礦用破碎機破碎效率優(yōu)化分析

趙晉兵，朱殿瑞

(1.山西西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200;2.太原重工 軋鋼設備分公司，山西 太原 030024)

0 引言

顎式破碎機是大塊煤炭粗、中破碎的首選設備，其料口尺寸、嚙角、顎板位置、曲柄轉(zhuǎn)速等均對其破碎效率有影響。目前，大部分顎式破碎機的曲柄均以恒定轉(zhuǎn)速來調(diào)整活動顎板與固定顎板之間的碎料腔。為優(yōu)化傳統(tǒng)破碎機因曲柄轉(zhuǎn)速恒定而無法提高破碎效率的情況，本文以PEF500×760型復擺顎式破碎機為研究對象，設計了一套顎式破碎機曲柄調(diào)速的電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以破碎機生產(chǎn)能力為目標函數(shù)，分析排料腔與曲柄轉(zhuǎn)速之間的關系，通過調(diào)整曲柄轉(zhuǎn)速來保證破碎質(zhì)量，提高破碎效率。

1 生產(chǎn)能力與曲柄轉(zhuǎn)速關系的建立

所謂生產(chǎn)能力是指根據(jù)質(zhì)量守恒原理，以曲柄轉(zhuǎn)動一周松散棱柱型的礦石為單位，在規(guī)定時間內(nèi)破碎機排出的碎料量。

根據(jù)層壓破碎理論，曲柄帶動顎板往復運動一次，受破碎的礦石會逐層下移排出破碎腔，具體單位時間內(nèi)的排料質(zhì)量，只需要計算單層的排料質(zhì)量即可。破碎層橫截面示意圖如圖1所示，破碎腔末端分割線為G1C，上一層分割線為K1Z，破碎機生產(chǎn)能力Q(t/h)計算公式為：

Q=60nSBρμ.

(1)

其中：n為曲柄轉(zhuǎn)速，r/min；S為活動顎板與固定顎板之間的橫截面積，即圖1中ZK1IG1C圍成的面積，m2；B為破碎腔縱向?qū)挾龋琺；ρ為礦石密度，t/m3；μ為礦石松散系數(shù)。

圖1 破碎層橫截面示意圖

根據(jù)公式(1)，以花崗巖礦石破碎為例，結(jié)合層壓破碎理論計算可得到生產(chǎn)能力與曲柄轉(zhuǎn)速之間的關系。假設破碎腔縱向?qū)挾葹? m，花崗巖密度為3 t/m3，松散系數(shù)為0.7，得到的PEF500×760型復擺顎式破碎機曲柄轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)能力的關系如圖2所示。

從圖2可以看出：在破碎機結(jié)構參數(shù)不變的情況下，曲柄在180 r/min～220 r/min較低轉(zhuǎn)速時，破碎機生產(chǎn)能力與曲柄轉(zhuǎn)速幾乎成正比例上升，這是由于曲柄轉(zhuǎn)速的提高，增加了活動顎板的破碎頻率，礦石被破碎的次數(shù)上升，致使礦石下落速度變快；但隨著曲柄轉(zhuǎn)速的逐漸升高，生產(chǎn)能力的上升趨勢逐漸減小，在曲柄轉(zhuǎn)速為300 r/min時生產(chǎn)能力達到最高值，這是因為隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加，動顎板的破碎周期逐漸減小，給大煤塊的下落時間縮短，造成了物料堵塞；當曲柄轉(zhuǎn)速超過300 r/min后，生產(chǎn)能力逐漸降低，這時的物料堵塞已經(jīng)相對嚴重，碎料滯留破碎腔，降低了破碎效率。綜合上述分析可以看出：破碎機的曲柄轉(zhuǎn)速并不是越快越好，而是應該結(jié)合破碎腔型合理選擇轉(zhuǎn)速才能使生產(chǎn)能力最大化。

圖2 曲柄轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)能力關系

2 破碎機生產(chǎn)能力優(yōu)化

結(jié)合上述計算分析，將生產(chǎn)能力的優(yōu)化按照非線性規(guī)劃問題利用MATLAB編寫目標函數(shù)進行優(yōu)化設計。破碎機的生產(chǎn)能力是由曲柄轉(zhuǎn)速和破碎腔型決定的。其中，破碎腔型尺寸是由進料口尺寸L1、出料口尺寸L2、嚙合角L3和傳動角L4等尺寸組成。因此，將上述參數(shù)與曲柄轉(zhuǎn)速定義為設計變量，將生產(chǎn)能力作為目標函數(shù)，以fimicon函數(shù)格式為模板，用有效集法計算目標函數(shù)的最優(yōu)解。

有效集法最優(yōu)解的基本思想在于：將已經(jīng)確定的設計變量作為起始數(shù)據(jù)，利用起始數(shù)據(jù)通過等式方程作為約束，通過計算得出在以上約束下目標函數(shù)和其余設計變量的極值，多次迭代后產(chǎn)生最優(yōu)解。優(yōu)化過程程序框圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化過程程序框圖

將破碎機進行目標函數(shù)優(yōu)化，所選定的設計變量并不是任意選取的，因此為保證優(yōu)化的合理性及有效性，需給設計變量增加約束條件。根據(jù)研究對象PEF500×760型復擺顎式破碎機的參數(shù)可知具體約束如下：

(1) 650 mm≤L1≤760 mm。

(2) 125 mm≤L2≤140 mm。

(3) 通過研究發(fā)現(xiàn)嚙合角減小，破碎效率升高，但會增加破碎機高度和質(zhì)量，其約束條件通常為21°≤L3≤23°。

(4) 傳動角為動顎與肘板之間的夾角，傳動角的大小決定了顎板力的傳遞，根據(jù)機械原理，一般取值為50°≤L4≤60°。

(5) 180 r/min≤n≤340 r/min。

按照優(yōu)化方法進行計算后，破碎機的生產(chǎn)能力從原來的464.2 t/h上升至540.3 t/h，產(chǎn)量提高了16.2%。仿真計算結(jié)果表明：按照上述優(yōu)化程序在顎式破碎機在生產(chǎn)過程中檢測并調(diào)整曲柄轉(zhuǎn)速能夠有效提高破碎效率。

3 電機轉(zhuǎn)速控制

為實現(xiàn)對曲柄轉(zhuǎn)速的控制，設計了新的電機控制系統(tǒng)，利用變頻控制器調(diào)整三相異步電機轉(zhuǎn)速，達到了調(diào)整曲柄轉(zhuǎn)速的目的。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構框圖

控制系統(tǒng)包括三個部分：

(1) 檢測電路：檢測電機轉(zhuǎn)速、破碎腔相關參數(shù)等。

(2) 運算電路：優(yōu)化程序執(zhí)行運算核心控制模塊，提出最優(yōu)解。

(3) 驅(qū)動電路：控制電機轉(zhuǎn)速。

變頻控制器采用功率均衡原則選取，變頻控制器容量Pcn(kW)計算公式為：

(2)

變頻控制器額定電流Icn(A)為：

Icn≥kIe.

(3)

其中：PM為電動機額定功率，kW，本破碎機電動機功率為40 kW；k為電流波形補償系數(shù)，一般取1.05；ξ為電動機效率，ξ=0.905；cosφ為功率因數(shù)，cosφ=0.89；Ie為電動機額定電流，A，本破碎機電動機額定電流為68.7 A。

通過計算，變頻控制器額定容量為48 kW、額定電流為73.3 A。決定選用西門子MM440系列中6SE6440-2UD33-5FB1變頻器，其額定容量為55 kW、額定電流為110 A。

4 優(yōu)化前、后對比

為驗證電機轉(zhuǎn)速提高對破碎效率的有效性，將含調(diào)速控制系統(tǒng)的顎式破碎機與傳統(tǒng)顎式破碎機進行了破碎試驗比較，破碎后尺寸較小的碎料占總質(zhì)量的比例越大，破碎質(zhì)量越高，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前、后的碎料粒度特征曲線

從圖5中可以看出：含調(diào)速控制系統(tǒng)的顎板破碎機占比最大的碎料尺寸為30 mm，傳統(tǒng)破碎機占比最大的碎料尺寸為40 mm；含調(diào)速控制系統(tǒng)的顎板破碎機0 mm～50 mm碎料的占比為38.65%，比傳統(tǒng)破碎機高出8.92%，50 mm～100 mm碎料的占比為31.21%，與傳統(tǒng)破碎機相仿，100 mm～140 mm碎料的占比為30.14%，比傳統(tǒng)破碎機低8.38%。由以上數(shù)據(jù)可以判斷，增加了調(diào)速控制系統(tǒng)后，破碎機的破碎質(zhì)量明顯提高。

5 結(jié)論

將PEF500×760型復擺顎式破碎機作為研究對象，分析了曲柄轉(zhuǎn)速無法調(diào)節(jié)致使破碎效率下降的問題，以生產(chǎn)能力為目標函數(shù)，設計出一套調(diào)節(jié)曲柄轉(zhuǎn)速的變頻控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗，得出如下結(jié)論：

(1) 顎式破碎機曲柄的轉(zhuǎn)速快慢對生產(chǎn)能力有很大影響，但并不是轉(zhuǎn)速越快，生產(chǎn)能力越好。

(2) 以生產(chǎn)能力為目標函數(shù)，動定顎板尺寸及轉(zhuǎn)速為設計變量，利用MATLAB編寫了轉(zhuǎn)速控制程序，仿真分析發(fā)現(xiàn)該程序可有效提高破碎效率。

(3) 設計新型變頻控制器用于檢測并調(diào)整破碎機曲柄轉(zhuǎn)速，通過現(xiàn)場試驗對比發(fā)現(xiàn)，調(diào)整曲柄轉(zhuǎn)速不但能夠提高破碎效率，還能保證破碎質(zhì)量。