環錘式碎煤機的選型設計

張智榮

臨汾職業技術學院，山西 臨汾041000

破碎機是指通過外力將大顆粒轉變成小顆粒材料過程中使用的相應裝置，主要應用于礦山，煤炭、水泥、建筑、建材、公路和化工等等行業.在深化國家城鎮化建設的前提下，加工效率大大提高，對破碎設備提出了更高的要求.同時，在國內基礎工業基礎設施大發展的推動下，市場對破碎產品的需求強勁.近年來中國工業的快速發展，礦山機械破碎機產業已成為工業化進程中非常重要的產業.隨著中國城市化建設全面進入發展時期，破碎設備企業迎來了前所未有的機遇.本文主要研究的環錘式碎煤機是火電廠輸煤系統的主要設備之一，它可以有效且經濟地將原煤破碎至規定的粒度以供鍋爐使用.

1 碎煤機工作原理

環錘式碎煤機是火電廠輸煤系統的重要設備之一，是當前我國碎煤廣泛采用的破碎機械，它是利用懸掛于轉子上的環錘(高速旋轉)，對物料進行沖擊及破碎，被沖擊后的物料又在環錘及篩板之間受到擠壓、剪切、碾磨等作用，達到所需要的粒度以后，再經過篩板柵孔下部出料口排出.

2 機器型號及技術參數

2.1 機器型號

圖1 機器型號Fig.1 Machine model type

2.2 技術參數

表1 技術參數Tab.1 Technical parameters

3 碎煤機結構

本機由七大部分組成，如圖2，即機體部件1，機蓋2，轉子3，篩板架調節機構4，篩板架5，前門板6，襯板7(吊轉子時須先拆掉)［1］.

機蓋和機體部件，全部是采用鋼板焊接而成的，機蓋和機體通過鉸鏈，用起吊裝置可以進行翻轉開合，如果需要更換環錘等零件時，先卸下緊固螺栓(在結合面上)，然后利用開啟裝置打開機蓋，從圓盤上把壓蓋拆下，即可抽出環軸，便可更換.

圖2 碎煤機結構Fig.2 Coal crusher structure

4 傳動方式

采用YKK 系列的三相異步電動機，通過限矩型液力偶合器同環錘式碎煤機連接，這樣可以對碎煤機及電動機起到過載保護的作用.與傳統傳動方式相比，該系統可以使電動機的配備功率大大減少，達到節約投資降低能耗的目的.

5 轉子的工作參數

5.1 轉速

它取決于環錘所需的圓周速度和物料所需的破碎粒度，同時不得超過臨界轉速.線速度越高，破碎比越大［2］，但環錘的磨損也越加劇.環錘式碎煤機的轉子載速度一般為:V 介于40 m/s ～45 m/s 之間.轉子的轉速

式中，D 轉子的直徑m.

5.2 轉動慣量

轉動慣量是轉子旋轉慣性的度量，它于各零件的定量及其回轉半徑有關，需分別計算而后合成，見表2.

表2 轉動慣量計算Tab.2 Calculation of moment of inertia

表中采用了轉動慣性的一般表達式I =∫mr2dm 導出的下列公式:

(1)質點I = MR2;(2)圓I = MR2/2;(3)環I = M(R2-r2)/2;(4)矩形I = M(b2+h2)/12;(5)平移I = Ic + Md2，其中，M、R 和m、r 分別為圓形截面外圓和內圓的質量及半徑;Mi、ri復合件各部分的質量及半徑;單位:M、m—kg;R、r、b、h—m;I—kg·m2.

5.3 轉子飛輪矩

即飛輪的慣性矩，也是回轉體慣性的度量.在計算上比較方便. 算出飛輪矩，再折算到電機軸上，以備校核功率之用.先用表2 算出I 值(kg m2)在單位上加以換算，即

GDa2= 4gI = 4 ×9.8 ×981.25 = 38 465 N·m2

5.4 轉子工作時環錘具有的功能

環錘式碎煤機是利用高速旋轉著的環錘獲得的動能對物料進行破碎作業的.環錘所具有的功能為

式中，m 轉子回轉部分的質量，G 環錘的重量kg;g 重量加速度g = 9.8 m/s;v 轉子(環錘軌跡圓)線速度m/s.

5.5 環錘的離心力和圓周力

環錘是通過環軸均勻地套在轉子圓周上的，可徑向自由地串動.工作時既隨轉子一起公轉，受到煤塊的反作用力又能繞環軸自轉，從而使外緣磨損均勻.一個環錘工作時的離心力(即回轉法向慣性力)為

式中，F齒，F圓分別為一個齒環和一個圓環的離心力

其軸功率N = η·Nm= 0.96 ×400 = 384 kW，式中，η 限矩型液力偶合器的效率;Nm電動機功率kW;D 轉子直徑m.

環錘的離心力對煤塊進行沖擊和擠壓作用，而圓周力施以剪切和研磨，并且清除異雜物.

5.6 轉子工作的動力荷載

由于零件的制造和部件裝配的誤差，易產生轉子的質心偏離回轉軸心現象，當碎煤機運轉時，則產生附加慣性力(動力荷載，亦稱擾力)，引起沖擊和振動，影響機件的壽命和安裝基礎的可靠性.

計算擾力值的目的是為碎煤機的安裝基礎設計進行動力計算提供依據，計算方法是以轉子部件來進行，本機的擾力值為

式中，m1轉子部件的回轉質量;m2液力偶合器渦輪的回轉質量;m1= G1/g = 6 972 kg;m2= G2/g =670 kg;e 偏心距m.

轉子部件的平衡精度要求e 不大于0.5 mm.為運行安全可靠，計算擾力值時一般取e = 1 mm.［3］

6 碎煤機的生產率

現有的破碎理論均有一定的局限性，沒有完全地解釋礦物被破碎的實質，所以在計算碎煤機的生產率時，只能采用經驗公式進行近似計算.碎煤機屬于中細碎機械，應用第二破碎理論(即體積破碎假說)建立生產率的計算公式［4］.

假設碎煤機進行破碎作業時，都是由入料最大塊度為d1的立方體塊煤，破碎成出料粒度為d2的立方體碎煤.當碎煤機轉子旋轉一轉時，已碎煤的體積為

考慮轉子工作時在篩板柵孔上排料不均勻，取系數μ = 0.6 又煤質的堆比重為γ，則碎煤機的最小出力為Q = 188.5LDnd2γμ.取煙煤的平均堆比重γ = 0.9 t/m3，排料不均勻系數μ = 0.1(即碎煤透篩率為90 %)本機的生產為

式中的L，D，d2單位均為m.由計算式可以看出，碎煤機的生產率與轉子的直徑，工作長度及轉速等成正比.由于破碎比i = d1/d2而d2= d1/i 故生產與破碎比成反比.通過碎煤機的出力試驗，該計算式比較適用.

7 碎煤機的電機功率

電機功率與給料塊度，排料粒度.煤質狀況，轉子轉速等諸多因素有關，煤塊在碎煤機破碎腔內的運動很復雜，所以，難以準確地計算碎煤機的成需功率，設計碎煤機時，一般用經驗公式或比功率耗近似地計算功率，在轉子結構設計完成后，計算出轉子的轉動慣量和飛輪矩，再校核電機的起動功率［5］.

(1)初定碎煤機的所需功率

a.比功耗法:比功耗是破碎一噸煤所消耗的電能.即

根據選型樣本選取電機功率為400 kW.

(2)核算電機起動功率

由于碎煤機轉動慣量或正改矩GD2很大，當碎煤機的結構設計完成后，又選定了電動機和液力偶合器，即可在傳動設計計算中校核電機的起動功率［6］.

a.轉子的靜態力矩Ma:轉子的靜態力矩Ma等于轉子自重在兩軸承中產生的摩擦力矩Mc，于是

式中，R 兩軸承的徑向負荷即為轉子重量N;r 軸承內半徑m;f 摩擦系數，對于雙列向心球面湔滾子軸承f= 0.001 8 ～0.002 5.

b.轉子的動態力矩Mb

機器轉動部分分析處到電機軸上的飛輪力矩GD2為

式中，ηa電動機的效率.∵ 設計選定的電機功率Nm= 400 kW，遠大于電機啟動所需要的功率，因此，電動機有足夠的起動功率.

8 轉子的平衡精度

為了提高碎煤機的技術性能，減小振動，達到產品標準規定優等品要求軸承座的單振幅≤0.03 mm，在轉子部件的裝配工藝過程中需進行兩次平衡，一是在未裝環錘、環軸前要作靜動平衡試驗. 二是在裝配環錘時作重量平衡［7］.

轉子的平衡試驗是根據靜力等效原理向兩校正面簡化不平衡慣性力，在設計轉子時需確定靜動平衡試驗的許用平衡量，作為試驗的精度要求.

當主軸、鍵、搖臂、隔套、園盤及鎖緊螺母裝配后，此時轉子重量W =49.7 kN，轉子轉速n =570.24 r/min，角速度ω = 59.715 rad/s 由于本機的轉速較高，故確定平衡等級為G6.3，即4 級精度，則相當于單面平衡轉子重心的速度［8］A = eω/1 000 = 6.3 mm/s，得偏心距e = 1 000 A/ω = 1 000 ×6.3/59.715 = 105.5 μm，重徑積Gr = We =5 068.8 ×0.105 5 =534.76 kgmm，而單位轉子重量許用不平衡重徑積Gr/W =534.76/5 068.8 =10.8 mm/N.

上述e、Gr/W 是建立平衡等級A = 6.3 mm/s 后的確定單面平衡轉子的許用不平衡量.由于本機轉子的重心相對于左右兩端圓盤外測校正面距離相等，采用雙面平衡［9］，所以兩校正面的許用不平衡量為偏心距e左= e右= e/2 = 105.5/2 = 52.75 μm，單位轉子重量許用不平衡重徑積

平衡試驗應達這兩項精度指標要求.重徑積Gr 同轉子重量有關系，它是一個相對量，用來表示給定轉子的不平衡量，可以平衡操作.而偏心距e 與轉子重量是無關的，它是一個絕對量，用來衡量轉子程度和動平衡機檢測精度，便于直接比較［10］.

9 設計參數的選定

根據上述計算將計算和選型結果見表3.

10 結論

環錘式碎煤機作為一種破碎機械，其運行工況雖比較復雜，但我們運用動力學原理來分析問題，仍能發現其內在的規律性，這里通過HCSZ800 型環錘式碎煤機的設計，導出了環錘式碎煤機的一般設計方法，以期達到拋磚引玉的目的.

表3 設計參數Tab.3 Design parameters