基于顎破原理的新型工程機(jī)械破碎屬具研發(fā)設(shè)計(jì)

童小冬

（安徽驚天液壓智控股份有限公司，安徽馬鞍山243000）

1 新型破碎屬具概述（破碎鏟斗）

所謂“破碎鏟斗”就是機(jī)架外形成斗狀，并與挖機(jī)配套使用的一種新型顎式破碎機(jī)。其具有結(jié)構(gòu)靈活，工作可靠，制造維護(hù)容易，適應(yīng)性強(qiáng)，成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦山、建筑材料、交通等行業(yè)中，特別是在建筑垃圾處理方面，體現(xiàn)出節(jié)能減排設(shè)計(jì)理念。破碎鏟斗與挖機(jī)配套使用時(shí)，破碎鏟斗安裝在挖機(jī)臂上，隨挖機(jī)臂一起運(yùn)動(dòng)，操作挖機(jī)臂鏟裝物料，破碎鏟斗裝滿物料，物料在鏟斗的破碎腔內(nèi)進(jìn)行破碎，如圖1所示。

圖1 破碎鏟斗工作流程

2 破碎鏟斗結(jié)構(gòu)組成與工作原理

2.1 破碎鏟斗結(jié)構(gòu)組成

破碎鏟斗主體結(jié)構(gòu)由鏟斗型機(jī)架、動(dòng)顎部件、驅(qū)動(dòng)部件、連接頭部件、破碎齒板、調(diào)整裝置、拉桿裝置等組成，如圖2所示。

圖2 破碎鏟斗結(jié)構(gòu)組成

2.2 破碎鏟斗工作原理

破碎鏟斗破碎物料是由配套的挖機(jī)提供液壓動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)小帶輪，由皮帶傳遞給大帶輪，大帶輪與偏心軸通過鍵固聯(lián)成一整體，它是運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸入構(gòu)件，即原動(dòng)件，其余構(gòu)件都是從動(dòng)件。當(dāng)帶輪和偏心軸繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)使輸出構(gòu)件動(dòng)鄂做平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，將進(jìn)入破碎腔的物料進(jìn)行破碎，物料靠自重由排料口排出。動(dòng)顎上部與偏心軸相連，下部由推力板支撐。偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)顎齒板不僅對(duì)定顎齒板作往復(fù)擺動(dòng)，同時(shí)還沿定顎齒板有很大幅度的上下運(yùn)動(dòng)。動(dòng)顎齒板上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。上部的運(yùn)動(dòng)軌跡接近圓形，越向下水平運(yùn)動(dòng)幅度越小，運(yùn)動(dòng)軌跡也越呈橢圓形[1][2]。

圖3 動(dòng)顎各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖

3 破碎鏟斗主要技術(shù)參數(shù)確定

3.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]包括嚙角α=20°[3]、破碎腔高度H=1150 mm、動(dòng)顎擺動(dòng)行程S=15mm、傳動(dòng)角β=50°、偏心距r=15 mm、推力板長度W=320mm，如圖4所示。

3.2 破碎功率N確定

3.2.1 采用礦石粉碎能耗確定破碎功率

采用單位體積礦石粉碎能耗對(duì)該機(jī)設(shè)計(jì)功率進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，礦石作為各向異性的脆性材料，在外力作用下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系并不完全服從虎克定律，但在應(yīng)力—應(yīng)變圖中變形曲線所對(duì)應(yīng)的弦所表示的范圍內(nèi)，仍可認(rèn)為服從虎克定律。根據(jù)此理論可以得出設(shè)計(jì)的破碎機(jī)破碎礦石需用的功率為N（kW）[4]：

圖4 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

式中L——排（進(jìn)）料口長度，mm

K1——礦石松散系數(shù)

n2——偏心軸轉(zhuǎn)速

B——進(jìn)料口寬度，mm

d——排料口寬度，mm

S——?jiǎng)宇€水平行程，mm

α——嚙角

設(shè)計(jì)確定的基本參數(shù)為：B=500 mm；d=20～100mm；L=700mm；α=20°；S=15 mm；n2=310r/min；K1=0.3；整機(jī)傳動(dòng)效率η=0.83。

σ,E，是礦石的物理機(jī)械性質(zhì)，與礦石種類有關(guān)，在設(shè)計(jì)中假設(shè)該機(jī)破碎物料為鐵礦石類，即壓碎極限強(qiáng)度σ=100（MPa）；縱向彈性模量E=6.8×104（MPa）。

將上述參數(shù)代入式（1）可得到破碎礦石需用的輸入功率Nλ

3.2.2 采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法確定破碎功率

由于破碎腔內(nèi)的破碎力分布以及合力大小、作用點(diǎn)位置具有隨機(jī)性，用理論分析的方法將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，采用大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，再經(jīng)過理論推導(dǎo)，建立實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算式（2），能夠近似反映出破碎力的變化規(guī)律并有較大的計(jì)算準(zhǔn)確度，滿載破碎時(shí)破碎力的最大峰值稱為最大破碎力

式中μ1——有效破碎系數(shù)

α=20°時(shí)，取μ1=0.04；其余參數(shù)同上。

根據(jù)最大破碎力的計(jì)算公式及實(shí)測(cè)的功率值為依據(jù)，建立功率計(jì)算公式如下：

式中ke——等效破碎系數(shù)（取ke=0.032）

將已知參數(shù)代入式（3）得到

綜合上述兩種方法，得到的破碎功率約為28.6～31.3kW之間，由于上述計(jì)算功率是最惡劣的情況下計(jì)算的，即選用提供動(dòng)力源為輸出功率為35kW足以滿足破碎功率需求。

3.3 液壓系統(tǒng)參數(shù)

破碎鏟斗工作由挖掘機(jī)提供液壓動(dòng)力源，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)（破碎功率35kW，偏心軸轉(zhuǎn)速275～310r/min）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)（傳動(dòng)比約i=2.5），可以確定破碎鏟斗液壓系統(tǒng)參數(shù)。

馬達(dá)輸入扭矩M為

馬達(dá)轉(zhuǎn)速n′為：

根據(jù)馬達(dá)技術(shù)參數(shù)得出破碎鏟斗液壓系統(tǒng)參數(shù)（馬達(dá)排量為90cm3/r，馬達(dá)當(dāng)量扭矩為17N·m/MPa）。油壓P′、流量q′

式中ΔT——馬達(dá)當(dāng)量扭矩，N·m/MPa

ηmh——馬達(dá)機(jī)械效率，（ηmh=0.98）

Vg——馬達(dá)排量，cm3/r，（Vg=90）

ηv——馬達(dá)容積效率，（ηv=0.98）

根據(jù)以上確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)該裝置進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示；即設(shè)計(jì)的裝置基本性能參數(shù)為：給料口尺寸500×700mm，排料口尺寸20～100mm，功率35kW，主軸轉(zhuǎn)速275～310r/min，額定壓力26MPa，流量71L/min。

4 破碎鏟斗工程應(yīng)用領(lǐng)域特點(diǎn)

4.1 礦山開采

特別在道路狹窄，環(huán)境惡劣的工況下，大型設(shè)備無法進(jìn)入開采現(xiàn)場，采用挖掘機(jī)挖掘，使用配套破碎鏟斗進(jìn)行破碎，破碎后物料通過小型車輛運(yùn)輸，減少礦產(chǎn)能源浪費(fèi)，節(jié)約資源。

4.2 建筑垃圾處理

對(duì)建筑進(jìn)行拆除產(chǎn)生的建筑垃圾，利用破碎鏟斗現(xiàn)場破碎回填，減少運(yùn)輸體積，從而減少運(yùn)輸量，從而達(dá)到節(jié)能減排效果。

4.3 道路維護(hù)、拓寬與建設(shè)

在道路維修、拓寬與建設(shè)過程中，產(chǎn)生大量的混凝土與石料垃圾，利用破碎鏟斗對(duì)混凝土與石料垃圾進(jìn)行現(xiàn)場破碎，作為道路建設(shè)的二級(jí)或三級(jí)用料，既減少垃圾運(yùn)輸量，又節(jié)約道路建設(shè)的二級(jí)或三級(jí)用料。

5 結(jié)論

根據(jù)上述理論方法設(shè)計(jì)出破碎裝置，在建筑垃圾處理中、道路維護(hù)建設(shè)中以及小型礦山開采中已經(jīng)得到應(yīng)用，社會(huì)效益良好，特別是節(jié)能減排方面優(yōu)點(diǎn)特出，使用經(jīng)濟(jì)效益也非常可觀。該裝置是集鏟裝和破碎功能于一體的新裝備，能快速與挖機(jī)裝卸，在實(shí)際配套使用中，突顯出使用方便，操作簡單、維護(hù)簡便，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，破碎效率高，機(jī)構(gòu)靈活等特點(diǎn)，該裝置的成功研制填補(bǔ)國內(nèi)市場空白，同時(shí)開創(chuàng)破碎機(jī)的新功能與使用新領(lǐng)域。

[1]初明智.復(fù)擺顎式破碎機(jī)的動(dòng)顎行程計(jì)算[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005（2）.

[2]陳德華，仲梁維.顎式破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算機(jī)仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（3）.

[3]楊綠云.復(fù)擺鄂式破碎機(jī)的幾何參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭技術(shù)，2003（3）.

[4]戴少生，王旦容.復(fù)擺型顎式破碎機(jī)的功率計(jì)算（一）[J].水泥裝備，2001（5）.