 以 下简称d o ) ，发生破碎后变为两个球形物料其直径为d 1 。则根据破碎前后球形物料体积 相等v o = v l 有： 量刀c 孚) 3 - 2 号刀( 孚) 3 ( 2 - ，) 3 2 3、2 得到： d o = 缅l ( 2 2 ) 也就是说，球形物料破碎后的直径d 1 并不是破碎前d o 的一半，而要大于d o 的一半。 这样，在腾出d o 空间的过程中经历了第二次破碎，第二次破碎的情况即为并排排列的 两个d 1 ，相当于同时放了两个相互独立的单颗粒球形物料，故第二次破碎的情况与首 次破碎过程一样。 】4 太原理工大学硕士研究生学位论文 此时，破碎机的破碎腔给料口的宽度b 为d o ，长度l 为2d l 。这是确定破碎腔进 料口尺寸的依据。而破碎前直径d o 与破碎后的直径d 1 的比值即为破碎机的破碎比t 1 。 由于到底经历了几次破碎物料才能顺利从排料口排出尚且不知，但每次破碎后无论几个 物料其破碎情况都是基于单颗粒的，故破碎情况和物料d l 一样，每个单颗粒的物料破 碎后均一分为二。 设经历n 次破碎后球形物料由d o 变为d n 后，从排料口完全排出，则： 破碎机的破碎比t 1 为： 7 2 爰 协3 ， 破碎机的破碎腔口宽和长为： 州斟。 协4 ， 由上述可知，球形物料d o 在破碎腔内所占据的空间s o ，在破碎腔的纵向截面上表 现为梯形的面积：即上底为a 0 ，下底为b o ，高为h o 的梯形面积。在d o 发生破碎到腾出 其本身空间的过程中，假设s o 的体积需要m 次从排料层s n 排出，则s o 被分成m 等份 相同的体积，在排料层每排一次s n 时，s 。相应下降了妾高度的体积。由于梯形面积s 。 的高度h o 即为球形物料的直径d o 。即高度l l o 需要与s n 匹配，也就是说：当破碎机的主 轴在转动m 次( 主轴没转一次排料层排一次s n ) 后，物料d o 完全从排料口排出，从而 放入下一次的待破碎球形物料d o l ( d o = d 0 1 ) ，此即为进料速率的计算依据。 由上图可知，将高h 0 等分成m 份后有： 因为： 于是： 惫2 爱辄蚤= 研吃q瓯 1 5 ( 2 6 ) 竺懒! ” 扣一扣 太原理工大学硕士研究生学位论文 又因为： 。一。口o + 6 0 一刁希 a 十d ( 2 7 ) b o = 口。一j z d t a l l 口o ；口。= 6 。+ 吃t a n 口。 ( 2 8 ) 所以： 朋：刀生鱼型螋 ( 2 9 ) 。6 打+ 吃t a n + 瓦 从而： 朋 7 7 ( 2 - 1 0 ) 同理，在经历第二次破碎的情况下( 破碎两个d l 时) ，则需将h l 等分成m l 份，才 能使球形物料d 。的空间腾出来( 当然其间又有了第三次破碎的可能，破碎情况亦即如 此，但需证明才行) 。 对于单颗粒方形物料而言，进入破碎腔内后，首次发生破碎若一分为二，则破碎前 后的方形物料的边长间的关系为，如图2 2 表示了方形物料在破碎腔内流动破碎的纵向 截面示意图： 工。 图2 2 球形物料流动破碎示意图 f i g 2 2f r a g m e n t a t i o na n dn o w a g es c h e m a t i cd i a 掣a mo fc i r c u l a rm a t e r i a l 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 设破碎机的破碎腔允许的最大给料尺寸为a 0 ，即方形物料破碎前的边长为a 0 ( 以下 简称a o ) ，发生破碎后变为两个方形物料其边长为a l 。则根据破碎前后方形物料体积相 等v o = v 1 有： 从而得到： 露= 2 彳 口o = 掘 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 和球形物料相似，方形物料破碎后的边长a 1 也大于a 0 的一半。这样，在腾出a o 空 间的过程中同样会经历第二次破碎，第二次破碎的情况即为并排排列的两a l ，相当于同 时放了两个相互独立的单颗粒方形物料；故第二饮破碎的情况也与首次破碎过程一样。 同样，设经历n 次破碎后方形物料由a 0 变为a n 后，从排料口完全排出，则： 破碎机的破碎比t 1 为： 破碎机的破碎腔口的宽和长为： 。一 i | 一一 _ 斟1 嘞 、7 4 搿* ( 2 1 4 ) 而方形物料在腾出其本身空间的过程与球形物料一样，这里不再赘述，则将方形物 料的高1 1 0 等分成m 份后有： 因为： 于是： 墨：圭! 竺二竺二竺竺竺! 竺 瓯 三( + + 蚀) 毒孙妾一吒屯 棚玎鬻 1 7 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 从而： 聊 ，7 ( 2 - 1 8 ) 从而得知，不论是球形物料还是方形物料，破碎机的总转速应该综合考虑物料在破 碎过程中的“流动”特性，即并不是物料在下落一次( 排料层除外)