（机械设计及理论专业论文）立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析.pdf

a n a l y s i so ff l o wf i e l di nc r u s h i n gc h a m b e ro f v e r t i c a ls h a f ti m p a c tc r u s h e r d u a nd er o n g 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 fe 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 论文作者虢p 俗季日期刊厶6 舌 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 论文作者签名孵导师签名 日期 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 一1 1 1 概述 1 1 2 立轴冲击式破碎机简介 1 1 3 立轴冲击式破碎机结构及破碎系统 2 1 4 立轴冲击式破碎机研究现状 4 1 4 1 转子研究现状 4 1 4 2 颗粒系统流场研究现状 6 1 5 本文研究的主要内容 9 第二章传统型转子的物料加速分析 1 1 2 1 e d e m 简介 一11 2 2 转子建模和约束条件设置 11 2 2 1 转子建模 11 2 2 2 仿真约束条件设置 1 2 2 3 转子加速与受力分析 1 3 2 3 1 颗粒加速过程分析 1 3 2 3 2 单颗粒加速分析 1 6 2 4 本章小结 1 8 第三章新型转子及其抛料规律 1 9 3 1 基于t r i z 的传统转子功能原理分析 1 9 3 1 1 t r i z 简介 1 9 3 1 2 立轴冲击式破碎机功能分析 2 0 3 1 3 立轴冲击式破碎机的物质一场分析 2 0 3 1 4 新型转子的物料二次加速特性 2 2 3 2 新型转子抛料规律研究 2 3 3 2 1 新型转子颗粒动力学分析 2 3 3 2 2 新型转子抛料规律研究 一 2 6 3 2 2 1 转子半径对颗粒加速的影响 2 7 3 2 2 2 冲击板安装角度对颗粒加速的影响 3 0 立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析 3 2 2 3 转子加速不同粒径颗粒的规律 3 l 3 3 本章小结 3 3 第四章破碎腔流场仿真分析 3 5 4 1 破碎腔流场的离散元分析 3 6 4 1 1 转予和破碎腔几何建模 3 6 4 1 1 1 转子建模及网格划分 3 6 4 1 1 2 破碎腔建模及网格划分 3 7 4 1 2 施加约束条件 3 7 4 1 3 破碎腔流场的离散元分析 3 8 4 1 3 1 物料粒径对流场的影响 3 8 4 1 3 2 转子转速影响 4 1 4 2 破碎腔流场的气固耦合分析 4 2 4 2 1 气固两相流模型 4 2 4 2 1 1 气体相模型 4 2 4 2 1 2 颗粒相模型 4 3 4 2 2 装配体网格划分 4 5 4 2 3 约束条件设置 4 6 4 2 3 1 气体相约束条件设置 4 6 4 2 3 2 颗粒相约束条件设置 4 6 4 2 3 3 仿真参数设定 4 7 4 2 4 破碎腔流场耦合分析 4 7 4 2 4 1 破碎腔流场内碰撞区域分析 4 7 4 2 4 2 破碎腔流场内整体速度分析 4 8 4 2 4 3 破碎腔流场内破碎概率分析 4 9 4 2 4 4 破碎腔流场内单颗粒轨迹分析 5 1 4 2 4 5 破碎腔流场内单颗粒能耗分析 5 3 4 2 4 6 破碎腔流场内气体相分析 5 6 4 3 本章小结 5 9 第五章结论与展望 6 1 5 主要工作与结论 6 1 l l 济南大学硕士学位论文 5 2 创新点 6 2 5 3 不足与展望 6 2 参考文献 一6 3 致谢 6 7 附录 6 9 立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析 i v 济南大学硕士学位论文 摘要 目前 立轴冲击式破碎机在转子结构设计 耐磨件耐磨性和产品质量等方面都有了 良好的进展 但作为破碎对象的石料 其在破碎机工作时的行为状态以及与转子 破碎 腔的关系研究甚少 因此 将现代破碎理论与颗粒力学模拟相结合 离散元技术和计算 流体力学技术相结合对立轴冲击式破碎机破碎腔流场中的颗粒进行d e m 仿真和气固耦 合分析 不仅有利于掌握立轴冲击式破碎机破碎腔中颗粒与空气的运动规律 改善破碎 机的产品质量 而且对推进转子的创新设计 提升企业的研发水平和市场竞争力都具有 重要的理论和应用价值 本文首先对传统型转子的物料加速过程进行分析 以离散元软件e d e m 和三维设 计软件s o l i d w o r k s 为平台建立转子和颗粒力学仿真模型 研究了颗粒加速与转子接触部 位 颗粒速度和颗粒受力 单颗粒运动与立板作用以及颗粒加速与耐磨件的关系 仿真 表明 转子加速颗粒的过程可以分为物料下落 物料分散和物料加速三个过程 其中物 料的加速主要是在立板和抛料头所在区域完成 加速颗粒对转子中抛料头的冲击磨损最 为严重 约8 0 左右的颗粒能够获得较高的抛射速度 而且颗粒速度变化显著影响颗粒 之间的作用力而有助于提升破碎效果 同时 由于存在完全加速和不完全加速 传统型 转子抛射进入破碎腔流场中的颗粒运动状态是混乱无序的 物料抛射速度也不一致 这 将会引起产品粒径范围大 破碎率较低等问题 利用t r i z 发明问题解决理论对立轴冲击式破碎机破碎腔流场进行系统分析 资源 分析和物质 场分析并建立功能模型 找出了传统型转子存在问题的症结 阐明了新型 转子解决立轴冲击式破碎机破碎率相对较低和产品粒度范围大等弊端的有效性 并利用 离散元软件e d e m 对新型转子的半径组合 冲击板安装角度和加速不同粒径颗粒进行 离散元分析 确定了新型转子半径 冲击板安装半径和安装角度的最佳组合为 3 0 0 5 0 0 2 适宜的入料粒度为3 0 m m 左右 将计算流体力学软件f l u e n t 和离散元软件e d e m 相结合 对破碎腔流场进行气 固耦合分析和离散元分析对比 包括颗粒与颗粒之间以及颗粒与气体之间的相互作用 分析流场中颗粒的碰撞区域 颗粒流速度 破碎概率 单颗粒轨迹和能耗以及空气运动 规律 获得了颗粒碰撞位置与破碎概率和能耗之间的相互关系 即在碰撞砧板区域颗粒 破碎概率较大 颗粒碰撞次数与破碎能耗之间没有直接的关系 在转子转速为1 4 0 0 r m i n 时 颗粒加速程度较高 碰撞次数较多适宜整形破碎 而且能耗利用率较大 对砧板冲 v 立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析 击适中 颗粒受气流的影响随粒径的减少而增大 小颗粒受到气流作用后 运动离散作 用增强 颗粒与颗粒以及颗粒与砧板之间的碰撞增多 相反 随着颗粒粒径的变小 流 场中颗粒体积百分含量的增大使得颗粒对空气的作用越来越明显 明显提升了流场的运 动压力和湍流动能 关键词 立轴冲击式破碎机 d e m 气固耦合 转子 流场 v i a b s t r a c t a tp r e s e n t s o m eg o o dp r o g r e s sw e r eo b t a i n e di nt h er e s e a r c hw o r ko fr o t o rs t r u c t u r a l d e s i g n t h ew e a rr e s i s t a n tp a n s w e a r a b i l i t ya n dp r o d u c tq u a l i t yo fv e ri c a l s h a f ti m p a c t c r u s h e r h o w e v e r a st h eb r o k e no b j e c t t h eb e h a v i o r a l s t a t eo fs t o n e sa n dt h er e l a t i o n sw i t h r o t o ra n dc r a s h i n gc h a m b e rw e r er e s e a r c h e ds e l d o mi nt h ew o r ko fc r u s h e r t h e r e f o r e t h e p a n i c l e si nc r u s h i n gc h a m b e rf l o wf i e l da r er e s e a r c h e di nd e m s i m u l a t i o na n dg a s s o l i d e a n a l y s i sb yc o m b i n i n gt h em o d e mc r u s h i n gt h e o r yw i t hp a r t i c l em e c h a n i c ss i m u l a t i o na n d d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o dw i t hc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sn u m e r i c a lm e t h o d w h i c hw i l l u n d o u b t e d l yg o o df o rn o to n l ym a s t e r i n gt h em o t i o nl a wo fp a n i c l e sa n da i r i nc r u s h i n g c h a m b e rf l o wf i e l da n di m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i t yb u ta l s oi m p e l l i n gt h e i n n o v a t i v ed e s i g n o ft h er o t o ra n de n h a n c i n gt h ed e v e l o p m e n tl e v e la n dm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e w i t hg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t l y t h ed i s c r e t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sr e s e a r c h e do nt h ec o n v e n t i o n a lr o t o ri nt h ef l o w f i e l do fc r u s h i n gc h a m b e r t h er o t o rm o d e la n dp a n i c l em e c h a n i c sm o d e lw e r ea l le s t a b l i s h e d w i t ht h eu s eo fd i s c r e t ee l e m e n ts o f t w a r ee d e ma n d3 dd e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k s t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t i c l e sa c c e l e r a t i o na n dr o t o rc o n t a c ta r e a p a r t i c l e sv e l o c i t ya n d p a n i c l e sf o r c e s i n g l ep a r t i c l em o t i o na n dt h er o l eo f v e r t i c a lp l a t e p a r t i c l e sa c c e l e r a t i o na n d w e a rr e s i s t a n tp a n sw e r ea l lr e s e a r c h e di nt h es i m u l a t i o np r o c e s so fr o t o r s h o w e dt h a tt h e p a n i c l e sa c c e l e r a t i o np r o c e s sc o u l db ed i v i d e di n t om a t e r i a lw h e r e a b o u t s m a t e r i a ld i s p e r s i o n a n dm a t e r i a la c c e l e r a t i o n t h em a t e r i a la c c e l e r a t i o nw a sc o m p l e t e dm a i n l yi nt h er e g i o no ft h e v e ni c a lp l a t ea n dt h eb u t te n d s r e s u l t e di nt h ew e a ro f m i d d l eb u t te n d sw a st h em o s ts e r i o u s a b o u t8 0 o fp a r t i c l e so b t a i n e dah i g h e rp r o j e c t i l es p e e d a n dt h er o l eo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e n p a r t i c l e sv e l o c i t ya n dp a n i c l e sf o r c es h o w e dt h ee f f e c t i v e n e s so fi m p r o v i n g t h ec r u s h i n ge f f e c t w i t ht h ec h a n g e so fp a ri c l e sv e l o c i t ys i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ep a n i c l e sf o r c e t h es a m et i m e d u e t ot h ep r e s e n c eo fc o m p l e t ea c c e l e r a t i o na n di n c o m p l e t ea c c e l e r a t i o n t h em o t i o ns t a t eo f p a r t i c l e st h r o w nf r o mt h ec o n v e n t i o n a lr o t o ri n t oc r u s h i n gc h a m b e r w a sc h a o t i c t h ef l o wf i e l do fc r u s h i n gc h a m b e rw a sr e s e a r c h e db yt r i zt h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e m s o l v i n g i n c l u d e ds y s t e ma n a l y s i s r e s o u r c ea n a l y s i s a n dm a t e r i a l f i e l da n a l y s i s a n dt h e f u n c t i o n a lm o d e lo fv e r t i c a ls h a f ti m p a c tc r u s h e rw a sa l s oe s t a b l i s h e d i d e n t i f i e dt h ep r o b l e m v 1 i 立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析 c r u xo ft h ec o n v e n t i o n a lr o t o r a n dc l a r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s st h a tt h en e wr o t o rs o l v e dt h e d r a w b a c k so fr e l a t i v e l yl o wb r o k e nr a t ea n dg r e a tp r o d u c ts i z er a n g ei nt h ep r o d u c t i o no f v e r t i c a ls h a f ti m p a c tc r u s h e r t h en e wr o t o rw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r eo fr a d i u sc o m b i n a t i o n i m p a c tp l a t em o u n t i n ga n g l ea n dd i f f e r e n ts i z eo ff e e d i n gp a r t i c l e sw e r ea n a l y s e db yt h e d i s c r e t ee l e m e n ts o f t w a r ee d e m d e t e r m i n e dt h eb e s ts t r u c t u r eo fr o t o ra n di m p a c tp l a t e i n s t a l l a t i o nr a d i u sa n dt h ei m p a c tp l a t em o u n t i n ga n g l e3 0 0 牵5 0 0 车2 t h es u i t a b l ef e e d i n g p a r t i c l e ss i z ew a sa b o u t3 0 m m t h ef l o wf i e l do f c r u s h i n gc h a m b e r w a sa n a l y s e db yt h ec o m p a r i s o no fg a s s o l i dc o u p l i n g a n a l y s i sa n dd i s c r e t ee l e m e n ta n a l y s i sw i t ht h ec o m p u t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t a n dd i s c r e t ee l e m e n ts o f t w a r ee d e m t h er e s e a r c hi n c l u d e dt h ei n t e r a c t i o ne f f e c to f p a r t i c l e s p a r t i c l e sa n dp a r t i c l e s a i r p a r t i c l e s c o l l i s i o na r e a p a r t i c l e sf l o wv e l o c i t y b r o k e n p r o b a b i l i t y s i n g l ep a r t i c l et r a j e c t o r ya n de n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h em o t i o n l a wo fa i rw e r ea l l a n a l y s e d o b t a i n e dt h ei n t e r a c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t i c l e sc o l l i s i o na r e aw i t hb r o k e n p r o b a l i l i t ya n de n e r g yc o n s u m p t i o n b r o k e np r o b a b i l i t yw a sh i g h e ri nt h ec o l l i s o nc h o p p i n g b l o c kr e g i o na n dt h e r ew a sn od i r e c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en u m b e ro fp a r t i c l ec o l l i s i o n s w i t ht h ec r u s h i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n w h e nt h er o t o rs p e e d1 4 0 0 r m i n p a r t i c l ea c c e l e r a t i o n w a sh i g h e r t h en u m b e ro fc o l l i s i o n sw a ss u i t a b l ef o rr e f o r m i n gc r u s h i n g t h ep o w e re f f i c i e n c y w a sl a g e ra n dt h ei m p a c to fp a r t i c l e st oc h o p p i n gb l o c kw a sm o d e r a t e t h ee f f e c to fa i r f l o wt o p a r t i c l e si n c r e a s e dw i t ht h er e d u c t i o no fp a r t i c l e ss i z e t h e d i s c r e t er o l eo fs m a l lp a r t i c l e s i n c r e a s e di nt h ea i r f l o w a n dt h en u m b e ro fc o l l i s i o n sb e t w e e np a r t i c l e p a r t i c l ea n d p a r t i c l e c h o p p i n gb l o c ki n c r e a s e dw e l l o nt h ec o n t r a r y w i t ht h er e d u c t i o no fp a r t i c l e ss i z e t h e i n c r e a s eo fv o l u m ef r a c t i o no fp a r t i c l e si nf l o wf i e l dm a d et h ee f f e c to fp a r t i c l e st oa i r f l o w m o r ea n dm o r eo b v i o u s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yt h em o t i o ns t r e s sa n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y o ft h ef l o wf i e l d 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 d e m g a s s o l i dc o u p l i n g r o t o r f l o wf i e l d v i i i 济南大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪 八l g s 帚一早珀 近年来 随着我国工程建设的不断发展和国家对河沙资源的严格治理 亟需大量的 机制砂来代替天然砂石的使用 因此带动了机制砂设备在中国市场的快速发展 立轴冲 击式破碎机凭借着结构简单 重量轻 运转平稳和能获得较好的立方形产品等优点 在 石料生产中被广泛使用 1 2 立轴冲击式破碎机的破碎主要是通过转子加速后提高颗粒能量 通过高能量的撞击 致使颗粒破碎 转子的转速 流道板安装方式 出料口数量等转子的结构形式对加速颗 粒都起到很重要的作用 不同的转子结构形式将会影响到产品的产砂率和细度模数 加 速过程中颗粒对转子的反作用力也会造成转子耐磨件不同程度的磨损1 3 4 我国地大物 博 南北各地等的石料岩性差异很大 对不同结构配置的立轴冲击式破碎机的适应性也 各不相同 因此 立轴冲击式破碎机的结构装置规格范围 生产能力等都比较大 使用 灵活性较强 5 1 2 立轴冲击式破碎机简介 立轴冲击式制砂机早在2 0 世纪5 0 年代就已经申请了专利 由于易损件磨损问题 一直到7 0 年代都没能取得突破性进展 直到8 0 年代 新西兰人提出b a r m a c 冲击式 制砂机原型后经不断改进 在8 0 年代末由新西兰t i d c d 国际集团公司推出了b a r m a c 冲击式制砂机 到9 0 年代在世界各国推广使用 6 立轴冲击式破碎机是利用高速转动的物料相互碰撞及物料之间摩擦而破碎 石打 石 所以适宜用于特硬 中硬 石打石 及中硬以下磨蚀性物料 石打铁 的粗 碎及细碎作业 7 如图1 1 所示为位于四级破碎的立轴冲击式破碎机工作现场 先进的立轴冲击式破碎机要求具有灵活的机械性能 好的耐磨材料和零件设计 更 有效的粉尘控制系统等优点 制造商通过对给料管 转子和导向板台的综合设计来改进 破碎机的磨损率 通过组合或变化来增加破碎机的灵活性 借助空气再生循环系统 全 线设置雾化喷嘴和改善物料供给系统来实现粉尘控制 8 立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析 糍囊蒺囊滋蒸i 瀵l 鋈溪豢j 豢瀵i i 鎏 豢薰簿薷黪然滋鬻蒸 戮滋稳瀚鬻鬻鬻荔篱麟鬻滋荔滋豢戮 一西j 1 立轴冲击式破碎虢工作现场 1 3 立轴冲击式破碎机结构及破碎系统 立轴冲击式破碎机主要是由转子 破碎腔 传动机构和机架构成吼如图1 2 所示 其中 转子和破碎腔结构是整个立轴冲击式破碎机最关键的部件 而立轴冲击式破碎机 的发展模式就是根据转子及加工方式的不同定义的 破 碎 腔 图1 2 立轴冲击式破碎机结构图 了 立轴冲击式破碎机从一开始的 闭式转子 石打石 单一模式逐渐发展到 闭式转子 石打铁 开式转子 石打铁 开式转子 石打石 等多种组合模式 这些模式的主要 区别就在于破碎腔内是否安装砧板 1 0 当破碎腔内没有安装砧板时 被转子加速的物料 将与瀑流石料撞击完成破碎 即为 石打石 的加工模式 在该模式下 一块物料在破碎 腔内将会受到两次至多次的撞击和冲击 破碎腔中高能量的碰撞链式反应约持续5 2 0 s 速度不足的颗粒将排出破碎腔 当破碎腔内壁装有砧板时 被转子加速的物料将与砧 板撞击实现破碎 即为 石打铁 的加工模式 在该模式下 获得高能量的物料颗粒与砧 板的接触基本上会瞬间转化为冲击力和摩擦力 实现颗粒的冲击破碎并排出破碎腔 2 矫南人学坝士学位论又 如图1 3 所示 不管何种形式的破碎模式 只是破碎腔结构的部分不同 其工作原理基 本一致 总共需要四步 1 垂直物料进入转子加速 受抛料头旋转撞击实现一次初步 破碎 1 3 2 高能量物料在破碎腔中挤压和研磨 3 由于部分颗粒能量无法一次完全 释放 残余的能量会致使颗粒反弹 与从转子抛射出的高能量颗粒进行再破碎 4 高 能量的链式反应结束后 颗粒离开破碎腔 瀑 流 石 料 石打石 石打铁 砧 板 图1 3 立轴冲击式破碎机工作模式 对于立轴冲击式破碎机的生产过程来讲 其核心是破碎系统 它包括转子和破碎腔 如图1 4 所示 转 了 本 体 抛料头 下耐磨扳分料锥 转子 料 扳 上 衬 王不 板 图1 4 转子和破碎腔结构 破碎腔 转子中分料锥的作用是将进入转子中的物料旋转分离 与导料板接触进行加速 随 着加速时间的推移 大部分颗粒将会从抛料头处的出料口排出 进入破碎腔当中进行冲 击破碎 上耐磨板 下耐磨板和衬板等部件都是为了防止颗粒冲击磨损转子和破碎腔设 置的 我们在对立轴冲击式破碎机生产进行调研试验中发现 由于颗粒在转子中加速的 离散性 会造成颗粒不完全加速 颗粒破碎均匀性较差 破碎腔中高能量的颗粒冲击 研磨和碰撞 9 0 t q 产品粒度大约为5 m m 左右 立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析 1 4 立轴冲击式破碎机研究现状 立轴冲击式破碎机的研究都主要集中于对转子和破碎腔流场的研究 包括转子结构 改进 提高耐磨件的使用寿命和提高产品产砂率和均匀性等方面 1 4 1 4 1 转子研究现状 转子是立轴冲击式破碎机的关键部位 作为破碎腔内流场形成的动力源 转子导料 板和抛料头会受到大量的物料冲击 研究人员借助各种手段来研究转子设计和颗粒加速 的关系 在提高物料速度的同时 尽量减少对耐磨件的磨损 郎宝贤和郎世平通过理论公式计算立轴冲击式破碎机的三种流道板安装方式发现 前向流道板的安装会产生最高的颗粒速度 径向流道板次之 后向流道板产生的速度最 小 所以 可以通过改变流道板的安装方式来提高颗粒的速度 c e m c o 公司生产了7 种型号的立轴冲击式破碎机 不同点茌于顶端的设计 其中 t u r b e l l 7 5 的结构为 导向板与反击板 组装的设计 石料 可以根据情况来选择装三个 四个或者五个导向板 而且只需要用两个螺纹连接就可以实现抵抗离心力和颗粒冲击 通过改变转子转速来调节颗粒的冲击可以实现最好的破碎效果 1 5 i s c 公司将立轴冲击式破碎机的转子直径扩大 新研制的1 3 0 型立轴冲击式破碎机 增大了物料入料度和转子转速 这种大转子高转速的设计应用可以得到更细的产品 而 且大转子高转速的设计增大了转子空间 减少了电机的拖动电流 有效地提高了生产率 k o l b e n g p i o n e e r 公司设计的立轴冲击式破碎机包括了导向板 反击板 闭合转子 反击板以及闭合转子 混合岩石槽二种结构设计 尤其是在反击板前安装的石料槽可以 收集微细颗粒以形成物料衬 町以有效地降低颗粒加速过程中对冲击板的冲击腐蚀 而 且该公司对耐磨件的安装采用的是螺纹连接 降低了转子制造时间 提高了立轴冲击式 破碎机的使用时间 m e t s om i n e r a l s 公司生产的 石打石 型立轴冲击式破碎机设计主要由闭合转子 石 料槽以及瀑流石料系统构成 物料颗粒被分为两部分 一部分直接进入转子加速 另一 部分由瀑流石料系统进入破碎腔 而且可以通过调整转速以及破碎腔的中空环来调节产 品粒度 而且可以通过减少空气流量和破碎机头罩内的再循环来抑制粉尘的扩散 r e m c o 公司生产的立轴冲击式破碎机转子的出料口采用了插入式设计 出料口可 以分为3 门 4u 5 口和6 口的设计 而且耐磨件采用的钨片不与转予直接螺纹连接 4 济南大学坝士学位论又 降低了更换时间 转子的上下耐磨板采用的是a r 钢 可以降低石料对耐磨板板冲击磨 损 而且s t a r 型的反击板设计可以调整反击板的位置 以实现破碎模式到 石打石 型的转化 s a n d v i kr o c kp r o c e s s i n g 公司生产的立轴冲击式破碎机具有双流给料系统和旋风转 子设计 这种设计的优点是可以降低破碎的冲击负荷 而且也有利于控制物料的方向 产品粒度和减少冲击磨损 以降低对环境的粉尘污染 t e x a sc r o u s h e rs y s t e m s 公司生产的立轴冲击式破碎机设计很好地解决了耐磨件使 用寿命的问题 可以实现对耐磨件的不完全更换模式 设有的物料收集槽和使用的碳化 物材料都大大降低了对耐磨件的磨损 b h s 公司生产的立轴冲击式破碎机转子结构为两室结构 这种转子的两室结构可以 实现很好的物料流速状态 而且可以提高生产率 降低粉尘的排量 立轴冲击式破碎机转子还有内筛分的双转子结构设计 这种内筛分的设计在完成破 碎的同时 由于独特的内 外设计致使破碎腔内生成涡动气流 实现对粉尘的收集和抑 制工作 1 6 济南大学的王嵩利用e d e m 软件结合立轴冲击式破碎机的虚拟样机模型 对不同 流道口数下的转子进行了仿真分析 证明了转子流道口数对颗粒加速的影响作用 当采 用6 个流道口安装时 转子对颗粒的加速最好 破碎效果最型1 7 北京有色冶金设计研究总院的齐国成在分析立轴冲击式破碎机结构特点和工作原 理的同时 进一步提出了提高破碎机产砂率的措施 包括从转子的结构设计和工作形式 两个方面 安装冲击板增加冲击作用 增加出料口数以提高转子的抛射频次和采用双转 子结构增加冲击次数三种转子结构设计以提高破碎机产砂率 而且 通过增加入料量 采用双物料流动形式和提高流场内风速三种工作形式也能够提高破碎机的破碎效果 1 8 由于转子和破碎腔当中的物料流动及破碎 致使立轴冲击式破碎机部件磨损严重 会造成微细粉粒的泄漏及破坏流场状态 l9 1 所以 祁小群针对南京破碎机厂立轴冲击式 破碎机的应用情况 采用w c 颗粒增强基表面复合材料作为耐磨衬板的材料 使衬板的 耐磨性比高铬铸铁高了5 倍左右 其使用寿命也增加了3 倍以上 2 0 中国人民武装警察部队水电三总队九支队的丁杰泽和蒲果等人对比了国内外立轴 冲击式破碎机关键部件的使用寿命发现 国内的立轴冲击式破碎机的耐磨件使用寿命远 远低于国外的 而且在研究耐磨材料与冲击速度和冲击力的关系中发现 高锰钢适合于 抵抗高冲击的磨损 对于中低速的冲击无法实现很好的耐磨效果 将热处理化的高锰钢 立轴冲击式破碎机破碎腔的流场分析 应用于立轴冲击式破碎机中可以使平均使用时间达到5 0 0 小时以上 2 l 林建庭在福建九州麒麟水泥股份有限公司对破碎机研究发现 物料进料口角度和粉 料盘盖板设计的不合理都会导致破碎机的磨损问题 通过优化进料口的入料角度可以有 效地控制物料进入转子的流速和方向 不与盖板直接冲击 避免磨损和粉尘的激扬 1 4 2 颗粒系统流场研究现状 破碎腔作为物料破碎的空间 其中的流场状态将直接影响物料的加速和破碎 由于 在立轴冲击式破碎机工作时物料的高速度和高能量冲击 复杂的工作环境不利于实验人 员进行采集流场数据 所以 目前对丁 颗粒系统流场的研究主要是通过虚拟建模和模拟 仿真的手段进行理论研究 m a t sl i n d q v i s t 利用能耗模型和现场试验对立轴冲击式破碎机和圆锥破碎机两种不 同的破碎颗粒系统进行了对比分析 发现立轴冲击式破碎机破碎腔的流场中只存在一个 转动的部件一一转子 这种结构配置使得立轴冲击式破碎机的能量消耗明显低于圆锥破 碎机 利用能耗模型计算得到立轴冲击式破碎机在研磨过程中会节省2 1 4 的能量 在立轴冲击式破碎机的破碎腔中 石打石 的 工 作模式使得颗粒破碎随机离散作用很 强 这会使部分颗粒没有破碎就离开破碎腔 造成产品粒度范围很大 而且还存在细针 状的颗粒 分析还发现 立轴冲击式破碎机对4 9 m m 的颗粒破碎效率很低 2 2 r d m o r r i s o n 和fs h i 等人对冲击破碎的颗粒进行了离散元分析 在颗粒的冲击破 碎试验中发现 单个颗粒的冲击破碎概率很小 然而 部分的冲击存在就会产生很大的 破坏 而且在颗粒冲击破碎的过程中 不是颗粒能量越大 颗粒就一定产生破碎 实验 结果表明 冲击能量叠加超过颗粒破碎所需的最小能量时 颗粒就会产生破碎 r d m o r r i s o n 等人优化得到的颗粒破碎模型可以更准确地描述冲击破碎中能量输入和不同 粒径颗粒破碎的程度 2 3 张军翠和侯书君等人对振动破碎机进行了动力学研究 分析在振动条件下刚体一物 料层之间的作用关系 建立了两个振动刚体和物料系统组成的振动模型 用数学的方法 建立 该破碎机的振动微分方程 分析了破碎机的动力学特性并揭示了物料的相对运动 轨迹 2 4 f e n g n i a ns h i 和t o n ik o j o v i e 结合颗粒粒度效应验证了目前的颗粒冲击破碎模型 得到该破碎模型可以很好地预测颗粒破碎行为和描述颗粒的产品粒径分布 相似的破碎 形式会导致相同的颗粒破碎可能性 而且颗粒上类似的裂纹形式也会产生相同的颗粒破 济南大学坝士学位论又 碎形式 2 5 1 n d j o r a j e v i c 等应用离散方法模拟了立轴和水平轴冲击破碎机的物料流动 计算了 物料的速度和碰撞能量的分布 并将能量分布转化为产品的粒度分布 并且通过实验验 证了模拟结果 2 6 1 l u t zv o g e l 和w o l f g a n gp e u k e r t 利用单颗粒冲击设备对颗粒的冲击破碎进行单颗粒 分析 在实验过程中 单颗粒冲击设备的加速轨道只允许一个颗粒通过 得到单颗粒在 此情况下加速离开转盘时 切向速度等于径向速度 实验结果还表明 尺寸较小的颗粒 接触面积小 自然裂纹的受力较小 致使越小的颗粒越不容易破碎 2 7 张军明利用动力学软件a d a m s 对立轴冲击式破碎机转子运动进行仿真分析 获得 立轴冲击式破碎机破碎质量和效率与转子的转速有重要关系 破碎效果不总是随着转速 的提高而提高 还与颗粒的受力和进料粒度有判2 8 1 c t j a y a s u n d a r a 和r yy a n g 等人利用离散元技术 d e m 分析i s a m i l l 高速搅动磨 腔流场中颗粒间的滑动摩擦系数 恢复系数 颗粒密度和颗粒尺寸等性质 通过分析颗 粒速度分布 孔隙度分布 碰撞频率 破碎能量和功耗等结果 表明降低颗粒间的滑动 系数可以使颗粒流场运动更剧烈从而更有益于研磨 研磨介质具有高的恢复系数可以增 强它的碰撞频率和破碎能量从而也可以加速研磨 实验结果表明 d e m 模型对选择磨 腔流场中的研磨介质很有用例 c t j a y a s u n d a r a 和r yy a n g 等人对i s a m i l l 高速搅动磨腔流场进行了更深入地研 究 考虑了空气与颗粒间的相互作用 将计算流体动力学 c f d 与离散元技术相结合 对磨腔流场中的颗粒流动进行两相仿真分析 并与该型号磨机在相同粒径颗粒 磨机载 荷 旋转速度的工况下运行作对比 仿真实验与现场试验的数据相差不大 证实了 c f d d e m 模型可以较准确地模拟颗粒流动性质 从而准确地预测磨腔中颗粒流的微动 态信息 3 0 s h u l it e n g 和p e n gw a n g 等人对磨腔流场进行了气固两相流的分析 对流场颗粒做 d e m 仿真和c f d d e m 耦合模拟对比 并进行了五种不同工况下的试验验证 表明随 着工作压力的提高 颗粒间的相对速度和绝对速度都有了不同程度的提高 从而增大了 颗粒间的碰撞频率 而且颗粒间的切向磨损是颗粒碰撞破碎的主要作用 气固两相分析 结果表明 气体的加入促进了颗粒运动的离散作用 使其有了更大的速度范围 从而提 高了颗粒的碰撞破碎 3 1 1 北京航天航空大学的王庆将c a d 与计算机仿真技术结合 构建了反击式破碎机的 立轴冲击式破碎击l 破碎腔的流场分析 虚拟设计平台 对破碎机的关键零部件进行了有限元和动力学仿真 缩短了优化破碎机 结构的设计时间 节省了开发费用 3 2 1 澳洲昆士兰大学的n d i o r d j e v i c f n s h i r d m o r r i s o n 等人 利用离散元技术对冲 击破碎机中的单个颗粒和多个颗粒的相互作用进行了分析 将实验数据和对矿石冲击破 碎样品进行比较 得到可以将碰撞的能量分布转化到产品的粒度分布 离散元技术将会 对机器的设计和破碎腔中颗粒行为的碰撞能量分布和速度操作环境起指导作用 3 3 1 并 且 m o n i s o n r d 等人利用离散元方法研究颗粒运动已经用于研究磨损问题 而且取得 了不错的效果 3 4 k y r a nc s t e e l 对一种新型同步破碎机转子进行理论研究 发现转子运动过程中 颗 粒在相对坐标系下的相对运动轨迹是确定性的 新型转子可以将传统转子加速过程时的 紊乱冲击变得更加有序 并在荷兰对其进行了样机试验证明了同步转子概念 但是对于 新型转子的结构如何配置以及抛料规律的论述很少 3 5 1 综上所述 从研究方法和研究内容来说 人们首先是把破碎机看作一个 黑箱 通过研究其输入输出关系来描述和完善设备的功能 如研究进料量 进料粒度 进料级 配 转子转速 甚至生产线配置对制砂产量 出料级配 粒形以及消耗能量的影响 而将现代破碎理论与颗粒力学模拟技术相结合是近几年的重要研究方向 一种是基 于离散元模型的数值模拟 重点在于建立反映和指导生产实际的理论模型并验证其有效 性 总的说来 对单个颗粒 包括流体颗粒 在静止和运动流体中受力情况的研究结果比 较丰富 但对颗粒群的研究则很不充分 另一种是面向破碎过程的虚拟仿真 重在利用 专业的离散元分析软件平台对物料流场进行各种条件下的仿真 相比之下 目前对冲击 破碎机进行d e m 仿真以及c f d d e m 耦合分析所做的工作还不多 从研究成果的实践应用看 迄今为止 凡是国外先进的破碎机 国内几乎都有引进 和制造 可以说 立轴冲击破碎机在中国的应用和发展很好地反