（机械工程专业论文）圆锥破碎机结构性能参数优化设计.pdf

摘要 摘要 物料粉碎是冶金、矿山、建筑、化工、电力等工业部门应用广泛的一种工艺过 程。圆锥破碎机是物料粉碎的主要设备，为了实现“多碎少磨”和节能降耗等目标， 圆锥破碎机必须进行必要的改进和改造。参数的选择对破碎机的产品粒度有很大影 响，而产品粒度又直接影响后续磨机的处理能力，最终影响选矿厂的处理能力。因 此必须对破碎机的结构和性能参数进行优化组合，合理的选择结构性能参数。 根据总体平衡模型，提出层压破碎原理和散体物料的运动学特性，建立了圆锥 破碎机破碎腔、生产率和破碎产品粒形分布的多目标数学模型。综合考虑圆锥破碎 机多目标规划问题，采用主要目标法，把破碎机生产率作为优化的主要目标，而破 碎腔各参数及破碎产品粒度分布作为优化设计的一系列非线性优化条件。以国产弹 簧圆锥破碎机p y b l 2 0 0 为例，进行优化设计计算，通过对优化后得到的数据进行分 析，得出了结构和性能参数是如何影响圆锥破碎机工作性能的。结论分析中增加了 进动角对生产率和破碎机工作性能影响的理论，对实际生产有一定的指导作用。 指出：圆锥破碎机设计要根据具体情况进行分析，同时综合考虑破碎机生产率、 破碎产品粒形以及对破碎机整机动力性能的要求等因素，设计的基本点是：大摆程、 高摆频，较大的动锥底角，并且必须达到最优匹配以及采用优化腔形和输出高能量。 关键词。圆锥破碎机；层压破碎；数学模型；优化设计 河北科技人学硕十学伉论文 a b s t r a c t c r u s h e dm a t e r i a li sm e t a l l u r g i c a l ，m i n i n g ，c o n s t r u c t i o n ，c h e m i c a l ，p o w e ra n do t h e r i n d u s t r i a ls e c t o r sa saw i d e l yu s e dp r o c e s s c o n ec r u s h e ri st h em a i nm a t c l i a lc r u s h i n g e q u i p m e n t ，i n o r d e rt om a k et h ec o n ec r u s h e rf o rt h em i l lt op r o v i d em o l ef i n e g r a i n e d l e v e lo fr a wm a t e r i a l s ，s a v ee n e r g y ，r e s e a r c hf o rh i g h p e r f o r m a n c e ，e n e r g y e f f i c i e n t g r i n d i n ge q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i no r d e rt o a c h i e v e 。二l i t t l e m o r et h a nb r o k e ng r o u n d “a n do t h e re n e r g ys a v i n gt a r g e t s ：c o n ec r u s h e rh a v em a d et h e n e c e s s a r yi m p r o v e m e n t sa n dt r a n s f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lb a l a n c em o d e l ，a n dp u t sf o m a r ds o m ep r i n c i p l e sa n ds o m e b r o k e nl m n i n a t e dk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i co fm a t e r i a l ac o n ec r u s h e r c a v i t y p r o d u c t i v i t y a n db r o k e n g r a i ns h a p e d i s t r i b u t i o no f p r o d u c t sm u l t i o b j e c t i v e m a t h e m a t i c a lm o d e l c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h ec o n ec r u s h e rm u l t i o b j e c t i v e p r o g r a m m i n gp r o b l e m s t h em a i nt a r g e tm e t h o d ，t h ec r u s h e rp r o d u c t iv i t y a st h e o p t i m i z a t i o no ft h em a i ng o a l ，a n dc r u s h i n gc a v i t yp a r a m e t e r sa n db r o k e np r o du c ts i z e d i s t r i b u t i o n o p t i m i z a t i o nd e s i g n a sas e r i e so fn o n l i n e a r o p t i m a lc o n d i t i o n s w i t h d o m e s t i cs p r i n gc o n ec r u s h e rp y b l2 0 0a sa l le x a m p l e ，o p t i m i z a t i o nd e s i g nc a l c u l a t i o n ， t h r o u g ht ot h ed a t af r o mt h eo p t i m i z e dc o n c l u d e dt h a tt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e p a r a n a e t e r si sh o wt oi n f l u e n c et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec o n ec r u s h e r c o n c l u s i o n w a sa d d e di nt h em o t i o na n a l y s i sa n g l eo np r o d u c t i v i t ya n dc r u s h e rw o r ke f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo ft h e o r y t h ea c t u a lp r o d u c t i o no fs o m eg u i d a n c e p o i n t so u tt h a t ：c o n ec r u s h e rd e s i g na c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cs i t u a t i o na n a l ) ，s i s ，a n d c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h ec r u s h e rp r o d u c t i v i t y c r u s h i n gg r a i ns h a p ea n d p r o d u c t so ft h ec r u s h e ro fp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sp o w e rf a c t o r ss u c ha st h ed e s i g no f t h eb a s i cp o i n t sa r e - ag r e a tr i d e ，ah i g hf r e q u e n c y h e a wd y n a m i cc o n ep o i n t s m a dm u s t r e a c ht h eo p t i m a lm a t c h i n g ，a n do p t i m i z et h ec a v i t ys h a p ea n do u t p u th i g he n c r g y k e yw o r d s c o n ec r u s h e r ；l a m i n a t e db r o k e n ：m a t h e m a t i c a lm o d e l ：o p t i m i z a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 物料的粉碎是冶金、矿山、建筑、化工、电力等工业部门应用广泛的一种工艺 过程。每年有大量的原料和再利用的废料都需要进行粉碎处理。在选矿工业中，物 料的破碎占有重要地位。选矿厂破碎与磨碎作业的生产费用，平均约占全部选矿生 产费用的4 0 以上，而磨碎设备的投资约占选矿厂总投资的6 0 左右。在水泥工业 中，水泥厂磨碎作业费用约占生产成本的3 0 左右，破碎机械的耗中最月占全厂总 耗电量的1 0 ，而磨碎机械的耗电量则占6 0 3 。 根据统计，世界上约有1 5 的电能消耗在粉碎作业上，而且逐年增加，其中8 5 以上用于磨碎。近年来，全球矿石f j 趋贫化，而采矿和选矿规模不断增大，随着破 碎需求的不断增加，急需不断改善磨碎作业，有人提出“多碎少磨”这种节能的工 艺流程。为此，要求圆锥破碎机为磨机提供更细粒级的原料，借以达到节能的目的。 圆锥破碎机是物料粉碎的主要设备，广泛应用于各相关部门。为此，要求圆锥破碎 机为磨机提供更细粒级的原料，借以达到节能的目的。因此研究适合商效、节能的 粉碎设备和技术具有非常重要的意义。 1 1 圆锥破碎机的机型及其性能 圆锥破碎机是物料破碎的主要设备。圆锥破碎机是m 动、定锥形成破碎腔，利 用动锥和定锥的间隙进行破碎的机械设备。是由电动机把动力传递给传动轴，再通 过一对圆锥齿轮的啮合，把动力传递给偏心套，主轴自由地插在偏心套的锥形孔内， 动锥固定在主轴上随着偏心套一起旋转。随着偏心套的旋转，动锥绕破碎机中心线 作锥面的旋摆运动。 墨絷点 幽l l 圆锥破碎机的i ：作原理示意幽 圆锥破碎机破碎腔中的物料随动锥转动，由于偏心距的存在，工作日动锥周期 河北科技人学硕十学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = 一= 性地靠近或远离定锥。当动锥靠近定锥时，物料在破伊7 ：腔内一；j ? i j 人地挤讯、7 f f t 击 和弯曲作用而破碎。而远离锥体表面的物料，依靠自身重景卜落一一段量一离后，动锥 再次向定锥靠近，物料又被动锥冲击进行破碎。 段时1 , ：- , 7 k 7 ，动锥将会冉玖。岛丌 物利再次下落一定距离。经过几次的循环破碎，物料达到所i 父t 1 - t 水1 的破砟粒芝 m 从 阿锥体底部排出机外。 i 蝈为物料被连续地破碎，生产效率高，而且破碎机的工作状况又比较平稳，所 以圆锥破碎机一直是实现物料中、细粉碎和“多碎少磨技术的关键破碎设备。圆 锥破碎机工作原理示意见图1 】所示。 圆锥破碎机的机型有弹簧式圆锥破碎机、液压式圆锥破碎机、交变轴吲锥破碎 机、惯性圆锥破碎机等几大类。 1 】1 弹簧式圆锥破碎机 圆锥破碎机的弹簧圆锥破碎机的结构如图1 2 所示。它是l 曲机架、传动部、偏 ，巴、轴套部、动锥部、定锥部、调整部、保险部、防尘装置和润滑系统组成。机架是 整个破碎机主体，所有零件都装在机架上，通过四个地脚螺栓固定在基础 ：。传动 轴部分右端通过皮带轮与电动机相连，左端小锥齿轮与主轴大锥齿轮相啮合，从而 带动动锥旋转工作。 a 立体结构图 b 结构，j ：意图 卜主轴2 一定、动锥3 一偏心套4 一受料斗5 一机架6 一弹簧螺栓7 一传动辅 幽卜2 弹簧式剧锥破碎机 破碎机的保险装置是装在机架上的一圈1 6 组弹簧。当不能破碎的物料进入破 2 第1 章绪论 砰机时，力求使定锥抬起，并压缩弹簧，以增大动锥与定锥问的距离，使不能破碎 的物料经排矿口排出，保护破碎机不被损坏，然后借弹簧的张力恢复原位。这样， 能在一定程度上保证破碎机的安全。 弹簧式圆锥破碎机目前基本实现了产品的系列化、规格化、标准化。国家标准 规定了6 0 0 、9 0 0 、1 2 0 0 、1 3 0 0 、1 7 5 0 、2 2 0 0 六种规格2 2 种弹簧式圆锥破碎机腔形。 其中分标准型、短头型和重型三类o 国产弹簧圆锥破碎机型号与标记是用汉语拼音字母和动锥大端赢径以及给料 口宽度来表示：例如p y b z 一2 2 3 3 弹簧圆锥破碎机，p 一破碎机、y 圆锥、b 一标准型( d 为短头型) 、z 一重型( 普通型不标注) 、2 2 - 动锥大端直径2 2 0 0 m m 、3 3 一给料口宽度为 3 3 0 m m 。 1 1 2 液压式圆锥破碎机 随着液压技术的发展，圆锥破碎机开始采用液压调整排料 i 和实现过载保护， 这种圆锥破碎机叫液压圆锥破碎机。液压圆锥破碎机有底部单缸液压圆锥破碎机 ( 简称单缸机) 、顶部单缸液压圆锥破碎机和多缸液压圆锥破碎机( 简称多缸机) 。 我们常说的单缸液压圆锥破碎机，实际上就是底部单缸液压圆锥破碎机。 液压圆锥破碎机的工作原理与弹簧圆锥破碎机的一样，动锥中心线以悬挂点为 顶点绕破碎机中心线做圆锥运动。不同的是弹簧圆锥破碎机的顶点球面轴承的中心 点，而单缸液压圆锥破碎机以悬挂点为顶点。 f l 动锥上升排矿口减小b 动锥。卜降排矿口增人 c 铁矿f i 从排矿口排山 幽1 3 单缸液压圆锥破碎机液压r 作原理图 液压圆锥破碎机的特点是能实现液压调整和过铁保护。单缸液压圆锥破碎机液 压系统原理图如图所示。图1 3 a 、b 表示通过液压油的作用，项起动锥，减小排料 口动锥下落，排料口增大：图1 3 c 表示过铁时，动锥向下的垂直作用力增大通过 液压油的作用，动锥下降，排料口增大，铁块排出，破碎机继续工作，完成了过铁 ，3 河北科技人学硕十学位论文 保护。 1 1 3 交变轴圆锥破碎机 传统圆锥破碎机都属于相交轴传动的圆锥破碎机，这些破碎机动锥中心线与机 器中心线的交点位于动锥顶部。这些破碎机的运动特点：( 1 ) 动锥压缩行程与沿着 破碎腔高度分布的物料尺寸不相适应；( 2 ) 动锥压缩行程为定值，并且方向朝上。 这样阻碍排料且使啮角由小到大的变化。 图卜4 是动锥中心线交变的圆锥破碎机的一种特殊状况。动锥巾心线在动锥运 动过程中，时而与破碎机中心线相交，时而与之交错，且交错的j l - - g 人，相交时只 是动锥处于特殊位置。故这种破碎机称为交变轴圆锥破碎机。 幽卜4 交变轴圆锥破碎机示意图 这军e e l g l 锥破碎机由于改善了动锥的运动学，一定程度上降低f - 能耗，保证了产 品粒度。但这种圆锥破碎机的制造要求和安装精度较高，对与动锥配合的轴承和主 轴的受力不利。 1 1 4 惯性圆锥破碎机 惯性圆锥破碎机是前苏联生产的产品，由列宁格勒选矿1 2 5 t 。院经过2 0 余年的 努力，研究成功的一种新型超细碎设备。 惯性圆锥破碎机的破碎原理是：物料块是在强力惯性振动条件下，受到预先调 4 第1 章绪论 定的破碎力作用，可以保证物料层应有的密度，使颗粒全方位承受压力，实现层中 破碎。物料在破碎腔受到强烈的振动作用，可使料块彼此改变方向，从而可在料层 中造成交变剪力和弯曲应力。同时可以清除粉术，从而提高料块| u j 的破碎作用，避 免这些粉术的过粉碎。 惯性圆锥破碎机与传统圆锥破碎机比较，特点是：( 1 ) 破碎比较大；( 2 ) 由于 传动系统与动锥没有刚性连接，无需过载保护；( 3 ) 能耗较低，可以带负荷启动和 停车。但也有其使用局限性，一是要保证连续给料，否则动锥会撞击定锥：二是要 保证给料量，使破碎机满负荷工作；三是物料的中不能含有较多的细小颗粒。 1 2 圆锥破碎机的发展 1 2 1国外圆锥破碎机的发展 世界上第一台圆锥破碎机专利公布于1 8 7 8 年，到1 8 9 8 年爿伟0 成成品。美国在 1 9 世纪术开始应有圆锥破碎机。 弹簧圆锥破碎机是由美国密尔沃基的西蒙斯( s y m o n s ) 兄弟设计的，因此得名 西蒙斯圆锥破碎机，该机至今约有百年历史，虽然逐渐改进，结构f i 趋完善，但基 本结构没有重大变化。 到19 世纪5 0 年代，随着液压技术的发展，美国阿利斯一卡尔默斯 ( a l l i s c h a l m e r s ) 公司( 简称a c 公司) 采用液压调整排料口和实现过载保护，首 先生产制造了液压圆锥破碎机和液压旋回破碎机。后来经过不断地完善和改进，在 世界多国很快得到推广和使用。液压圆锥破碎机具有结构轻便简单，较老式圆锥破 碎机易于加工制造，便于维修保养，同时能实现液压调整和液压过载保j j i 以及自动 控制，生产率较高等诸多优点，世界各个国家的破碎机生产厂相继) j ：发出不同规格 的液压圆锥破碎机和液压旋回破碎机，比如德国洪色特伟大格( i l u mb o l d tw e d a g ) 公司独创的卡里巴特( c a l i b r a t o r ) h 型中心单缸液压圆锥破碎机，自i 苏联也曾生产 过这种破碎机以及液压旋回破碎机，同本神户制钢所也仿a c 公刮! t 产液压旋回和 液压圆锥破碎机。 圆锥破碎机在经历了第一代产品西蒙斯( s y m o n s ) 圆锥破碎机，第：二代产品旋 盘式破碎机( g y r a d i s cc r u s h e r s ) 后，美国诺得贝格( n o r d b e r g ) 公司在旋盘式破 碎机基础上推出了第三代产品高能层压h p ( h i g hp e r f o r m a n c e ) 系列多缸液压圆锥 破碎机。到2 0 世纪9 0 年代俄罗斯的米哈诺仃尔( m e c h a n o b c r ) 公司推惯 q j 圆锥 破碎机，以满足“多碎少磨”和“选择性破碎”新工艺的要求。此外，垓公司还提 供g p 系列中细用单缸液压圆锥破碎机。 河北科技人学硕十学位论文 1 2 2 国内圆锥破碎机的发展 国内圆锥破碎机是在1 9 5 4 年模仿苏联2 1 0 0 和1 6 5 0 弹簧圆锥破碎机基础上，自 行设计尘产了1 2 0 0 弹簧式圆锥破碎机。1 9 5 8 年又设计制造厂大型2 2 0 0 弹簧式圆锥 破碎机。后经多年的反复研究与实践，相继克服了旧系列弹簧压力不足，零件强度 低以及结构上某些缺点，目前基本实现了产品的系列化、规格化、标准化。 国产弹簧圆锥破碎机与世界先进国家同类型破碎机相比，在质量、性能方面存 在较大差距，为赶上世界先进水平，沈阳重型机器厂引进美国诺德贝格( s b r d b e r g ) 公司西蒙斯与旋盘式圆锥破碎机技术，并合作制造了该系列圆锥破碎机。 2 0 世纪7 0 年代，国内先后开发了顶部单、双缸液压圆锥破碎机，经过多年的 反复研究试验改进，到8 0 年代，我国液压圆锥破碎机已基本定型，近年来先后引 进西蒙斯圆锥破碎机，旋盘式圆锥破碎机、惯性圆锥破碎机等设备和技术，并合作 开发生产了该系列的圆锥破碎机产品。 我国在改革开放政策指引下，基本建设事业得到飞快的发展，促使破碎机市场 也发展迅速。近些年国内用户引进国外各种先进的圆锥破碎机，其中以g p 系列、 h p 系列和h s 1 8 0 0 系列最多。国内科研设计厂商也在对国外先进产品进行消化吸收 的基础上，丌创了国产液压圆锥破碎机。 1 3 国内外研究现状分析 ： 1 3 1 国内研究现状 国内对圆锥破碎机腔形优化设计研究甚少。 1 朗宝贤、朗世平2 0 0 8 年由“冶 金工业出版社”出版的圆锥破碎机一书中，提出了圆锥破碎机结构性能参数的 选择和计算方法，对圆锥破碎机的破碎腔设计进行了详细的阐述，对破碎腔形与通 过能进行了分析，建立了腔形优化数学模型，但在优化设计方面只有分析，具体的 应用实例很少。 黄冬明、武殿梁、，范秀敏等2 0 0 7 年发表在机械工程学报上的“圆锥破碎 机的多目标规划设计”的文章，提出了基于总体平衡模型和散体物料运动学特性， 建立了圆锥破碎机腔形分层研究模型和腔形优化设计新方法，提出了破碎机生成率 计算方法和圆锥破碎机操作模型，以及生产率优化、破碎机腔形优化、破碎产品粒 度分布优化的计算模型。研究分析了三者之l 、日j 的相互耦合关系模型，为自主研发新 型高效节能的现代高能圆锥破碎机奠定了理论基础。 曹雪丽、董为民、陈洪2 0 1 0 年发表在新技术新工艺第9 期上的“p y b l 2 0 0 圆锥破碎机腔形的优化设计”的文章，对圆锥破碎机的腔形结构进行研究分析，得 6 第1 章绪论 出了优化后的腔形曲线和产品粒度分布曲线，为圆锥破碲机提供了具体的参考数 据。 任海、董为民、陈洪等2 0 1 0 年发表在新技术新工艺第1 1 期上的“p y b l 2 0 0 圆锥破碎机参数优化”的文章，以破碎机生产率和产品粒度为目标函数进行计算， 分析了主要参数对生产率和产品粒度的影响，对圆锥破碎机的设计具有一定的指导 作用。 1 3 2 国外研究现状 国外虽有报道，但没有具体资料，只有信息。 不同机械结构的圆锥破碎机，为了实现好的破碎效果，采用不同的结构性能参 数组合。结构性能参数选择是否合理，对破碎机的产品粒度有很大影i 勾，而产品粒 度又直接影响后续磨机的处理能力，最终影响选矿厂的处理能力。因此说对破碎机 内部结构和参数进行优化组合，是一项很有价值的工作，已引起豳内外专家、学者 的重视。 1 4 课题的应用前景 国内圆锥破碎机于2 0 世纪7 0 年代仿制成功，国产圆锥破碎机与吐界姥j 进幽家 同类型破碎机相比，在质量、性能方面存在较大差距。国产传统罚锥破髀机因其设 计保守，机器笨重，效率低等原因，已不能满足各生产部门的使用需求。近年来先 后引进西蒙斯圆锥破碎机，旋盘式圆锥破碎机、惯性圆锥破碎机等设备和技术，并 合作开发生产了该系列的圆锥破碎机产品，基本满足国内需求。但由于投入和使用 成本等各种因素，在国内仍在使用传统弹簧圆锥破碎机的情况还比较普遍，为了实 现“多碎少磨”和节能降耗等目标，必须进行必要的改进和改造。 从2 0 世纪8 0 年代丌始国外已经采用层压破砰理论 2 结合新的i 殳计方法对圆 锥破碎机的结构性能进行优化，设计出了现代高能圆锥破碎机，它具有层压破碎腔 形和优越的工作性能，高能圆锥破碎机的应用，使用户的经济效益得到了显著提高。 为了提高国内的设计水平缩短与先进国家的差距，采用层压破碎理论和现代优化方 法，对圆锥破碎机结构性能参数、生产率进行研究，为自主研发新型、高效和节能 的现代高能圆锥破碎机奠定理论基础。 1 5 本课题主要研究内容及采用的研究方法 由于投入和使用成本等各种因素，国内使用传统弹簧圆锥破碎机的情况比较普 遍，为了能使圆锥破碎机为磨机提供更细粒级的原料，达到节能的目的，研究适台 高效、节能的粉碎设备和技术具有非常重要的意义。为了实现“多碎少磨”和节能 河北科技大学硕+ 学位论文 降耗等目标，国产圆锥破碎机必须进行必要的改进和改造。 本课题在结构性能参数优化设计中，根掘总体平衡模型和散体物料运动学特 性，提出了圆锥破碎机破碎腔分层研究，建立了新型破碎腔形优化设计模型、生产 率模型和破碎产品粒度模型，进行产品的优化计算，通过方案比较，确定出既保证 工作要求，且结构又相对简单的设计方案。为自主研制新型、高效、节能的现代液 压圆锥破碎机奠定理论基础。 第2 章圆锥破碎机结构性能参数的分析 第2 章圆锥破碎机结构性能参数的分析 为了实现好的破碎效果，必须合理的选择结构性能参数，参数的选择肘破碎机 的产品粒度有很大影响，而产品粒度又直接影响后续磨机的处理能力，最终影响选 矿厂的处理能力。因此说对破碎机内部结构和参数进行优化组合，是一项很有价值 的工作，已引起国内外专家、学者的重视。不同机械结构的圆锥破碲机，采用不同 的结构性能参数组合。圆锥破碎机结构性能参数见图2 1 。 幽2 - 1 圆锥破碎机的结构参数 2 1给矿口宽度房与排矿口宽度b 圆锥破碎机给矿口的宽度崩是指动锥接近定锥时，两锥体上端的距离。排矿 口宽度6 ，是动锥接近定锥时，两锥体的下端距离。锣值由给矿粒度决定，排矿口b 值取决于要求的产品粒度。对于破碎机b 值都有一定的调解；芭圈，以满足破碎各种 硬度矿石的需要。 对于不同硬度的矿石，其排矿的过大颗粒系数k = d 。、b ( d 。、是产品的最大 颗粒) 不同。对中碎机来说，破碎硬矿石时k = 2 8 - 3 0 、中使矿乇ik = 2 - - 2 2 、 软矿石k = 1 6 。因此在设计与使用中碎机时，决定排矿口宽度，必须考虑产品中过 大颗粒对细碎机给矿粒度的影响，这主要是中碎机一般不设检查筛分。 2 2 啮角， 动锥与定锥之间的央角称为啮角，并用，表示。它的作用是保证7 蜘铷空内的两f 贝隋 效的咬住矿石，避妊广石向l - 淞) j ，通常啮角小于刀。 9 河北科技人学硕十学位论文 给矿口处的啮角要小于矿石与定锥以及矿石与动雒强燃角之和。啮角可月j 下式表示： ，2 口l 一( 口y o ) 式中：“+ ”号用于计算丌口边啮角，“一”- g - 厍 于计算闭口边啮角。 2 3动锥底角口 动锥底角口的选择时，尽量使母线通过动锥上端的铰接中心臼点，即动锥旋 摆的中心。这样，就能使动锥在作旋摆运动中对物料只有挤压，而不存在动锥相对 定锥的滑动现象。如：口 户，动锥相对定锥有向上的滑动；口 ，时，动锥有 向下的滑动，这种现象会造成定锥衬板和动锥衬板的磨损。 2 4 平行区长度， 为了保证破碎产品粒度，中细碎机在破碎腔下部有一段平行区。但平行区长 度过长，处理能力降低，而且随衬板磨损，平行区越来越长，易使破碎机产：生堵塞， 增加能耗，且使产品粒度更加不均匀。 平行区长度z ，可根据动锥摆动次数和底锥角以及摆动行程等计算。其原则是： 对中碎机，保证物料在平行区里被压碎l 2 次；对细碎机，保证矿石在平行匦：罩 被压碎2 3 次。 可根据动锥底部直径计算平行区长度，( m m ) ： 对中碎机j = 0 0 8 d 对细碎机 l r = f o 1 4 - - - - - 0 1 6 ) 0 式中d 动锥底部直径，m m 。( 1 5 ) 用上式求得的结果与传统弹簧机平行区长度相吻合。适当提高动锥摆动次数， 缩小平行区长度，会提高破碎机处理能力。 2 5 偏心距e 、动锥摆动行程s 偏心距又叫偏心半径，并用p 表示。偏心距的大小，从中心p 点到各个不同 水平面都不同，一般所谓偏心距系指排矿1 3 平面内的动锥轴线的摆动距离，动锥转 一周，整个摆动距离为2 p 。 表2 1 国产圆锥破碎机的偏心距和动锥摆动行科 i o 第2 章圆锥破碎机结构性能参数的分析 动锥摆动行程5 与物料性质、排料口( 物料粒度) 、破碲机犁和腕型有关。表 2 - 1 列出了国产破碎机的偏心距和动锥摆动行程的实际数据。 2 6 进动角y o 进动角翔是动锥中心线和定锥中心线之i n j 的央角，大小是由偏心距和动锥的悬 挂高度决定的，一般取值1 。7 0 2 。进动角y o 的大小是由偏心距和球面中心点 到偏心距平面的距离所决定。对于细碎型2 2 0 0 圆锥破砰机，其进动角加2 。，而 对于细碎型3 0 0 0 圆锥破碎机，其进动角加= 1 5 。这两种圆锥破碎机都是前苏联 的产品。 2 7 动锥转速，z 动锥转速也就是偏心轴套的转速，破碎机转速 7 值与破碎机结构、偏心部件运 动状念、破碎机制造质量、零件材质、润滑等因素有关。转速太高，造成能耗的增 加，转速太低，不能充分利用能量，衡量破碎机玎值的指标是：在其它条件一定的 情况下，所确定的y 值应有最高的生产率和最低的能耗。物料在破研腔平行区中以 自由落体方式下落，以此为基础，可计算出动锥的转速，z “。 由图2 - 2 ，物料从a 点降落到b 点的时间，等于动锥从位置】后撒到位置i i 的 时f 日j ，即如图2 - 2 所示，物料在a 点被压碎后，动锥从位置i 急速向位置i i 后撤， 由于物料不会立刻跟随动锥一起下落，而是滞后一段时间，因此物料脱离动锥表面， 这是因为动锥后撤的速度远大于物料下落的速度决定的。当动锥后撤到位置i i 时， 物料尚离动锥表面有一段距离，待动锥从位置i i 返回来再次冲击的过程中，又与继 续下落的物料相遇。 葫镶 幽2 - 2 物料在平行区的运动 河北科技人学硕十学1 7 ：论文 根据自由落体公式得： ，l t = 3 0 s i = g t 2 2 将，- 蠹代入上式中，得： s ，：g ( 丝) 2 2 聍 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式中g 重力加速度，m s - 2 ； s 物料下落的距离，s = 土( t 2 是动锥底角) 将g = 9 8 m s ! 代人公式，经过整理之后得r 。( ，m i n ) ： h m i n = 6 6 、 了c o s t 2 ( 2 - 4 ) 一 动锥从位置i 后撤到位置i i ，再从位置i i 返回到位置i 的运动，司视为作简谐 运动。因此，可求得动锥任意位置摆动行程( 如图2 2 ) x 值，即 ：gsxc o s 呈互f( z ，、- o 一)= 一c flj 27 对上式微分，可得a 点作简谐运动的速度为： ： 、 = 去= 塑s i n ( t ( 和 6 ， 、 “= 一= ，) lz oj 。 西、= f 1 使f 值依次等于： 如：0 ，f 。：卫，f ：垫，：3 0 ，。：4 q ， f ，：竺，吒：竺：丁。 将各f 值代人式( 2 - 6 ) ，可得间谐运动的速度曲线，如图2 3 所示。 动锥从位置i 后撤的同时，物料从a 点自由下落，两者在b 点相遇，因此图2 2 中的卜2 区间是物料沿动锥表面作滑动运动状态。说明此时动锥摆动次数很低。破 碎机动锥实际摆动次数必须大于这个最低摆动次数。 。 。如图2 - 4 所示，i 是动锥处于压碎物料终止位置，i i 是动锥处于后撤终止位置， 1 1 1 是动锥处于t = 3 3 6 2 5 ”的位置，是动锥处于s 2 的位置。动锥在返回的冲击 过程中，处于整个行程s 的中间位置，此时动锥有最大的冲击速度，对物料有较 大的冲击作用。因此超出此位置，动锥将作减速运动，对物料冲击取向作用差而又 影响排料，甚至使处理能力大大下降，功耗增大。 第2 章圆锥破碎机结构性能参数的分析 ，物料从a 点丌始自由降落而动锥从位置i 后撤，由于动锥后撤速度较快，当动 锥后撤到位置i i 而又返回到位置i i i 时，才与物料相遇。此时动锥所走过的时间 忙4 5 ，如图2 3 中c 一3 线。丁：一6 0 ，将此数据代人式( 2 5 ) 得x ：0 。由图2 - 4 玎甩 得，s = 詈+ x ，故s = 差。又从图中几何关系得：s 毒口= 1 2 ：。s s 左= 三g ( 4 5 门) 2 ，234 s o b 辐融 5 ， 2_ 2 ， s 6 5 n u 。 ，f 曰 v 。一 甚 b ， c d r t s , , 幽2 3 动锥速度随时间变化曲线图 幽2 4 求动锥最适宵的的摆动衫：数 经简化得，2 。( r m i n ) 为 ，z 。= 1 4 0 i c o ；o ( 27 ) 按式( 2 7 ) 可求得动锥最高摆动次数甩。，。中细碎破碎机动锥摆动次数应在 门。一刀。之间选取。 河北科技人学硕十学位论文 第3 章优化设计方法概述 3 1 ，优化设计 优化设计是近代一支较新的学科。随着计算机技术的发展，在工程设计理论以 及设计技术方面出现了新的设计方法，最优化技术是一种新的现代设计方法。 最优化技术是在2 0 世纪中期发展起来的，之前处理优化问题的数学方法是用 古典的微分法和变分法。在第二次世界大战期i 、日j ，出于军事的需要，得到充实和加 强。工程中的最优化设计，是在考虑诸多影响因素的条件下，以得到最佳的设计方 案，即最佳设计参数值。优化设计工作包括三个内容： 第一、建立优化设计模型。 第二、选取优化方法。 第三、用计算机进行求解。 3 2 优化设计的数学模型 把机械设计描述为一个优化设计问题，有三部分内容：一是有一组相关参数， 在设计中作为变量来处理，称为设计变量；二是设计要达到的目的，以设计参数的 数学表达式来表现，称为目标函数；三是有若干的约束条件，来限制发计变量的取 值范围，称为设计约束条件。由设计变量、目标函数及约束条件的组成的总体称为 机械设计的数学模型。 3 2 1 设计变量 设计参数在机械设计中分为两类，一类参数可以根掘设计的具体情况预先给 定，称为设计常量，一类参数在机械设计中是需要优选的，作为设计变量。优化设 计中的设计变量必须是真f 独立的参数，根掘变量的取值是否连续分为连续变量和 离散变量。 在一般情况下，若有 个设计变量，用一组 维向量以矩阵形式表示为 x = = k ，x 2 ，戈，l r 2 行 x x x 第3 章优化设计方法概述 3 2 2 目标函数 目标函数是设计变量的函数，一般的表达式为f ( x ) = f ( x ，x x ，) 。在优化过 程中，求解目标函数的最小值，即m i n f ( x ) ，目标函数函数值越小。设计方案越优。 在优化设计中，根据是否兼顾了多个设计准则，可分为单目标函数和多目标函 数，目标函数越多，设计的综合效果愈好，但问题的求解越复杂。对于多目标函数 问题常采用主要目标法。 3 2 二3 约束条件 按约束条件的形式分，有不等式约束条件与等式约束条件两种。表达式为 g 。( x ) 0 ”= 1 , 2 ，p h 。( x ) = 0 v = 1 , 2 ，q 按约束的性质分，有边界约束与性能约束两种。边界约束是对设计变量的取值 范围加以限制，性能约束是按某种性能要求构成对设计变量的约束，这些约束一般 用约束方程来表示。 3 3 优化计算的终止准则 由于实际问题具有多样性，所以很难建立一个终止准则，而赴按计算中的具体 情况进行判断。通常采用如下终止准则。 1 ) 点距准则。即相邻两迭代点之间的距离达到充分小，即满足预先给定的收敛 精度，即终止计算。 2 ) 函数下降量准则。由于在最优点的很小邻域里函数值的变化很小，所以当相 邻两迭代点的函数值下降量已达到充分小时，预示着己接近最优点。 3 ) 梯度准则。按函数的极值理论，在极值点处函数的梯度为零。当目标函数在 某处梯度的模己达到充分小，即终止迭代。 河北科技人学硕+ 学侮论文 第4 章圆锥破碎机数学模型的建立 4 1 数学模型的建立 通常圆锥破碎机的设计方法是建立在经验和实验的基础上，有许多结构参数的 选择往往是由设计者的经验或进行类比确定的，带有一定程度的随意性。如果要想 获得一个较优的方案，就需要多耿几种不同组合的参数进行计算比较后来择取其优 者。这样的设计方法不仅使设计人员消耗大量的精力和时i 日j 用于重复性的繁杂计 算，而且由于人力有限仍不能获得一种最优的设计方案。 优化设计的数学模型是由具体机械设计问题中的设计变量、目标函数及约束条 件组成。其建立的目的是将机械设计中的实际问题以数学模型来表示，利用计算机 对某机械设计项目进行计算，从而取得一个最优方案。圆锥破碎机结构性能参数优 化要兼顾破碎产品粒度、生产率、不易发生堵塞、衬板磨损尽可能均匀等问题，因 此破碎机优化是多目标函数优化问题。 根据国内外的学术研究，依据总体平衡模型，圆锥破碎机数学模掣中应用较多 的，是影响破碎机产量、破碎质量以及圆锥破碎腔和通过能的生产本i 模4 9 、破碎产 品粒度模型和破碎腔形模型。 4 1 1 圆锥破碎机破石n 赢- l - i r j 六t 模型 ： 破碎腔是圆锥破碎机动锥外表面和定锥内表面构成的空l 日j ，是物料破碎的场 所，破碎腔的形状直接影响破碎机的工作效率和情耗比。优越的工作参数( 动锥转 速、进动角、偏心距和摆动行程等) 必须与良好的腔形相匹配，从而改善破碎产品 粒度，提高用户经济效益。 圆锥破碎机破碎腔的设计是根据破碎腔各截面的通过能力来进行计算的。物料 由于自重的原因在排料过程中以自由落体方式通过破碎腔，为实现物料在破碎腔中 以层压破碎方式工作，根据圆锥破碎机的运动学特性，对物料进行分层研究。3 ，其 分层情况如图4 1 所示。 图中粗折线为单颗物料在破碎腔中的运动轨迹，可以看作是自由落体的直线段 和绕悬架点d 摆动的圆弧段组成。物料通过一个破碎层时，会受到一次挤压破碎， 分层破碎线的确定可由物料在破碎过程中作自由下落的运动时l 日j 求出。根据散体物 料在破碎腔中的运动学特性，对其中的任意分层j 分析，物料由接触的破碎壁母线 处自由下落，其运动方程式如式( 1 ) 所示。物料在破碲腔受挤压时，滑1 i 0 ，h ，0 作圆弧运动，轨迹方程如式( 2 ) 所示。物料沿圆弧轨迹运动，运动点绕悬架点d 作 简谐摆动，其运动方程如式( 3 ) 所示。联立式( 1 ) ( 3 ) ，可求得破砰腔各破碎 1 6 第4 章圆锥破碎机数学模删的建立 层物料自由下落时间t i ，根据f f 求出各破碎层f 的分界点风，1 1 ：。从破 碎腔堵塞点开始，对破碎腔进行分层研究，得出图4 1 中破碎腔形分层破碎图。 惫挂点0 l 图4 - 1 破碎舱形分层研究 y - y ，= t a n c l ( x - - x p ) 十去，2 ( 4 1 ) x 2 + y 2 = r ： ( 4 2 ) a r c t a n k i - a r c t a n k 2 + y o c 。s 号丢三= o ( 4 3 ) ： 式中 k ，k 2 ，( ) ，日2 0 的斜率 为了减小物料在各层l 瑚的积压和堵塞现象，使物料在破砰腔各层i f i j 能被充分的 破碎，达到最佳的破碎效果，根掘总体平衡模型，破碎腔中的物料在各层问的质量 要相等。式( 4 ) 给出了平衡模型，其中m o 为堵塞层物料质量，m ，为第f 层破碲层 物料质量，“为第f 层破碎层物料填充度，z 。为堵塞层破碎层物料填充度。图4 2 所示的曲线破碎腔是根据平衡模型设计的，曲线破碎腔中各破研层的啮角较小，可 以咬住矿石，有效提高层压粉碎效果。 m ，( 门，y 口，屈，口，h ) = m o ( n ，7 0 ，屈，口，) ( 4 4 ) i = 1 , 2 ，3 ， 根据前所述，选取各破碎层物料通过量的差值作为破碎腔形优化设计的目标函 数，如下式所示： 巧( x ) = ，y o ，h ，口，反，从，) 】2 一一一 m i n ( 4 5 ) 河北科技人学硕十学位论文 幽4 2 根据总体平衡模型设计的理想曲线破碎腔形 4 1 2 圆锥破碎机生产率模型 随着全球矿产的贫化，每年需要处理的矿石量大大增加，对圆锥破碎机提出了 更高的要求，提高破碎机生产率显得尤其重要。在保证破碎产品粒度的前提下，要 尽可能地提高破碎机生产率。为提高破碎机生产率计算精度，基于散体物料运动学 特性，以散体物料通过破碎腔的运动学特性作为计算依据，建立圆锥破碎机生产率 计算模型。 散体物料一般以三种运动方式通过圆锥破碎机破碎腔：滑动、自由落体与滑动 并存、自由落体运动，如图4 3 所示。为了提高破碎机生产率和改善破碎产品粒形， 一般要求物料以自由落体方式通过破碎腔。基于散体物料在破碎腔中自山落体运动 学特性可推导出圆锥破碎机生产率计算模型。 a 滑动 b 口由落体与滑动c j 由落体 幽4 - 3 物料在破碎腔中运动方式 圆锥破碎机生产率模型由基于层压破碎原理和散体物料的运动特性，结合瑞典 理工大学e v e r t s s o n 教授。及参数优化3 推导得到的。根据散体物料在破碎腔中的 运动特性，生产率是单位时间内破碎机堵塞点截面散体物料的通过量。尉锥破碎机 的生产率模型如图4 - 4 所示。 第4 章圆锥破碎机数学模型的建立 幽4 - 4 圆锥破碎机生产率计算模刑 图4 4 中v d o 。是堵塞点处散体物料的下落速度，v 是堵塞点处物料随动锥的 上移速度，在动锥转过口角时，距离破碎机中心尸处，取一微元砒咖进行二次积 分，可以得到物料下落量q 协及物料随动锥运动的上拱量q 即，玩。，与。叩之差即 为破碎机生产率q 。 口_ 凡， 醵。= li l ，加。( a ) r d r d a ( 4 6 ) i 疋， 2 z k o = ，伽( 口) 厂d r d a o f 扎。， q = q 矗，。一q 。 。一翮，m 吼。昔uj ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) 足l 口1 = 0 5 9 4 3 9 2 2 t a n y c o s a ( 4 1 0 ) 式中，口c 为堵塞层物料在自由落体阶段动锥转过的角度；z 甜为动锥转角从0 度转到a c 时所用时间：为物料填充度；厂为堵塞层截面半径； zc 为物料湿度等 引起的下落时间延迟，据国内外试验研究，其值耿为0 0 l s ；为动锥舀：a 耐时i 日j 内转 动的角度。 v 咖门是动锥破碎壁远离轧臼壁的过程中物料自由下落的速度，在堵塞层截面 任意一径向方向，粒子的下落速度是相等的。则物料自由下落的速度为： ，2 万 口一一， v 棚( 咖等g ( 1 - t a ) ( 4 - 1 1 ) d c