锤式滚轴破碎机数字化设计及运动仿真.doc

锤式滚轴破碎机数字化设计及运动仿真郗洪涛1，程相文1（1.河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 063009）摘 要：锤式滚轴破碎机是一种先进的新型破碎机，适用于露天矿山作业，目前在国内外被广泛应用。我国目前没有设计生产这种破碎机的能力，所以我国矿山使用的锤式滚轴破碎机全部依赖进口。本文简要介绍锤式滚轴破碎机的工作原理及结构特点。运用Pro/E对锤式滚轴破碎机进行参数化设计，建立了锤式滚轴破碎机的虚拟样机，并利用Pro/E的仿真模块对其进行运动仿真，实现了锤式滚轴破碎机的优化及创新设计，为我国自行设计该型破碎机做了初步准备工作。关键词：锤式滚轴破碎机；虚拟样机；运动仿真；Pro/EDigital design and motion simulation for impact roll crusherXiHongtao1, Cheng Xiangwen1 (1.School of Mechanical Engineering , Hebei United University, Tangshan Hebei 063009)Abstract: Impact roll crusher which is for open-pit mine was an advanced new crusher, currently, it was widely used at home and abroad. As China had not capacity to produce the crusher, so impact roll crusher which is used for mine was dependent on foreign imports in China. Its working principle and structural characteristics were briefly introduced in this article.The parametric designing for it was finished with Pro/E, virtual machine of crusher was built, and its motion simulation was actualized by use of simulation module of Pro/E. Innovative design for crusher was realized by optimization and modern design methods. It made preliminary preparations for our own designing of this type of crusher.Key words: Impact roll crusher; Virtual machine; Motion simulation; Pro/E0 引言传统的破碎机（如颚式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机等）效率低、能耗高、破碎能力低，而且都是固定式安装，移动不方便不适合露天渐进式开采1。移动式破碎站适用于露天矿山，移动方便，灵活性高，对场地适应性好。目前，国内对于适合露天渐进开采的移动式破碎站主要依靠进口。这些国外进口的移动式破碎站价格昂贵、维修成本高，所以增加了矿业开采行业的成本。基于以上原因，结合德国哈斯玛克公司的一种移动式破碎站即锤式滚轴破碎机，对锤式滚轴破碎机进行参数化设计，建立了其虚拟样机并进行了运动仿真，实现了锤式滚轴破碎机的优化及创新设计。1 锤式滚轴破碎机工作原理锤式滚轴破碎机的工作原理如图1所示，物料通过链式刮板机被强制输送到破碎腔，在锤头的冲击剪切和冲击拉伸的作用下，使剪切力沿着物料的薄弱易碎部位产生巨大破碎力使其破碎。1链式输送机； 2刮板； 3齿辊； 4锤头图1锤式滚轴破碎机工作原理图Fig.1 Working schematic diagram of impact roll crusher2 锤式滚轴破碎机结构及技术参数的计算带有冲击滚轮的破碎腔Crusher house with Impact Roll锤式滚轴破碎机主要由冲击滚轮破碎腔、链式输送机、支撑结构组成。如图2所示。锤式滚轴破碎机驱动系统采用双电机、双液力耦合器、双套带轮驱动，侧壁和破碎辊用手动液压系统可移动，用来调整滚轴与刮板机之间的距离，从而控制排料粒度。该机有液力耦合器过载保护和电控过载保护，可有效防止难碎硬物损坏破碎机，整机结构紧凑，机体高度低、冲击负荷小。锤式滚轴破碎机的详细技术参数如表1所示。支撑结构Substructure链式输送机Chain Conveyor图2锤式滚轴破碎机结构简图Fig.2 Structure of impact roll crusher表1锤式滚轴破碎机技术参数Table1 The technical parameters of impact roll crusher参数破碎能力t/h入料粒度/mm出料粒度/mm驱动功率/kw滚轴转速r/min齿辊直径/mm外形尺寸/mm参数值20000-15000-3002x3152691500长24,000宽8,200高6,4401）滚轴转速的计算假设在滚轴全长上均匀地填满物料，而且破碎机的给料和排料都是连续进行的。料带的宽度等于滚轴长度，厚度等于滚轴的间距，卸出速度等于滚轴圆周速度。实际上，喂入物料布满整个长度，同时卸出物料是松散的，故必须加以修正，而物料落下的速度与滚轴圆周速度的关系为： .(1)式中 锤头的圆周速度（m/s） 转子的直径（m）一般中小型破碎机圆周速度为2570m/s，速度越高，产品的粒度越小。齿及衬板的磨损越大，功耗增加2。对机器零部件的加工、安装精度要求随之提高。在满足其粒度要求的情况下，圆周速度应偏低选取。所以取锤头圆周速度为21m/s代入上式得：.(2)2）生产能力的计算破碎设备的处理量与被破碎物料的物理性质（可碎性、密度、解理、湿度、粒度组成等），破碎机的类型、规格及性能，以及工艺要求（破碎比、开路或闭路工作、给矿均匀性及产品粒度）等因素有关3。由于目前还没有把这些因素全部包括进去的理论计算方法，因此，在设计计算时，多采用经验公式进行概略计算，并根据实际条件及类似厂矿的生产数据加以校正。计算公式为：Q=.(3)式中 Q在设计条件下破碎机的处理量，t/h； 标准条件下的处理量，按下式进行计算： =e.(4) 破碎机单位排矿口处理量，t/h； e破碎机排矿口宽度，mm； 矿石可碎性系数； 矿石密度修正系数，按下式进行计算： =.(5) 矿石松散密度，t/m3； 给矿粒度或破碎比修正系数； 水分修正系数；生产能力计算过程： (1) 破碎机规格：最大给料粒度1500mm，最大排料粒度200mm， 由手册查得=13.5 t/h (2) 破碎机排矿口宽度e=300mm； 根据=计算 =13.5300=4050 t/m3 (3) 矿石松散密度=0.85 t/m3，矿石密度修正系数，按下式进行计算： =0.53(4) 给矿最大粒度=1500mm，给矿口有效宽度B=1800mm =0.84 由手册查得=1.0 (5) 矿石极限抗压强度为0.85 MPa ，由手册查得可取1.11.2，取=1.1 (6) 水分修正系数，由手册查得=1.0 (7)破碎机的处理量Q：Q=1.10.531.01.04050=2361 t/h综上所述，Q=2361 t/h 2000 t/h , 满足2000 t/h的破碎能力的设计，达到设计要求。3）驱动电机功率的计算功率计算是破碎机设计的重要环节，是选择电机功率的重要依据，一般采用经验计算和理论计算两种方法，由于锤式滚轴破碎机是一种新型破碎机，没有经验公式，所以采用理论计算方法。根据电机的功率应与单位时间破碎物料的功耗相等的原则，可以用以下公式计算电机功率：.(6)式中 N电机功率，kw N1冲击功率，kw N2锤头与物料的摩擦功率，kw N3轴承摩擦功率。kw传动效率，=0.9-0.95其中，.(7)式中 Z为锤头数 E为转子体能量损失,kw S为物料的拖拉长度，mFf为摩擦力，NMf为轴承摩擦力矩，NM将各项数据以上公式求得N=630kw，由于锤式滚轴破碎机采用双电机驱动所以每个电机所需功率为315kw。3 锤式滚轴破碎机建模及运动仿真为了更好的对锤式滚轴破碎机的结构进行研究，利用Pro/E软件对其进行建模，建立其虚拟样机，最后利用Pro/E的Mechanism仿真模块进行运动仿真分析，检查设计方案的不足之处。这样可以避免制造试验机不合格造成的经济损失，缩短开发周期4。根据锤式滚轴破碎机的整体结构，根据建模方案完成各零件及部件的建模和虚拟装配，最后完成整机的装配。下面详细介绍滚轴的建模过程，其他零件及部件的建模过程不再赘述。1）滚轴的三维建模根据滚轴的总体设计如图3所示，滚轴和锤头之间通过楔形块的楔紧作用牢牢地固定在一起。锤头采用独特可调节的结构，在锤头磨损以后，不必马上更换锤头，而是通过添加垫片的方式，使破碎半径保持不变，使锤头的利用率大大提高。图3上下分别是锤头的初始状态和终了状态。图3 滚轴二维装配图Fig.3 Two-dimensional assembly of impact roll根据滚轴的设计图，利用Pro/E对锤头、主轴、滚轴分别进行建模并完成装配。如图4-7所示，分别为锤头、主轴、滚轴及完成装配后的三维模型。 图4 锤头三维模型 图5 主轴三维模型Fig.4 Three-dimensional model of hammerhead Fig.5 Three-dimensional model of principal axis图6 滚轴三维模型Fig.6 Three-dimensional model of impact roll如图6所示。滚轴在锤头突出部分的两侧，设计了辅助破碎装置，增加了锤头的强度，能够替锤头担一些破碎任务，减轻了锤头的负担，同时也能有效地控制物料粒度，保证破碎的质量。图7 装配图Fig.7 Assembly of impact roll2）锤式滚轴破碎机整机装配完成破碎机所有部件破碎腔、滚轴、滚轴驱动、滚轴调节装置、刮板输送机、无驱动履带系统、附件等的建模，进行整机装配。装配完成后的锤式滚轴破碎机的虚拟样机如图8所示。图8 锤式滚轴破碎机装配图Fig.8 Assembly of impact roll crusher3）锤式滚轴破碎机运动仿真完成整机的装配后，运用Pro/E的Mechanism仿真模块，对锤式滚轴破碎机进行运动仿真。在机构仿真环境中，使用伺服电机工具（Servo），在锤式滚轴破碎机的每一个电机输出轴上添加伺服电机动力源，设置相应功率及转速。然后利用分析工具（Analyses）建立运动分析并运行。最后使用回放工具（Playback），选取分析结果并运行，观察锤式滚轴破碎机的各个运动部件的运行状态5。通过观察运动仿真结果，不仅可以更加直观的了解锤式滚轴破碎机的结构特点，而且可以观察出设计缺陷如机构运动有无干涉现象，有助于改进设计方案，达到产品优化设计的目的。4 结论本文通过对德国哈斯玛克公司的锤式滚轴破碎机工作原理和结构的分析研究，运用Pro/E建立了其虚拟样机并进行了运动仿真分析，通过仿真数据与实际样机比较，验证了仿真模型的可靠性。填补了我国锤式滚轴破碎机研究的空白，并为锤式滚轴破碎机应力强度分析及优化设计做出了初步准备。参考文献1 郎保贤，郎世平.国内外破碎机的差距与发展趋势J. 矿山机械. 2004（9）：1315 .2 武彦旭，卫丽.锤式破碎机可靠性分析与改进J.煤矿机械. 2009（5）.3 任小中，陈新建，苏建新.锤式破碎机转子主要技术参数的确定J.煤矿机械.2008（2）：2628.4 李伯虎，柴旭东，熊光楞.复杂产品虚拟样机工程的研究与初