立軸沖擊式破碎機(jī)葉輪最大處理量的確定方法及提高途徑

李恒栓

洛陽大華重工科技股份有限公司 河南洛陽 471023

立 軸沖擊式破碎機(jī) (以下簡稱“立軸破”) 是目前機(jī)制砂最常用的破碎設(shè)備，隨著砂石項(xiàng)目的不斷大型化，立軸破的市場需求量不斷增加，單機(jī)最大處理量也同時(shí)需要提高。而要提高處理量應(yīng)首先分析與處理量相關(guān)的影響因素，根據(jù)各影響因素對立軸破進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以根據(jù)各因素的影響程度進(jìn)行整體考慮，做出最優(yōu)的設(shè)計(jì)[1]。

1 立軸破工作原理及處理量的界定

立軸破的工作原理如圖 1 所示，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將物料顆粒加速到一定速度并拋射出去，利用物料之間的相互撞擊進(jìn)行破碎，可以通過改變?nèi)~輪的轉(zhuǎn)速來改變破碎效果[2]。

圖1 立軸破工作原理Fig.1 Work principle of vertical-shaft impact rusher

由圖 1 可以看出，物料進(jìn)入進(jìn)料斗內(nèi)分成了兩部分：一部分經(jīng)限料環(huán)流經(jīng)給料管后進(jìn)入到葉輪內(nèi)，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪加速后拋射出來撞擊到破碎腔周圍；另一部分經(jīng)進(jìn)料斗的外腔通道直接落入到破碎腔內(nèi)。這兩部分物料在破碎腔內(nèi)發(fā)生碰撞而被破碎，立軸破的處理量是兩部分物料的總和，即進(jìn)入葉輪內(nèi)物料量與進(jìn)料斗分流量之和。

進(jìn)入葉輪內(nèi)部的物料經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪加速后，帶著動(dòng)能發(fā)射出來是需要消耗能量的；而進(jìn)料斗分流部分的物料則是自由下落，不需要消耗能量，其分流量的多少可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。筆者只討論進(jìn)入葉輪內(nèi)的最大物料處理量，不考慮進(jìn)料斗的分流量。

2 存在問題

目前各生產(chǎn)廠家立軸破的技術(shù)參數(shù)差別較大，處理量的范圍寬，這給缺少使用經(jīng)驗(yàn)的用戶在設(shè)備選型上帶來了很大不便。特別是在制砂設(shè)備大型化的今天，一些大型號的立軸破不斷被開發(fā)出來，目前市場上已知的最大立軸破裝機(jī)功率已達(dá)到 1 000 kW。隨著裝機(jī)功率的加大，處理能力也隨之增大，但裝機(jī)功率與相應(yīng)處理量的關(guān)系，大多還主要依據(jù)小型號設(shè)備的類比推算出來，缺乏理論計(jì)算依據(jù)，給大型立軸破的設(shè)計(jì)選型帶來了諸多困難。

3 處理量計(jì)算方法

分析立軸破的破碎工作原理不難看出，物料在葉輪內(nèi)加速的過程是能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的過程，即電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)后，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，物料進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪內(nèi)加速發(fā)射出來，又將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為物料的動(dòng)能。因此，可用動(dòng)能定理計(jì)算葉輪的處理量，即在某一段運(yùn)動(dòng)過程中，質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)能的改變量等于作用在質(zhì)點(diǎn)系上全部力在這段過程中所作功的代數(shù)和，

可假設(shè)一個(gè)計(jì)算模型，在一段時(shí)間內(nèi) (1 h)，立軸破的驅(qū)動(dòng)功率與葉輪轉(zhuǎn)速都確定，連續(xù)不斷的物料進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪內(nèi)被加速，物料的初速度 v1為 0，離開葉輪的瞬間速度為 v2，將該模型看做質(zhì)點(diǎn)系，1 h 內(nèi)累計(jì)加速的物料顆粒總質(zhì)量為∑m，則有

式中：W12為 1 h 內(nèi)用于加速物料顆粒所做的有效功；P 為破碎機(jī)的裝機(jī)功率；η為效率。

葉輪在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中由于存在各種能量損失，致使物料顆粒實(shí)際獲得的能量低于從原動(dòng)機(jī)得到的輸入能量，用η表示物料顆粒利用的能量效率。葉輪的能量損失包括：

(1) 風(fēng)阻損失ηh由于葉輪在充滿粉塵顆粒的破碎腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生風(fēng)阻損失，風(fēng)阻損失與葉輪的幾何形狀、尺寸以及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。經(jīng)測試不同直徑的葉輪邊緣不同的線速度 (60～80 m/s)空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)，確定ηh的取值范圍一般為 0.75～0.86。

(2) 摩擦損失ηv物料顆粒在葉輪內(nèi)的加速過程中，其受力方向與運(yùn)動(dòng)方向存在一定的夾角，與積料層之前存在摩擦力并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。ηv的取值范圍一般為 0.80～ 0.85。

(3) 機(jī)械損失ηm包括動(dòng)力傳動(dòng)裝置、軸承、油封之間的摩擦損失。機(jī)械損失可用機(jī)械效率ηm表示，它與傳動(dòng)方式的選擇、軸承以及油封數(shù)量有關(guān)系，一般ηm的取值范圍為 0.88～ 0.94。

由式 (3) 可知，如果能計(jì)算出物料的最終拋射徑向速度，則葉輪總處理量∑m 便可確定。對于一個(gè)幾何尺寸與轉(zhuǎn)速已知的葉輪，物料離開速度與葉輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系是一定的。

根據(jù)理論力學(xué)知識可知，物料在葉輪內(nèi)的速度是相對速度與牽連速度二者的合成。選擇旋轉(zhuǎn)的葉輪為動(dòng)系，安裝葉輪的機(jī)架等部分為定系，物料的相對速度 vr是沿積料層向外運(yùn)動(dòng)，牽連速度 ve是隨葉輪的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。所以物料的絕對速度 va是 vr與 ve的速度矢量和，即 va=vr+ve(垂直于積料層方向忽略不計(jì))，如圖 2 所示。

圖2 速度合成Fig.2 Composition of velocity

根據(jù)圖 3 受力分析得方程

圖3 受力分析Fig.3 Force analysis

式中：F離為礦石顆粒受到的離心力；μ為物料與積料層的摩擦因數(shù)，一般取 0.9～ 1.5；α為離心力與運(yùn)動(dòng)方向的夾角；r 為礦石顆粒到旋轉(zhuǎn)中心的距離。

礦石顆粒離開葉輪的瞬間速度

以目前市場上常用的 PL-1000 立軸破為例，已知葉輪轉(zhuǎn)速 n=1 340 r/min，μ=1.1，r=0.41 m，α=54°(離開拋料頭時(shí)的角度)，物料顆粒離開葉輪時(shí)的受力分析如圖 4 所示。

圖4 物料顆粒離開葉輪時(shí)的受力分析Fig.4 Force analysis of material particle while leaving impeller

將數(shù)值代入式 (6)～ (8)，得 vr=23.2 m/s，ve=57.5 m/s，va=73.6 m/s。根據(jù)以上數(shù)據(jù)便可計(jì)算出處理量與功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

仍以 PL-1000 為例，裝機(jī)功率為 500 kW，葉輪轉(zhuǎn)速為 1 340 r/min，ηh=0.75，ηv=0.8，ηm=0.9，根據(jù)式 (3) 計(jì)算得最大處理量為 350.9 t/h。

4 提高處理量的途徑

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，物料顆粒的速度可根據(jù)用途提前確定下來。制砂時(shí)，為了盡可能提高成品率，往往采用較高一些的速度；而用于物料整形時(shí)，為避免出料中的細(xì)顆粒占比過大，可選用偏低的速度。同時(shí)一種機(jī)型的裝機(jī)功率也是確定的，所以提高處理量也只能從提高葉輪的總工作效率入手。

總效率是 3 個(gè)效率的乘積，其中摩擦損失是由葉輪的原理結(jié)構(gòu)決定的，同時(shí)也與物料顆粒的性質(zhì)、生產(chǎn)工藝 (如干法或濕法生產(chǎn)) 有關(guān)，這部分的損失可優(yōu)化的空間較小，故只能從風(fēng)阻損失與機(jī)械損失兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

葉輪的風(fēng)阻損失與其風(fēng)阻系數(shù)、幾何尺寸、速度等因素有關(guān)，葉輪應(yīng)設(shè)計(jì)為低風(fēng)阻形狀，幾何尺寸滿足物料顆粒的最大通過量即可，要避免直徑過大、高度過高。在減少機(jī)械損失方面，可以選擇傳動(dòng)效率高的傳動(dòng)帶，也可以考慮選擇電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式。

5 結(jié)論

(1) 通過分析立軸破的破碎工作原理，使用動(dòng)能定理推導(dǎo)出葉輪最大處理量的計(jì)算公式。最大處理量與功率 P、能量利用效率η成正比，與物料離開葉輪的合成速度的平方成反比。葉輪的總工作效率η在0.53～ 0.69 之間是比較低的，說明能量在轉(zhuǎn)化與傳遞過程中的損失比較大。

(2) 通過分析物料在葉輪內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可知物料的絕對速度是 2 個(gè)分速度的合成。以 PL-1000 立軸破的葉輪為例，當(dāng)裝機(jī)功率為 500 kW，葉輪轉(zhuǎn)速為 1 340 r/min 時(shí)，葉輪的最大處理能力為 350.9 t/h。

(3) 綜合分析影響立軸破葉輪處理能力的各種因素，得出提高葉輪處理量應(yīng)主要從減少風(fēng)阻損失與機(jī)械損失等方面進(jìn)行優(yōu)化。