郗洪濤，程相文

(河北聯(lián)合大學(xué)機械工程學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

傳統(tǒng)的破碎機(如顎式破碎機、圓錐破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機等)效率低、能耗高、破碎能力低，而且都是固定式安裝，移動不方便不適合露天漸進式開采［1］。移動式破碎站適用于露天礦山，移動方便，靈活性高，對場地適應(yīng)性好。目前，國內(nèi)對于適合露天漸進開采的移動式破碎站主要依靠進口。這些國外進口的移動式破碎站價格昂貴、維修成本高，所以增加了礦業(yè)開采行業(yè)的成本?；谝陨显?，結(jié)合德國哈斯瑪克公司的一種移動式破碎站即錘式滾軸破碎機，對錘式滾軸破碎機進行參數(shù)化設(shè)計，建立了其虛擬樣機并進行了運動仿真，實現(xiàn)了錘式滾軸破碎機的優(yōu)化及創(chuàng)新設(shè)計。

1 錘式滾軸破碎機工作原理

錘式滾軸破碎機的工作原理如圖1所示，物料通過鏈?zhǔn)焦伟鍣C被強制輸送到破碎腔，在錘頭的沖擊剪切和沖擊拉伸的作用下，使剪切力沿著物料的薄弱易碎部位產(chǎn)生巨大破碎力使其破碎。

圖1 錘式滾軸破碎機工作原理圖

2 錘式滾軸破碎機結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)的計算

錘式滾軸破碎機主要由沖擊滾輪破碎腔、鏈?zhǔn)捷斔蜋C、支撐結(jié)構(gòu)組成。如圖2所示。錘式滾軸破碎機驅(qū)動系統(tǒng)采用雙電機、雙液力耦合器、雙套帶輪驅(qū)動，側(cè)壁和破碎輥用手動液壓系統(tǒng)可移動，用來調(diào)整滾軸與刮板機之間的距離，從而控制排料粒度。該機有液力耦合器過載保護和電控過載保護，可有效防止難碎硬物損壞破碎機，整機結(jié)構(gòu)緊湊，機體高度低、沖擊負荷小。錘式滾軸破碎機的詳細技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 錘式滾軸破碎機結(jié)構(gòu)簡圖

表1 錘式滾軸破碎機技術(shù)參數(shù)

2.1 滾軸轉(zhuǎn)速的計算

假設(shè)在滾軸全長上均勻地填滿物料，而且破碎機的給料和排料都是連續(xù)進行的。料帶的寬度等于滾軸長度，厚度等于滾軸的間距，卸出速度等于滾軸圓周速度。實際上，喂入物料布滿整個長度，同時卸出物料是松散的，故必須加以修正，而物料落下的速度與滾軸圓周速度的關(guān)系為:

式中V──錘頭的圓周速度(m/s)

D──轉(zhuǎn)子的直徑(m)

一般中小型破碎機圓周速度為25～70 m/s，速度越高，產(chǎn)品的粒度越小。齒及襯板的磨損越大，功耗增加［2］。對機器零部件的加工、安裝精度要求隨之提高。在滿足其粒度要求的情況下，圓周速度應(yīng)偏低選取。所以取錘頭圓周速度為21 m/s代入上式得:

2.2 生產(chǎn)能力的計算

破碎設(shè)備的處理量與被破碎物料的物理性質(zhì)(可碎性、密度、解理、濕度、粒度組成等)，破碎機的類型、規(guī)格及性能，以及工藝要求(破碎比、開路或閉路工作、給礦均勻性及產(chǎn)品粒度)等因素有關(guān)［3］。由于目前還沒有把這些因素全部包括進去的理論計算方法，因此，在設(shè)計計算時，多采用經(jīng)驗公式進行概略計算，并根據(jù)實際條件及類似廠礦的生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以校正。計算公式為:

式中:Q──在設(shè)計條件下破碎機的處理量，t/h;

QS──標(biāo)準(zhǔn)條件下的處理量，按下式進行計算:

q0──破碎機單位排礦口處理量，t/h;

e──破碎機排礦口寬度，mm;

K1──礦石可碎性系數(shù);

K2──礦石密度修正系數(shù)，按下式進行計算:

δ0──礦石松散密度，t/m3;

K3──給礦粒度或破碎比修正系數(shù);

K4──水分修正系數(shù)。

生產(chǎn)能力計算過程:

(1)破碎機規(guī)格:最大給料粒度1500 mm，最大排料粒度200 mm，

由手冊查得q0=13.5 t/h

(2)破碎機排礦口寬度e=300mm;

根據(jù)QS=q0e計算

(3)礦石松散密度δ0=0.85 t/m3，礦石密度修正系數(shù)K2，按下式進行計算:

(4)給礦最大粒度Dmax=1500mm，給礦口有效寬度B=1800mm

由手冊查得K3=1.0

(5)礦石極限抗壓強度為0.85 MPa，由手冊查得K1可取1.1～1.2，取K1=1.1

(6)水分修正系數(shù)K4，由手冊查得K4=1.0

(7)破碎機的處理量Q:

綜上所述，Q=2361 t/h＞2000 t/h，滿足2000 t/h的破碎能力的設(shè)計，達到設(shè)計要求。

2.3 驅(qū)動電機功率的計算

功率計算是破碎機設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，是選擇電機功率的重要依據(jù)，一般采用經(jīng)驗計算和理論計算兩種方法，由于錘式滾軸破碎機是一種新型破碎機，沒有經(jīng)驗公式，所以采用理論計算方法。根據(jù)電機的功率應(yīng)與單位時間破碎物料的功耗相等的原則，可以用以下公式計算電機功率:

式中:N──電機功率，kW

N1──沖擊功率，kW;

N2──錘頭與物料的摩擦功率，kW;

N3──軸承摩擦功率。kw;

η──傳動效率，η =0.9－0.95

式中:Z為錘頭數(shù);

ΔE為轉(zhuǎn)子體能量損失，kW;

S為物料的拖拉長度，m;

Ff為摩擦力，N;

Mf為軸承摩擦力矩，N·M;

將各項數(shù)據(jù)以上公式求得N=630 kW，由于錘式滾軸破碎機采用雙電機驅(qū)動所以每個電機所需功率為315 kW。

3 錘式滾軸破碎機建模及運動仿真

為了更好的對錘式滾軸破碎機的結(jié)構(gòu)進行研究，利用Pro/E軟件對其進行建模，建立其虛擬樣機，最后利用Pro/E的Mechanism仿真模塊進行運動仿真分析，檢查設(shè)計方案的不足之處。這樣可以避免制造試驗機不合格造成的經(jīng)濟損失，縮短開發(fā)周期［4］。根據(jù)錘式滾軸破碎機的整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)建模方案完成各零件及部件的建模和虛擬裝配，最后完成整機的裝配。下面詳細介紹滾軸的建模過程，其他零件及部件的建模過程不再贅述。

3.1 滾軸的三維建模

根據(jù)滾軸的總體設(shè)計如圖3所示，滾軸和錘頭之間通過楔形塊的楔緊作用牢牢地固定在一起。錘頭采用獨特可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，在錘頭磨損以后，不必馬上更換錘頭，而是通過添加墊片的方式，使破碎半徑保持不變，使錘頭的利用率大大提高。圖3上下分別是錘頭的初始狀態(tài)和終了狀態(tài)。

圖3 滾軸二維裝配圖

根據(jù)滾軸的設(shè)計圖，利用Pro/E對錘頭、主軸、滾軸分別進行建模并完成裝配。如圖4～7所示，分別為錘頭、主軸、滾軸及完成裝配后的三維模型。

圖4 錘頭三維模型

圖5 主軸三維模型

圖6 滾軸三維模型

如圖6所示。滾軸在錘頭突出部分的兩側(cè)，設(shè)計了輔助破碎裝置，增加了錘頭的強度，能夠替錘頭擔(dān)一些破碎任務(wù)，減輕了錘頭的負擔(dān)，同時也能有效地控制物料粒度，保證破碎的質(zhì)量。

圖7 裝配圖

3.2 錘式滾軸破碎機整機裝配

完成破碎機所有部件破碎腔、滾軸、滾軸驅(qū)動、滾軸調(diào)節(jié)裝置、刮板輸送機、無驅(qū)動履帶系統(tǒng)、附件等的建模，進行整機裝配。裝配完成后的錘式滾軸破碎機的虛擬樣機如圖8所示。

圖8 錘式滾軸破碎機裝配圖

3.3 錘式滾軸破碎機運動仿真

完成整機的裝配后，運用Pro/E的Mechanism仿真模塊，對錘式滾軸破碎機進行運動仿真。在機構(gòu)仿真環(huán)境中，使用伺服電機工具(Servo)，在錘式滾軸破碎機的每一個電機輸出軸上添加伺服電機動力源，設(shè)置相應(yīng)功率及轉(zhuǎn)速。然后利用分析工具(Analyses)建立運動分析并運行。最后使用回放工具(Playback)，選取分析結(jié)果并運行，觀察錘式滾軸破碎機的各個運動部件的運行狀態(tài)［5］。通過觀察運動仿真結(jié)果，不僅可以更加直觀的了解錘式滾軸破碎機的結(jié)構(gòu)特點，而且可以觀察出設(shè)計缺陷如機構(gòu)運動有無干涉現(xiàn)象，有助于改進設(shè)計方案，達到產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的目的。

4 結(jié)論

本文通過對德國哈斯瑪克公司的錘式滾軸破碎機工作原理和結(jié)構(gòu)的分析研究，運用Pro/E建立了其虛擬樣機并進行了運動仿真分析，通過仿真數(shù)據(jù)與實際樣機比較，驗證了仿真模型的可靠性。填補了我國錘式滾軸破碎機研究的空白，并為錘式滾軸破碎機應(yīng)力強度分析及優(yōu)化設(shè)計做出了初步準(zhǔn)備。

［1］郎保賢，郎世平.國內(nèi)外破碎機的差距與發(fā)展趨勢［J］.礦山機械.2004(9):13-15.

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［3］任小中，陳新建，蘇建新.錘式破碎機轉(zhuǎn)子主要技術(shù)參數(shù)的確定［J］.煤礦機械.2008(2):26-28.

［4］李伯虎，柴旭東，熊光楞.復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機工程的研究與初步實踐［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報.2002(3):336-342.

［5］祝凌云，李斌.Pro/ENGINEER運動仿真和有限元分析［M］.北京:人民郵電出版社，2004.