任廷志 黃凱鋒 程加遠 張子龍 金 昕

燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，066004

0 引言

慣性圓錐破碎機具有大且可調的破碎力，是能破碎任何硬度的脆性物料的節(jié)能超細碎設備，在物料破碎加工領域得到了廣泛的應用并產生了極大的社會效益與經濟效益[1]。慣性圓錐破碎機在工作過程中產生的巨大不平衡慣性力導致其有較大的振動，因此慣性圓錐破碎機不但需要較為笨重的機體結構，而且其減振基礎受到十分強烈的交變動載荷，增加了慣性圓錐破碎機的維護成本。

為解決上述問題，進一步提高慣性圓錐破碎機的工作性能，國內外許多學者進行了大量的研究工作。夏曉鷗等[2]對慣性圓錐破碎機的隔振系統(tǒng)進行了分析與創(chuàng)新，采用二次隔振的方式從隔振的角度對慣性圓錐破碎機進行研究，取得了一定的成效；王海濤等[3]研制了一種雙激振器動平衡式慣性圓錐破碎機，在主激振器的附近增加了一個平衡激振器，對設備的慣性力進行了平衡；BELOTSERKOVSKIY[4]研究了慣性圓錐破碎機的平衡方法，在驅動軸處增加了2塊用于平衡慣性力和慣性力矩的平衡激振器。以上做法均達到了一定的效果，但未充分利用增加的激振器所產生的慣性力。

筆者在前人研究成果的基礎上，研制了一種新型慣性圓錐破碎機——反相雙激振器慣性圓錐破碎機，增加1個激振器并輔以合理的機構設計，減小了設備在工作過程中受到的不平衡動載荷，達到增大破碎力的目的，理論分析和樣機試驗驗證了該設計的合理性。

1 破碎機的機構設計

要在不削弱慣性圓錐破碎機激振效果的前提下，利用副激振器產生的慣性離心力進一步增大破碎力，一種可行的方法是在副激振器產生的慣性力不影響主激振器運動且能削弱整體振動的前提下，通過連桿將副激振器所產生的慣性力部分傳遞給主激振器?；谏鲜鲈O計原則，在慣性圓錐破碎機上增加一個可以與主激振器發(fā)生同步旋擺的副激振器，通過空間連桿機構增大破碎力，研制出反相雙激振器慣性圓錐破碎機。該破碎機由激振機構、破碎機構、平衡機構與破碎力增大機構組成，整體結構如圖1所示。

1.定錐組件 2.動錐組件 3.破碎主軸 4.球面瓦 5.楔形塊 6.法蘭盤 7.球面環(huán) 8.球面軸承 9.主激振器套筒 10.機體 11.副激振器套筒 12.關節(jié)軸承 13.滾珠 14.半聯(lián)軸節(jié) 15.副激振器 16.連桿 17.接軸 18.驅動軸 19.軸承 20.定位環(huán) 21.皮帶輪 22.底座 23.減振器 24.關節(jié)軸承端蓋 25.主激振器圖1 反相雙激振器慣性圓錐破碎機Fig.1 Inverted double exciter inertial cone crusher

破碎機機體和減振器、驅動軸等一并安裝在底座上。安裝在底座上的驅動軸在皮帶輪的帶動下繞破碎機中軸線旋轉。驅動軸與接軸以球銷副相連，接軸與半聯(lián)軸節(jié)以球銷副與移動副相結合的形式相連，使接軸在驅動軸與半聯(lián)軸節(jié)之間有效傳遞所需要的動力。

激振機構的主激振器固定在主激振器套筒上，主激振器套筒與半聯(lián)軸節(jié)固定，法蘭盤與球面環(huán)之間為平面副連接，具有調心作用，使主激振器最終繞著球面瓦的球心做空間定點轉動。

破碎機構的破碎主軸裝入套筒的內孔中，動錐與破碎主軸固定，放置在球面瓦上并繞球面瓦的球心做空間定點轉動。工作時，破碎機構在激振機構的慣性力作用下偏離破碎機中軸線，對動錐與定錐間的物料進行擠壓破碎，如圖2所示。

1.定錐與機體組件 2.動錐組件 3.減振器 4.副激振器組件 5.連桿 6.主激振器與套筒組件圖2 主要機構受力分析Fig.2 Force layout of main mechanism

平衡機構的副激振器與副激振器套筒固定，副激振器套筒固定在關節(jié)軸承的內圈上，在工作過程中繞著關節(jié)軸承的旋轉中心做空間定點轉動。副激振器產生的慣性力與主激振器產生的慣性力方向相反。

副激振器套筒通過球銷副與連桿相連，連桿與主激振器之間以轉動副相連。當驅動軸驅動套筒與激振器繞破碎機豎直中軸線旋轉時，連桿帶動副激振器套筒和副激振器一起繞破碎機豎直中軸線同步旋轉，將副激振器的慣性力反饋給破碎機構，增大破碎力。反相雙激振器慣性圓錐破碎機的各個運動構件組成了一種空間SRS′S機構，穩(wěn)定運轉時，動錐壁與物料層之間為圓柱-平面副連接，破碎主軸在套筒內的自轉并不會影響整個機構的運動，可視為局部自由度，根據(jù)空間機構自由度計算公式可得穩(wěn)定運轉情況下的整機自由度為1，圖2為主要機構受力分析圖。

2 破碎機的力學分析

2.1 破碎機的等效破碎力

慣性圓錐破碎機的破碎力主要由激振器產生的離心慣性力決定，由文獻[5-7]可得傳統(tǒng)單激振器慣性圓錐破碎機的等效破碎力：

Fcr=F′ic+F′ucv

(1)

式中，F(xiàn)cr為慣性圓錐破碎機的等效破碎力；F′ic為慣性圓錐破碎機動錐旋轉產生的慣性力在破碎區(qū)域的等效力；F′ucv為慣性圓錐破碎機激振器旋轉產生的離心力在破碎區(qū)域的等效力。

反相雙激振器慣性圓錐破碎機與單激振器慣性圓錐破碎機的最大區(qū)別是副激振器與連桿組成的平衡機構與破碎力增益機構。副激振器產生的慣性力作用在設備機體上，與主激振器在工作過程中產生的慣性力相互平衡，并通過連桿反饋給破碎機構，對破碎腔中的物料進行破碎。圖2中，O1為動錐與主激振器旋轉的旋轉中心，O2為副激振器的旋轉中心。

工作過程中，動錐章動角γ很小，一般不超過2°，在忽略了動錐組件的章動對各力的影響后，根據(jù)力的平衡法則可得副激振器通過連桿傳遞給激振機構的力

(2)

式中，F(xiàn)1為連桿對激振機構的作用力；Fbec為副激振器旋轉產生的離心力；l6為副激振器質心到副激振器旋轉中心的垂直距離；Gbec為副激振器的重力；e2為副激振器的偏心距離；l7為連桿與副激振器鉸接點與副激振器旋轉中心的垂直距離；β為工作過程中連桿與水平面的夾角；l8為連桿與副激振器鉸接點與副激振器旋轉中心的水平距離。

平衡機構用于平衡機體振動的力為關節(jié)軸承對副激振器組件支承力R2的反作用力，其分量形式為

(3)

破碎機構對物料層產生的等效破碎力為

(4)

式中，l4為主激振器質心與動錐旋轉中心的垂直距離；l3為動錐質心與動錐旋轉中心的垂直距離；l5為連桿與主激振器的鉸接點與動錐旋轉中心的垂直距離；l1為等效破碎力合力作用點與動錐旋轉中心的水平距離；α為動錐的底角；l2為等效破碎力合力作用點與動錐旋轉中心的垂直距離。

各激振器及動錐組件所產生的慣性力分別為

(5)

式中，mucv為主激振器質量；mbec為副激振器質量；mic為動錐質量；e為主激振器的偏心距離；ω為驅動軸的角速度；ωic為動錐的角速度。

對比式(4)與式(1)可知，與單激振器慣性圓錐破碎機相比，反相雙激振器慣性圓錐破碎機的等效破碎力增加了由副激振器慣性力提供、通過連桿傳遞的增益力，因此可以使用2個小質量的激振器來提供破碎機在破碎物料過程中所需要的破碎力，達到平衡設備振動的目的。相較于已有的動平衡式慣性圓錐破碎機，反相雙激振器慣性圓錐破碎機具有更小的質量。

2.2 破碎機的振動

反相雙激振器慣性圓錐破碎機在工作過程中，機體受到破碎機構通過物料層傳遞給機體的破碎力的影響，還受到破碎機構與激振機構通過球面支承傳遞給機體的作用力。這些力成為主激振器的慣性離心力Fucv、動錐產生的慣性離心力Fic、平衡機構通過連桿傳遞給破碎機構的增益力F1的合力，平衡機構通過球面支承傳遞給機體的平衡力如式(3)所示。與單激振器慣性圓錐破碎機一樣，動錐實際工作時的旋擺和振動頻率均非常高，物料在破碎腔內被破碎幾十次，機體、動錐的動力學行為受物料的性質和填充情況的影響。工作時，機體存在6個方向的振動自由度，其中，水平面內的圓振動為設備的主振動，其他方向的振動較小。此處僅對水平面內的圓振動進行分析。

考慮破碎腔中物料滯回力的影響，反相雙激振器慣性圓錐破碎機的物料參振系統(tǒng)動力學模型如圖3所示。忽略系統(tǒng)中的阻尼，并對破碎過程中物料的滯回力等效線性化后，得到反相雙激振器慣性圓錐破碎機水平圓周振動的動力學方程[8-11]：

(6)

P1=Fucv+Fic+F1cosβP2=R′2x

式中，m1為破碎機工作機構的總質量；m2為破碎機機體的總質量；ke為散體破碎物料的等效線性化剛度；k2為破碎機隔振彈簧的剛度。

圖3 反相雙激振器慣性圓錐破碎機動力學模型Fig.3 Kinetic model of inverted double exciter inertia cone crusher

式(6)為一個典型的雙自由度振動微分方程，設該方程的穩(wěn)態(tài)解為[11-12]

(7)

將式(6)代入式(5)可得

(8)

(9)

由式(8)可知，反相雙激振器慣性圓錐破碎機機體的振幅在副激振器慣性力的影響下有所減小。

3 破碎機樣機試驗

為對減振與破碎力增益進行驗證，拆除反相雙激振器慣性圓錐破碎機的副激振器，并增加主激振器的質量，使之具有與原反相雙激振器慣性圓錐破碎機相同的等效破碎力，2個試驗樣機的主要動力學參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣機主要部件參數(shù)Tab.1 Main components parameters of experimental prototype

注：1.反相雙激振器慣性圓錐破碎機；2.單激振器慣性圓錐破碎機

代入相關數(shù)據(jù)后可得轉速476r/min下，反相雙激振器慣性圓錐破碎機與傳統(tǒng)單激振器慣性圓錐破碎機的等效破碎力Fcr1、Fcr2分別為110.690 N、102.991 N，振幅分別為0.39 mm、1.21 mm。強迫振動的穩(wěn)態(tài)振動隨時間的變化如圖4所示。理論計算結果表明，與單激振器慣性圓錐破碎機相比，反相雙激振器慣性圓錐破碎機的等效破碎力增大了7.48%，穩(wěn)態(tài)振幅減小了67.77%。

1.反相雙激振器慣性圓錐破碎機 2.對照用單激振器慣性圓錐破碎機圖4 破碎機水平方向的振動理論位移Fig.4 Theoretical vibraton displacement of crushers in horizontal direction

使用5E107電渦流位移傳感器對樣機機殼上一點的振動位移進行測試，振動測試裝置如圖5所示。

圖5 反相雙激振器慣性圓錐破碎機振動實驗Fig.5 Inverting double exciter inertia cone crusher vibration experiment

采用東華測試系統(tǒng)采集轉速476 r/min下的試驗樣機振動數(shù)據(jù)，舍棄最開始不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，得到樣機穩(wěn)定工作時的振動位移，如圖6所示。去掉平衡機構的單激振器慣性圓錐破碎機的振動幅值為1.3 mm，反相雙激振器慣性圓錐破碎機的振動幅值為0.43 mm，機殼水平振幅減小了66.92%，與理論計算的基本相符。兩者的破碎產物如圖7所示，圖7a中沒有太多的粗顆粒，破碎產物的粒度較為均勻，破碎效果好；圖7b中的破碎產物粗粒較多且粒徑更大。這佐證了反相雙激振器慣性圓錐破碎機可在提高破碎效率的同時降低機體振動，與理論計算結果基本符合。

1.反相雙激振器慣性圓錐破碎機 2.單激振器慣性圓錐破碎機圖6 水平方向不同破碎機的振動實測位移Fig.6 Experimental vibration displacement of different crushers in horizontal direction

圖7 不同破碎機的破碎產物Fig.7 Crushing products under different crushers

相同的轉速下，反相雙激振器慣性圓錐破碎機可以利用2塊質量更小的偏心塊達到比單激振器慣性圓錐破碎機更佳的效果，且大幅度降低了機體的振動幅度，取得了更好的動力學性能。通過合理的設計與改進能進一步減小機體振幅，使反相雙激振器慣性圓錐破碎機具有更小的結構質量，實現(xiàn)慣性圓錐破碎機的輕量化，提高破碎作業(yè)加工效率。

4 結論

(1)研制了一種可增大破碎力并實現(xiàn)總體動平衡的反相雙激振器慣性圓錐破碎機，使用2個質量更小的激振器來達到需要的破碎效果，樣機試驗證明反相雙激振器慣性圓錐破碎機具有更高的破碎效率。

(2)樣機試驗驗證了反相雙激振器慣性圓錐破碎機的工作性能。與單激振器慣性圓錐破碎機相比，在具有大體相同的等效破碎力的前提下，反相雙激振器慣性圓錐破碎機的水平圓周振動振幅減小了66.93%，且具有更好的破碎效果。