破碎機的結構及主軸的設計分析論述

文/北京瀚川鑫冶工程技術有限公司 張建國

破碎機的結構及主軸的設計分析論述

文/北京瀚川鑫冶工程技術有限公司 張建國

Design and analysis of crusher structure and spindle

本文簡單概述了我國廢鋼加工設備的種類、特點，以及廢鋼破碎機應用現狀，并較為詳細介紹了廢鋼破碎機的結構特點、工作原理及廢鋼破碎線的生產工藝技術，對廢鋼破碎機的轉子部件及主軸進行了技術分析計算。

廢鋼破碎生產線 廢鋼破碎機 破碎機主軸

采購來的原料廢鋼只有經過剪切、打包、破碎等機械設備的加工處理，達到增大密度、減小粒度以及出渣凈化的目的，使其變成合格的廢鋼產品，達到一定的重量、尺寸和堆比度要求，并保證廢鋼潔凈不含雜質后，方可入爐。

比較這三類廢鋼加工設備，可以說廢鋼破碎生產線是世界上比較理想的先進的廢鋼加工生產線設備，其加工種類多，生產率高，能剔除雜物，配以適當的分選設備，能將混在廢鋼里對煉鋼有害的有色金屬分選出來，得到非常純凈優質的黑色金屬原料。

一、廢鋼 破碎設備的應用情況

世界上應用的破碎機，大多數都是在美國紐維爾公司的基礎上衍生出來的，占有量近七成。在廢鋼破碎機制造上形成了以美國紐維爾公司為代表的美國制造技術、以德國林德曼公司為代表的歐洲制造技術和以日本富士車輛為代表的日本制造技術。臺灣的正合興重工業股份有限公司也提供廢鋼破碎機設備和技術服務。另外，目前法國亨息爾公司也開始涉足廢鋼加工設備及破碎線的生產和技術服務領域。

目前全球已有800多條廢鋼破碎線在運行，國內大型的廢鋼破碎機全部是進口產品，國內只能生產中小型的破碎機和生產線。國產的破碎線已有30多套在山東、天津、河北、江蘇、浙江等地安裝運行，但大都是1000HP以下的中小機型。而國外在運行的破碎線，驅動功率大都以中高馬力破碎機為主。國內雖已能生產制造破碎機，并且也有不少投入了使用，但是還不能生產大型的破碎機，在設備的高效、節能、大型化和自動化上與國外設備還有不小的差距。

具體主要表現在以下幾方面：

（1）主機功率較小，生產效率低，故障率偏高；

（2）對原料廢鋼規格的適應性較差，范圍窄；

（3）部分易損件的更換不方便，且過于頻繁；

（4）自動化控制系統的穩定性較差；

（5）對有色金屬及其他非金屬材料的分選不夠全面精細；

（6）環保性較差，對環境易形成二次污染

根據筆者所收集到的各種資料以及對廢鋼加工考察的情況來看，隨著鐵礦石資源的不斷減少以及中國經濟的快速發展，可以預測，中國廢鋼市場前景看好。“多吃廢鋼，少吃礦石”必將成為煉鋼產業倡導的一種環保理念，由于其符合目前的節能環保產業政策，順應低碳經濟發展潮流，廢鋼的加工處理也必將是一個方興未艾的產業。

二、廢鋼破碎線的工藝技術

廢鋼破碎生產線技術先進、加工范圍大、生產率高，能分選出有色金屬、剔除非金屬夾雜物，加工出純潔度高的優質廢鋼，而且加工過程中環境污染少，是世界上最先進的廢鋼加工設備生產線。

1.生產工藝流程

圖1 廢鋼破碎生產工藝流程圖

如圖1是廢鋼破碎生產工藝流程及常規配置設備示意圖，經上料抓斗來的的廢鋼原料，通過鱗板輸送機運至進料斜面，進料斜面上裝有可轉動的一高一低的兩個碾壓滾筒，將其壓扁并送入破碎機內。在破碎機內，有一組固定在主軸上的圓盤和一組裝在圓盤之間可以自由擺動的錘頭，通過高速旋轉產生的動能，對廢鋼進行砸、撕等破碎處理，將廢鋼處理成塊狀或團狀，并穿過下部或頂部的柵格，落于振動輸送機上。第一次未能處理成尺寸足夠小的廢鋼，會在破碎機內被轉動的圓盤子和錘頭再次處理，直到能穿過柵格為止。在破碎機進行破碎的同時，對破碎機內進行噴水，以便降溫和避免揚塵。

從破碎主機出來的破碎物，經過振動輸送機、皮帶輸送機、磁力分選系統、空氣分選凈化系統，把黑色金屬物、有色金屬物、非金屬物分離開，并由各自輸送機送出歸堆。有色金屬和非金屬物在輸送機上會再次受到磁選設備的篩選，把游離的黑色金屬物揀出，從而提高黑色金屬物的回收率，同時可自動進行有色金屬的挑選回收，提高回收效益。

2.破碎廢鋼的特點

經過廢鋼破碎生產線加工處理的廢鋼是潔凈的優質廢鋼，其自然堆積密度為1.2～1.7t/m3，是理想的煉鋼爐料。在鋼鐵冶煉中，破碎廢鋼具有以下優點：

（1）收得率高，即煉出的鋼水與投入的廢鋼比例增高；

（2）每爐鋼的化學成分穩定；

（3）由于有色金屬及非金屬物質已被分選，因此鋼水中的硫磷含量低；

（4）和其他廢鋼混合加料時，破碎料可填充空隙，提高加料密度；

（5）冶煉時，加料次數減少、電極破損減少、爐內受熱均勻；

（6）爐內耐火材料襯里的壽命延長；

（7）空氣污染及爐渣減少；

（8）每噸鋼水的耗電量低

三、破碎機的結構及主軸的結構分析

1.破碎機的結構說明

如圖2是破碎機的結構示意圖，廢鋼破碎機是廢鋼破碎生產線的關鍵設備，其作用是將輕薄型金屬廢料（如廢舊汽車車身）破碎成小塊，便于分選，得到純凈的黑色金屬原料。破碎機核心原理就是利用錘子擊打撕碎廢鋼，在高速大扭矩電機的驅動下，主機轉子上的錘頭輪流擊打進入容腔內的待破碎物，通過襯板與錘頭之間形成的空間，將待破碎物撕裂成合乎規格的破碎物，

圖2 破碎機結構示意圖

破碎機的主要結構特點：機身采用特厚鋼板加斜撐的加強結構，能確保機器的強力破碎的超負荷要求，襯板、錘頭采用特殊耐磨材料，提高了使用壽命；而且錘頭采用活動安裝結構，一旦遇到不可破碎物誤入破碎機內，可以甩過而避開，同時可打開破碎機專置的不可破碎物排放門，將其從機內排除，從而降低對機器的破壞程度。

帶著錘頭與隔套并高速旋轉的主軸及獨特的底柵板結構，是高生產效率的保障。液壓雙滾筒碾壓裝置的核心功能是作為破碎機的入料預處理機構，可將外形尺寸較大的薄殼類及輕金屬構件經壓縮整形，變成可順利進入破碎機進料喉口的物料，從而擴大了破碎機的加工物料范圍，同時能提高破碎機的生產效率。

2.破碎機主軸的計算分析

如圖3所示，破碎機的轉子是破碎機的核心部件，其主要由支撐軸承、主軸、旋轉輪盤、破碎錘頭、錘頭銷軸等組成。各旋轉輪盤和主軸以鍵牢固連接，輪盤周向均布六根軸向的貫穿全部輪盤的錘頭銷軸，每兩輪盤間安裝一組三個錘頭，錘頭可繞銷軸自由旋轉，相鄰兩組錘頭要周向錯開布置，確保破碎空間內錘頭布置均勻。

圖3 主軸結構簡圖及受力圖

而破碎機主軸又是轉子的最關鍵零件，在工作中其受到周期性的彎扭組合力的作用，易發生斷裂或疲勞損傷破壞，影響設備的正常運行。所以在設計中一般都選用優質合金鋼，如42GrMo、42GrNiMo等，并進行調質處理，硬度在240～280之間。

為簡化設計計算分析，忽略在破碎過程中主軸受到的廢鋼的沖擊力，主要考慮主軸受自身重力、輪盤、銷軸及錘頭的重力作用，并受驅動電機的扭矩作用。對主軸受力情況進行簡化處理，將將銷軸、 錘頭、 隔套等小零件的重力轉換到輪盤上，受力簡圖如圖3中所示。從圖示受力情況分析可知，B 處為危險截面，只要計算分析該處的應力值或求出該處所需的最小直徑，從而選取合適的軸徑，即可確保主軸的工作要求。

已知破碎機電機功率為 P（kw），轉速 N（r/min），主軸重量G（kg），把錘頭等重量折算到輪盤上，每個折算后的輪盤重量為F（kg）。根據機械設計手冊中按照彎扭合成強度計算進行主軸校核計算分析。

B 點所受扭矩 T＝ 9550·P/N

主軸自身重力 G 在 B 點的彎矩 MG＝ G·c

輪盤 1 重力在 B 點產生的彎矩 M1＝ P·( L-b)·c/L

同理可以算出每個輪盤重力在 B 點的彎矩

B 點彎矩 M＝MG＋M1＋M2＋…+M9

根據機械設計手冊中，彎扭組合應力的計算公式，則可求出B處的計算最小直徑 d

考慮到工作過程中廢鋼鐵、鍵槽以及此處應力集中的影響，B處直徑可取 D≥2d。在空間允許的條件下增加 B處過渡半徑，以利于減少應力集中。

圖4 某破碎現場的主軸備件及替換下的破碎機錘頭

四、 結束語

精料入爐必然要求廢鋼價格企業擁有先進的廢鋼加工處理設備，這給具有先進功能特點的廢鋼破碎生產線在我國的發展帶來最大的機遇。廢鋼業應該緊隨國家發展改革轉型的大潮，適應市場的需要，大力開發研制功能更完善、配置更全面，分離更徹底更精細的廢鋼加工處理生產線，滿足廢鋼加工行業的需要，促進廢鋼加工產業的發展。以適應當今資源再生循環經濟的發展需要，促進我國鋼鐵工業低碳發展，實現節能減排，造福人類的宏偉藍圖。