立軸沖擊破碎機轉子出料特性仿真實驗

邢大偉，房懷英，楊建紅

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門361021）

立軸破起源于20世紀70年代的新西蘭，我國于20世紀90年代開始引進生產［1］.立軸沖擊式破碎機主要由轉子、破碎腔、電機、傳動裝置、主軸系統、潤滑系統以及電控系統組成［2］，廣泛適用于各種巖石、水泥熟料等多種硬脆物料，對建筑、筑路用砂尤為適宜［3］.立軸沖擊式破碎機核心技術和市場主要為國外大公司掌握，如Bamac，Metso及Sandvik等［4］.總體來說，由于理論研究不足，我國立軸沖擊破碎機在設計制造上與世界先進水平有較大差距.對立軸沖擊式破碎機的研究主要集中在對轉子和破碎腔流場的研究［5－6］.王嵩等［7］對不同流道口數下的轉子進行了仿真分析，證明當采用6個流道口安裝時，轉子對顆粒的加速效果最好.對荷蘭的Kyran Csteel制造樣機進行試驗，證明了同步轉子概念［8］.制砂過程中，石料經常會在轉子中堆積，導致出料口堵塞或者從入料口溢出，對轉子以至于整個制砂系統的處理量產生很大影響，對穩定性、安全性都有極大的危害.因此，本文通過對顆粒離散單元法建模［9］，研究出料口處數據采集區通過的物料數量及均勻性分布情況.

1 立軸破碎機仿真建模

1.1 破碎機轉子系統模型的構建

采用US7破碎機的轉子，主要部件包括流道板、分料盤、同步拋料錘、喂料環、耐磨板等.轉子的三維實體模型，如圖1（a）所示.將轉子三維實體模型導入離散單元法分析軟件EDEM 中，離散單元分析的模型，如圖1（b）所示.為簡化計算過程，圓球形石料代替待破碎石料.

1.2 離散元仿真條件和約束參數的設定

將模型導入離散元仿真軟件中，設定顆粒與顆粒、顆粒與幾何體相互作用的物理屬性.沿z軸的重力加速度為－9.81m·s－2.按所查資料和現場調研數據，設定轉子的材料為鋼鐵.鋼鐵料屬性泊松比為0.28，剪切模量為71MPa，密度為7 800kg·m－3.顆粒的材料屬性泊松比為0.2，剪切模量為50MPa，密度為2 640kg·m－3.顆粒與顆粒之間的材料恢復系數為0.1［10］，靜摩擦系數為0.545，滾動摩擦系數為0.01.顆粒與轉子之間的材料恢復系數為0.2，靜摩擦系數為0.5，滾動摩擦系數為0.01.為模擬實際工況，設定顆粒尺寸為0～13mm 的正態分布，轉子轉速為831r·min－1.為了模擬實際生產中的進料流［11］，創建一個與轉子同軸的圓柱體顆粒工廠，設定顆粒生成速度為55kg·s－1，仿真時間為10s.

圖1 破碎機轉子建模Fig.1 Model of the crusher rotor

2 仿真實驗

物料進入轉子后，被分料盤均勻地分成多股料流，并進入流道中［12］，在流道板上擠壓、研磨破碎，最終經出料口甩出轉子.為了研究不同的轉子部件結構、落料參數和破碎機處理量特性關系，分別選取不同的分料盤高度、分料盤夾角、喂料環內徑、落料高度進行離散單元仿真，分析出料口采集區顆粒的分布位置和均勻性，進而得出與破碎機處理量的特性關系.

2.1 出料口采集區域的設計

在出料口設計采集區域，單元區域的標號從下到上依次為1～10.同時，讓采集單元格隨轉子同速轉動，顆粒在流道板上分布的均勻性，如圖2所示.通過離散單元法仿真，統計每個采集區域通過顆粒的數量，找出顆粒在轉子出料口的分布規律.

圖2 出料口采集區域Fig.2 Collection area on discharging outlet

2.2 分料盤參數化仿真

在立軸沖擊式破碎機中，分料盤作為轉子內部第一個接觸物料的部件，對物料起分流作用.分料盤的高度和夾角的改變對物料在流道板分布特性有較大影響，不同的分料盤高度使物料接觸到分料盤的速度不同，反彈力、擠壓力、摩擦力也會有所不同；不同的分料盤夾角使物料進入流道的速度和角度不同，將影響顆粒通過的均勻性.

分料盤結構，如圖3所示.當分料盤夾角固定為20°，高度（h）為110，140，170，200，230mm 時，進行轉子拋料特性研究，如圖3（a）所示.h1保持不變，當h為170mm，分料盤夾角（θ）為15°，20°，25°，30°，35°時，進行轉子的拋料特性研究，如圖3（b）所示.由圖3可知：頂部平面面積隨夾角增大而增大.

圖3 分料盤結構Fig.3 Structure of the material dispersing cone

不同分料盤高度下轉子出料口上顆粒分布情況，如圖4（a）所示；分料盤高度對轉子出料口顆粒分布均勻性的影響特性，如圖4（b）所示.由圖4（a）可知：當分料盤高度較小時，顆粒在出料口拋出的位置較低，大部分顆粒從出料口的下半部分拋出；隨著分料盤高度的增加，顆粒在出料口拋出的位置整體上移，接觸流道板的初始高度也增加，之后，在離心力、摩擦力、重力、壓力等合力的作用下，緊貼著流道板快速向轉子外緣運動.顆粒分布的均勻性隨分料盤高度的增加先變優后變差，從仿真結果來看，選擇170mm 左右分料盤高度能使大部分顆粒從出料口中部拋出，且均勻性較好.

圖4 分料盤高度對顆粒分布的影響Fig.4 Influence of the material dispersing cone height on particle distribution

分料盤夾角對轉子拋料特性的影響，如圖5所示.不同分料盤夾角下轉子出料口上顆粒分布情況，如圖5（a）所示.分料盤夾角對轉子出料口顆粒分布均勻性的影響特性，如圖5（b）所示.由圖5（a）可知：顆粒在4，5采集區域通過的顆粒數最多；在1，10采集區域通過的顆粒數最少；分料盤夾角的變化對顆粒在出料口的分布情況影響較小.跟蹤單顆物料顆粒和物料流的運動軌跡發現：物料在重力的作用下，以近鉛垂的方向撞向分料盤，撞到分料盤上的大部分物料幾乎無法反彈，而是在離心力、壓力、摩擦力、重力等作用下直接在分料盤表面上分流.

在其他結構參數不變的情況下，分料盤的夾角越小，分料盤的頂部平面則越小，斜面面積越大.增大的斜面面積有助于分料盤上物料的分流，提高轉子的物料處理量.小部分沒有受到后續物料加入影響的物料，撞擊到分料盤斜面后反彈，分料盤夾角越小，反彈到流道板上的豎直高度越大，使得通過出料口上部的顆粒數增多，拋出顆粒在出料口上分布的均勻性越好.由圖5（b）可知：隨著分料盤夾角的增大，顆粒在出料口分布的均勻性變差.

圖5 分料盤夾角對顆粒分布的影響Fig.5 Influence of the material dispersing cone angle on particle distribution

2.3 落料特性參數化仿真

喂料環內徑參數，如圖6（a）所示.圖6（a）中：外徑為480mm；內徑（D）分別為200，250，300，350，400mm；分料盤錐底直徑395mm；分料盤夾角為20°.落料高度參數（H），如圖6（b）所示.圖6（b）中：高度為660，860，1 060，1 260，1 460mm.

在分料盤結構尺寸一定時，物料通過喂料環進入轉子，不同的料流截面與分料盤的相對面積發生變化，影響物料在分料盤上的反彈情況和分流效果；不同的落料高度直接影響物料進入轉子內的速度，較高的落料高度導致顆粒與顆粒，顆粒與轉子的撞擊、干涉、擠壓更強烈，直接影響顆粒分布均勻性.

圖6 落料特性參數Fig.6 Feeding parameters

喂料環內徑影響特性，如圖7所示.由圖7（a）可知：喂料環內徑的改變對顆粒在出料口處的整體分布趨勢影響不大，多數物料分布在3～6采集區內.由圖7（b）可知：顆粒分布的均勻性會隨喂料環內徑的增加，先減小后增大.

圖7 喂料環內徑對顆粒分布的影響Fig.7 Influence of the feeding ring inner diameter on particle distribution

圖8 顆粒反彈路徑Fig.8 Rebound paths of the particles

顆粒反彈路徑圖，如圖8所示.圖8中：分料盤頂部平面直徑為120.25mm.由圖8可知：當喂料環內徑較小時，進入轉子的物料多數接觸分料盤的頂部平面，并受到后續進料的干涉，無法反彈，進入轉子的物料與分料盤接觸的斜面面積小，不利于物料的分流；隨著喂料環內徑的增大，與分料盤的頂部平面接觸的物料比例下降，可以反彈的物料比例增多，而斜面反彈點的高度降低（A，B 點所示），料流可接觸的分料盤斜面面積增大，促進與分料盤接觸料流的分流，提高物料分布的均勻性.

反彈后撞到流道板上的初始高度下降（C，D兩點所示），從而造成了圖7（a）中隨著喂料環內徑增大，出料口下部顆粒數增多，上部顆粒數減小的現象.當喂料環內徑增大到400mm 時，料流與分料盤接觸點高度進一步降低，出料口上部顆粒數減小，且此時料流截面大于分料盤的直徑，分料盤底部堆料嚴重，出料口物料分布均勻性急劇下降，從仿真的數據來看，應取300mm 左右的喂料環內徑.

不同落料高度下，顆粒在出料口上的分布情況，如圖9所示.由圖9（a）可知：顆粒在出料口中間區域通過的顆粒數較多.不斷進入轉子的顆粒會對已經接觸到分料盤的顆粒產生擠壓，最終使顆粒沿著分料盤的斜面運動.隨著高度的增加，這種擠壓作用越強烈，從而出現了實驗結果中隨落料高度的增加，出料口上顆粒分布整體下移，上部顆粒少的現象.由圖9（b）可知：顆粒在出料口分布的波動性增大，但在仿真參數內，顆粒分布均勻性增大值小于5%，因此，可以忽略不計.

圖9 落料高度對顆粒分布的影響Fig.9 Influence of the feeding height on particle distribution

3 拋料特性對處理量的影響

物料被轉子拋出后，在破碎室內形成物料襯層.在出料口上，分布位置和均勻性的不同，直接影響物料到達破碎腔內壁后形成物料襯層的形狀和質量，影響顆粒撞擊到破碎腔內壁后反彈的速度大小和方向，進一步對同步拋料錘的二次破碎和整形產生作用，最終影響破碎效果和破碎機處理量.

不同落料高度下顆粒在出料口上的分布情況，如圖10所示.當物料從轉子出料口拋出的位置偏上、均勻性較差時，物料在破碎腔內會形成物料襯層，如圖10（a）所示.此時的物料襯層上部大、下部小，后續拋射進入的物料經物料襯層整體向下部反彈，造成同步拋料錘的二次破碎的效果不佳，且大量物料會堆積在出料整形區.同時，物料襯層也容易坍塌，不利于對物料的整形和物料的下落，影響處理量，如圖10（b）所示.當物料從轉子出料口拋出的位置適中、均勻性較優時，形成的物料襯層較為均勻，質量高.此時，顆粒經反彈后的路徑分散，能充分發揮同步拋料錘的二次破碎功能，在出料整形區對物料進行有效地研磨整形，有助于物料的下落，提高處理量.當物料從轉子出料口拋出的位置偏下、均勻性較差時，物料在破碎腔內會形成物料襯層，如圖10（c）所示.大量的顆粒堆積在破碎腔下部，降低了同步拋料錘在出料整形區的整形效果，不利于物料的下落，嚴重影響處理量，甚至會造成轉子堵塞，引發安全事故.因此，當物料從轉子出料口拋出的位置適中、均勻性較優時，能提升破碎機處理量.

圖10 破碎腔內物料運動特性Fig.10 Motion characteristics of the particles in crushing chamber

4 結論

以提高破碎機處理量為研究目標，對轉子結構和落料特性進行優化，構建沖擊破碎機轉子仿真模型.基于離散單元法，分析顆粒在出料口的分布特性.仿真研究了分料盤高度、分料盤夾角、喂料環內徑、落料高度與出料口顆粒分布特性的關系，可以得出以下4種結論.1）隨著分料盤高度增加，轉子處理量也相應提高；當提高到一定高度時，出現峰值，之后，則呈下降趨勢.2）增加分料盤夾角會降低轉子出料特性，影響處理量.3）隨著喂料環內徑的增加，轉子的處理量相應得到提高，增加到某一尺寸時，出現峰值，之后，呈下降趨勢.4）不宜通過提升落料高度優化轉子的處理量.

仿真研究生產參數對轉子出料特性的影響規律，以提高破碎機處理量為目標優化轉子的設計參數，為立軸沖擊式破碎機的研究提供借鑒.

［1］DUAN De－rong，WANG Song，ZHAO Fang.Analysis of particle motion in vertical shaft impact crusher rotor［C］∥2nd International Conference on Manufacturing Science and Engineering.Switzerland：Trans Tech Publications，2011：54－57.

［2］劉敏芳.立軸沖擊式破碎機及磨損仿真研究［D］.濟南：濟南大學，2008：1－7.

［3］高瀾慶，王文霞，馬飛.破碎機的發展與現狀［J］.冶金設備，2001（4）：13－15.

［4］黎正輝，劉紹星，龐團結.論立軸沖擊破碎機制砂工藝［J］.礦山機械，2007，35（7）：24－27.

［5］張軍明，趙方.基于ADAMS的立軸沖擊式破碎機轉子載荷［J］.煤炭學報，2009，34（6）：853－856.

［6］孫成林.破碎機的最新發展［J］.中國粉體技術，2006，6（2）：32－39.

［7］WANG Song，ZHAO Fang，DUAN De－rong.Research of vertical shaft impact crusher rotor channels number based on EDEM［C］∥Mechanical，Industrial，and Manufacturing Engineering.Atlanta：IERI Press，2011：253－255.

［8］CATEEL K.Synchro inside［J］.World Mining Equipment，2000（1／2）：44－47.

［9］胡國明.顆粒系統的離散元素法分析仿真［M］.西安：西北工業大學出版社，2010：10－35.

［10］夏鵬，李郁，楊公波.散粒物料堆積角離散元仿真研究［J］.起重運輸機械，2015（2）：107－109.

［11］路文典.立軸沖擊式破碎機制砂規律與效果改進研究［J］.水利水電施工，2008，107（2）：8－10.

［12］鞠萍，朱東敏，劉勁松，等.立軸沖擊式破碎機轉子的改進設計［J］.現代機械，2013（4）：76－78.