圓錐破碎機生產能力優化研究

王建輝，王 蒙，柴雪平

（包鋼（集團）公司白云鄂博鐵礦，內蒙古 包頭 014080）

引言

隨著我國工業化、城市化步伐的加快，大型機械設備得到了廣泛應用，不僅有助于提高生產質量和效率，而且增加了經濟效益。目前圓錐破碎機多被應用于冶金工業的生產過程中，其主要作用在于粉碎散體物料，對于冶金工業的發展具有重要作用。我國使用的圓錐破碎機設備多為從國外進口或者仿制設備，因此其體型較大，實際生產過程中耗能嚴重，同時產出的粉粒物料缺乏規范性，因此對其工作機理及生產能力進行優化分析。

1 圓錐破碎機的工作原理

圓錐破碎機的類型繁多，根據其設計制造形式可將其劃分為懸掛式圓錐破碎機、托軸式圓錐破碎機以及振動式圓錐破碎機。根據破碎機加工物料的情況又可劃分為粗碎及中細碎兩大類型。部分圓錐破碎機用于粗料的加工處理，因為加工物料塊較大，所以設備的進料口要求較為寬大，被稱作旋回破碎機。其動錐和定錐分別為正置和倒置。被用于細料加工處理的圓錐破碎機也就是常規破碎機。其加工物料通過粗布粉碎處理，對進料口尺寸無較大的要求，但是對卸料口具有一定的要求，需要在原有基礎上合理處理卸料口，這樣才能提高生產水平。其定錐及動錐均為正置。

常規圓周破碎機的主要組成部分包括機架、動錐、軸承、偏心軸等相關構件，其主要工作原理為：通過定錐和動錐所產生的圓錐破在破碎機運行的過程中，電動機發電驅動水平軸呈旋轉趨勢，并促進偏心軸持續運動，進而使動錐作圓錐形旋轉運動[1]。在具體運動時，動錐可能會持續的接近定錐或者遠離定錐，進而使圓錐破內腔中物料受到沖擊和擠壓因素的影響，發生破碎。之后經由傳動設備將完成破碎后的物料傳送到破碎腔中，向下將其排出。在這一過程中，圓錐破偏心軸能夠促進動錐下方的下腔套持續運動，但是固定于主軸上的上腔則會隨下腔的運動而不斷運動，進而促進主軸的運動，主軸發生轉動也會促進偏心套進行轉動。在這一過程中動錐不僅能夠進行自傳運動，同時也會圍繞破碎機的中線作旋轉運動。運動產生的球面中心便是圓錐破碎機中線同破碎錐軸線的相交點，并且圓錐破碎機中線同破碎錐軸線形成夾角便是進動角，表明動錐運動能夠作為定點進行旋轉運動，也就是破碎腔中的物料被軋臼壁持續擠壓發生破碎[2]。

2 圓周破碎機生產能力的主要影響因素

通過研究以及實踐經驗歸納可知，對圓周破碎機生產能力造成影響的因素較多，常見的因素主要為進動角、動錐轉速、形狀、物料的強度、物理特性、出料的情況等。同時不同型號以及不同生產廠家所生產的圓錐破碎機在結構、性能方面也存在明顯的不同。同時不同設備的參數也存在明顯的不同。因此這也是不同型號、參數范圍圓錐破碎機生產能力及影響不同的主要原因。如國產型號為PYB900的圓錐破碎機，其進動角的角度范圍在1°～2°之間，但是在實際工作過程中，如果角度設置較大或者角度設置較小均會對整體設備的生產質量及效率產生嚴重影響[3]。

3 圓錐破碎機生產能力優化設計

3.1 建立實體仿真模型

圓周破碎機的實體仿真模型主要為物料模型、動、定錐模型。結合設備動錐、定錐和物料運動的受力情況和工作原理，本文使用Ansys Workbench軟件對上述幾種模型進行構建，需要使用該軟件匯總的相關模塊，如顯式動力模塊及優化模塊等。通過對上述幾個仿真模型的建立和優化，能夠實現對圓錐破碎機整體幾何模型結構的簡化，同時有助于大幅提升模型的性能以及仿真模型運輸效果，避免仿真模型在實際運算時發生錯誤問題。

本文選擇國產PYB900型號圓錐破碎機為研究對象，其破碎錐底角和圓錐破進動角分別為40°和2°。第一步需要建立物料的仿真模型，對圓錐破碎機來說，物料十分重要，為了后續研究和計算的便利，本次研究使用形狀規則的物料，通過軟件建立三維立體模型。其次需要進行動錐仿真模型的建立，對圓錐破碎機來說，動錐是十分重要的構件，也是其運行的重要基礎，因此也需要使用Ansys Workbench進行仿真模型的建立，同時也可以使用一些其他軟件完成這一步驟，例如Matlab軟件等。最后，可以使用三維建模法進行定錐仿真模型的建立。完成上述操作之后，將模型導入到Ansys Workbench平臺中，通過不同的函數模塊對其進行分別分析，保證模型建立的穩定性和有效性[4]。

3.2 優化模型參數仿真設計

通過數十年的不斷發展，現如今我國圓錐破碎機各個構件參數和運行參數的體系已經趨于規范和完善，該體系涵蓋了設備的進動角、動錐底角以及偏心距等全部參數，為未來圓錐破碎機的優化、完善、發展及設計提供了重要的參考依據，具有非常高的使用價值。結合圓周破碎機生產能力的主要影響因素分析可知，如果想要對其模型參數和運行參數的設計進行優化，則需要全面分析影響因素，對相關結構參數進行合理設置，例如破碎錐底角、進動角以及破碎錐偏心套轉速等，并將相關參數的邊界值作為主要的限制條件，例如破碎機破碎錐的底角范圍需要保持在40°～50°，同時需要對偏心套旋轉和擺動的速度范圍進行合理控制，把持在200～700 r/min之間。除此之外，需要以定量間距變化原理為基礎，對破碎錐底角、進動角以及其他相關參數分別取其他值，之后在不同設備結構參數的影響下，對各個參數變化的程度、范圍進行分析，研究其對圓錐破碎機生產性能造成的主要影響[5]。工作人員需要合理使用Ansys Workbench軟件，實現對國產圓錐破碎機參數進行優化，通過優化處理后，各項參數值都呈增大的趨勢。同時也需要將這些參數作為主要的輸入參數，將其輸入到優化函數中，將生產率作為主要的目標函數輸入參數，同時也可以作為優化函數的輸出值，根據上述特點，本次研究通過二次規劃算法計算完成優化后圓錐破碎機的實際生產率。根據研究結果可知，相較于優化前，圓錐破碎機的生產率得到了顯著的提升，表明對其采取有效的優化措施有助于提高其生產水平。

4 結語

通過實踐研究和分析可知，對圓錐破碎機生產能力造成影響的因素繁多，因此需要技術人員全面了解其工作原理，并掌握建模方法，對其仿真模型進行優化設計，以有效改善其生產能力。圓錐破碎機是工業化生產中不可或缺的機械設備，對其生產能力進行優化設計有助于推動經濟的發展。