對輥破碎機輥輪面磨損分析

韋文舉

（柳州泰坦宇翔鋼圈有限公司，廣西 柳州 545007）

對輥機主要由輥輪、輥輪支撐軸承、壓緊彈簧、支架等組成，其兩個輥輪分別由電動機經皮帶傳動而產生相對轉動，物料從進料口通過輥輪，經碾壓而破碎，破碎后的成品從支架底下面排出。如圖1所示，為對輥機的工作簡圖。

由圖1可知，對輥機一個輥輪支撐軸承座自由度全部被約束而固定不動，另一個則只有部分被約束，水平方向沒有被約束，可水平移動，且左邊連接有壓緊彈簧，保證兩輥輪接觸相對運動。礦粒通過輥輪時，迫于彈簧和輥輪旋轉所給的力而被破碎。為了能夠進一步了解礦粒的破碎過程，充分理解對輥破碎機破碎原理，我們來看一下礦粒通過輥輪時的受力情況。

圖1

由于礦粒形狀各異，大小不一，接觸表面更是凹凸不平，其接觸點受力方向難以確定。為此我們將假設一個形狀規則，接觸表面平整，具有代表性的礦粒對它進行受力分析。

簡化后的礦粒形狀如圖2所示，為了讓讀者能夠更好的理解礦粒通過輥輪時的受力情況，我們故意將礦粒形狀大小夸張地放大數倍，而將對輥輪夸張地縮小數倍。我們假設該礦粒為剛體，受力不發生塑性變形。當對輥輪靜止不轉動時，礦粒受到重力G的作用，在重力作用下，礦粒分別受到兩對輥輪支撐力F支的作用；當輥輪在電動機作用下轉動時，兩輥輪分別給礦粒一個斜向下的力F切，該力F切作用點為輥輪圓弧表面與礦粒面接觸點，作用方向與圓弧相切，且與礦粒面平行，如圖2（b）所示。礦粒的質量一般都比較小，受到的重力自然而然也小，支撐力F支也就比較小了，所以作用給礦粒的破碎壓力，即水平分力F分大都由力F切所承擔。當輥輪還在AB上行走時，破碎力F分為F切的一個水平分力；當輥輪在BC上行走時，輥輪對礦粒的力F切方向垂直下，這時破碎力F分等于壓緊彈簧作用在輥輪上的力。

通過上面分析可知，當AB斜面傾斜度越大，也就是β角越大，F切的分力F分越大，破碎效果越好。然而，在工程實際中，礦粒形狀卻沒有這么規則，受力方向瞬息萬變，但是無論如何變化，破碎力F分方向始終如一，且足夠大，才能達到破碎礦石的效果。

圖2

對輥機輥輪轉動能夠給礦粒作用力，是因為接觸面不是絕對光滑面，存在摩擦。礦粒對輥面的損壞主要表現為三種形式：（1）削式，礦粒形狀大小不一，存在銳邊菱角，通過輥輪時對輥面產生高應力沖擊，鑿削輥輪表面，出現溝槽和壓痕；（2）高應力碾壓式，對輥輪碾壓礦粒，使礦粒壓漬碾碎，輥面產生塑性變形或剝落而形成凹槽和凹坑；（3）低應力擦傷式，礦粒硬度高，應力低，礦粒未壓漬，兩對輥輪在兩臺電動機的帶動下轉動，由于兩輥輪兩端軸承阻尼(軸承上的潤滑脂受污染，變質程度不一樣，阻尼也不一樣)和電機性能不完全一樣，以致兩滾輪產生相對滑動，輥面出現擦傷或切削痕跡，因此，在安裝兩對輥輪時，應留有一定的間隙，這樣在沒有礦料通過輥輪的情況下，可減少輥輪之間相互刮傷而加劇磨損。

如此看來，對輥機輥輪面在長時間工作后磨損是不可避免的，理論上，輥輪兩端一小段距離幾乎沒有磨損，磨損基本上集中在輥輪中間表面上，并基本均勻的往兩邊擴散，擴散一段距離后，呈一弧線回輥輪兩端。然而，實際最大的磨損量不在輥輪中間，而是偏向輥輪一個端面，甚至出現兩個或兩個以上的最大磨損量，并呈弧線往兩邊不均勻擴散。如此，便讓一些顆粒比較小的礦粒不經輾壓就能通過輥輪最大磨損量處，影響破碎效果。同時，輥輪面局部磨損大，檢維修時，對輥輪表面磨平切削量大，減少了輥輪使用壽命，耗費大量地人力、物力、財力。

出現局部最大磨損量主要有兩個原因，其一是對輥機工作時，給礦不均勻，局部得礦比較多，當然磨損量也就比較大了；其二是作用于其中一個輥輪的兩個壓緊彈簧參數發生變化。由給礦不均引起的局部最大磨損，通過調節可以避免，這里就不細加分析了。接下來我們主要分析一下當壓緊彈簧參數發生變化時對輥輪磨損產生的影響。

如圖3所示，為對輥破碎機簡化圖，電動機6由皮帶輪4帶動對輥輪5轉動，軸承座3放置在機架上，受力可水平移動。前面我們分析了礦粒受到輥輪的作用力而破碎，根據牛頓第三定律，力的作用是相互的，輥輪給礦粒一個作用力，礦粒同樣給輥輪一個反作用力，由于礦粒大小不一，形狀各異不規則，再加上礦粒通過輥輪的速度快，受力時間極短，因此，我們可認為礦粒給輥輪的反作用力為單位脈沖力δ(t)，即：

礦粒給輥輪的反作用力大小是單位脈沖力的數倍，即為n·δ(t)。

圖3 對輥機簡化圖

為了便于分析計算，我們將壓緊彈簧受力情況簡化為圖4所示 。已知壓緊彈簧剛度為k，沒有受外力作用的自由長度為H0，預壓變形量為λ0，在不計阻尼情況下，可求出壓緊彈簧受單位脈沖力作用后變形規律的數學表達式，根據牛頓定律，列出運動微分方程為：

圖4 壓緊彈簧受力圖

已知y(t)，z(t)的幅值分別為，λ0，角頻率那么 的角頻率也為：x(t)

簡諧運動角頻率越大，周期就越短，換句話說就是質量m回到初始位置所需要用的時間越短。由上述可知，當質量m一定，彈簧剛度k越大，角頻率ω也就越大。對輥機兩個壓緊彈簧作用于同一個輥輪，若一個壓緊彈簧剛度k大于另一個，那么在受到相等沖擊力作用后，產生運動，剛度大的一邊很快能夠回到初始位置，繼續與礦粒接觸摩擦。也可以這么理解，當受到礦粒沖擊后，彈簧剛度大的一邊“避讓”能力弱，受礦粒鑿削、擦傷得厲害，磨損嚴重；而彈簧剛度小的一邊“避讓”能力強，受到礦粒鑿削、擦傷得較輕，磨損也就少一些。

當然了，對輥機壓緊彈簧在裝配時要預壓一段距離λ0，預壓力Fλ=k·λ0，只有當礦粒給輥輪的沖擊力大于預壓力Fλ時，輥輪才會產生水平運動。由此也可以看到，壓緊彈簧量越大，即預壓力越大，“避讓”能力也就越弱，這樣，當硬度較大且不宜一次性破碎的礦粒通過對輥輪時，對輥輪的損傷很大，且產生的機械振動也會很大。所以對輥機壓緊彈簧預壓不能太大，但也不能太小，太小影響破碎效果，適中即可。若預壓量λ0相同，兩壓緊彈簧預壓力F不相同，“避讓”能力也不相同，輥輪兩邊磨損量也就不相同了。

實際上，輥機輥輪受力運動，是存在阻尼的，主要是摩擦阻力，阻尼消耗能量，這就是輥輪受力產生位移后能夠最終停留在初始位置的原因。