大型反擊式破碎機(jī)的研發(fā)

洪 波，熊林超，何文博

（南昌礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司，江西 南昌 330004）

1 反擊式破碎機(jī)的工作原理及設(shè)計(jì)背景

反擊式破碎機(jī)，是電機(jī)通過三角帶帶動(dòng)主軸及轉(zhuǎn)子體高速旋轉(zhuǎn)，物料從入料口進(jìn)入，先被旋轉(zhuǎn)的板錘打擊，拋向反擊板再次產(chǎn)生沖擊作用，同時(shí)在破碎腔中物料之間相互的碰撞作用，進(jìn)行選擇性破碎。物料經(jīng)第一、第二反擊板與轉(zhuǎn)子體形成的路線被反復(fù)沖擊破碎，粒度小于反擊板末端與板錘之間間隙時(shí)，最終從出料口排出[1]。隨著環(huán)境保護(hù)力度的加大，以及工程項(xiàng)目產(chǎn)能改擴(kuò)建的影響，我國(guó)砂石礦山的供給結(jié)構(gòu)持續(xù)改善，生產(chǎn)規(guī)模等級(jí)由小到大逐年上升，大中型礦山將成為行業(yè)主流，因此急需大型化的反擊式破碎機(jī)，來適應(yīng)市場(chǎng)的需求[2]。南昌礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行了大型反擊式破碎機(jī)的研發(fā)。下面筆者具體介紹大型反擊式破碎機(jī)HS1827S 的研發(fā)情況。

2 HS1827S 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)市場(chǎng)需求，設(shè)備需達(dá)到如下要求：適用于石灰石等低磨蝕性石料，最大給料粒度700 mm，≤31.5產(chǎn)品產(chǎn)量為700 t/h。

2.2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

大型反擊式破碎機(jī)HS1827S，主要由轉(zhuǎn)子體、第一段反擊板、第二段反擊板、均整板、上機(jī)架、下機(jī)架、電機(jī)和潤(rùn)滑站構(gòu)成。

2.3 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子體的主要參數(shù)包括轉(zhuǎn)子直徑D，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L，板錘數(shù)量a。一般來說，D=(2-4)dmax，L=(0.7-1.5)D

其中dmax 為最大給料粒度。

HS1827S 轉(zhuǎn)子體直徑D=1 800 m，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L=2 700 mm，dmax=700，符合反破設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

板錘數(shù)量的選擇依據(jù)主要是由物料從入料口導(dǎo)料板滑落至轉(zhuǎn)子體本體表面時(shí)間決定，該時(shí)間不應(yīng)超過相鄰板錘旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間，即在物料落到轉(zhuǎn)子體表面前需被板錘打擊，以保證物料不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子體造成磨損。一般來說轉(zhuǎn)子直徑小于1 000 mm，選三列板錘；轉(zhuǎn)子直徑1 000～15 00 mm 時(shí)可選4 或6 列；轉(zhuǎn)子直徑為1 500～2 000 mm，選6-10 列板錘，對(duì)于硬物料或者破碎比較大時(shí)，板錘越多。根據(jù)物料打擊次數(shù)及板錘受力和磨損需要。隨著轉(zhuǎn)子直徑增加，為了保證單位板錘的打擊面積，有必要增加板錘數(shù)量。為了便于轉(zhuǎn)子平衡及更換磨損板錘，通常反破板錘數(shù)量選擇偶數(shù)，故HS1827S 選擇6 板錘。

設(shè)計(jì)時(shí)，還對(duì)轉(zhuǎn)子體進(jìn)行了應(yīng)力分析和運(yùn)動(dòng)仿真，見圖1，確保轉(zhuǎn)子體設(shè)計(jì)的可靠。

2.4 主軸的校核

式中：P1——轉(zhuǎn)子重量；

P2——電機(jī)所產(chǎn)生的力；

P3——板錘所受到的沖擊不平衡力；

K——沖擊系數(shù)，取3(粗碎取3，中碎取1.5，細(xì)碎取1.2)。

P1=241 245 (N)

P2=9 550N/nr=21 222 (N)

式中：N——電機(jī)功率，kw；

n——轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)速，r/min；

r——轉(zhuǎn)子體旋轉(zhuǎn)半徑，m。

P3=μP1r1rω2/2rg=μP1r1（πn/30）2/2g=μP1r1n2/1800=147 963 (N)

式中：μ——軸承摩擦阻力系數(shù)，μ=0.03；

r1——軸承滾柱摩擦滾動(dòng)的半徑，m。

式中：轉(zhuǎn)子軸的彎曲Mu=PL1/2=264 728（N.m）；

轉(zhuǎn)子軸的扭矩Mr=9 550N/n=19 100（N.m）；

σca=M/W=M/(πd3/32) ≤[σ-1]；

[σ-1]=180～207Mpa 取180 MPa。

計(jì)算出軸的直徑：

因此軸承安裝直徑φ280 滿足計(jì)算要求

（3） 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度計(jì)算軸的直徑

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度：

d=A*(N/n)1/3=141mm （T/Wt ≤[τ]）

其中A=112～97（軸的許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力[τ] 為35～55MPa）

剪切剛度:

d=B*(N/n) 1/4=153mm （T/GIp ≤[θ]）

其中B=129（剪切彈性模量G=79.4 GPa 時(shí)，軸的許用扭轉(zhuǎn)角[θ]為0.25）

因此最小直徑φ250 滿足計(jì)算要求

（4） 安全系數(shù)校核

彎矩作用安全系數(shù)

式中：σa=Mu/2Z=34.3MPa；

σm=34.3MPa；

ψσ=0.34；

εσ=0.6；

σ-1=320MPa；

β=0.9；

kσ=2.05；

Z=πd3/32=3858661.1768 mm3(彎矩最危險(xiǎn)處的直徑為d=φ340)。

扭矩作用安全系數(shù)

式中：τa=Mr/2Zp=3.1MPa；

τm=3.1MPa；

ψτ=0.29；

ετ=0.68；

τ-1=185MPa；

β=0.9；

kτ=1.56；

Zp=πd3/16=3067961.58mm3（扭矩最危險(xiǎn)處的直徑為d=φ250）。

安全系數(shù)

[S] 選取條件1.3 ～ 1.5 載荷確定精確，材料性質(zhì)較均勻1.5 ～ 1.8 載荷確定不夠精確，材料性質(zhì)不夠均勻1.8 ～ 2.5 載荷確定不精確，材料性質(zhì)均勻度較差

因此主軸的安全系數(shù)完全可以滿足設(shè)備使用需要。

2.5 軸承的壽命計(jì)算

根據(jù)主軸軸徑選擇軸承型號(hào)為23260CCK/W33，可從軸承手冊(cè)查到其額定靜載荷C0r =3 900kN，額定動(dòng)載荷Cr=3 900kN。

作用在軸承上的載荷Pe可根據(jù)下述經(jīng)驗(yàn)公式確定：

Pe=3P1=723.735（kN）

作用在每個(gè)軸承上的載荷為Pe/2

Cr——軸承的基本額定動(dòng)載荷；Cr=3 900kN

ft——溫度系數(shù)，取1.00；

Lh——軸承基本額定壽命，小時(shí)；

ε——指數(shù)，對(duì)于球軸承，取3；對(duì)于滾子軸承，取10/3。

計(jì)算結(jié)果：Lh=115 214 小時(shí)；

Lnm=a1a2Lh=241 949 小時(shí)；

Lnm——修正額定壽命（增加軸承潤(rùn)滑、工作環(huán)境等因素）；

a1——壽命調(diào)整系數(shù)，取1.00；

a2——壽命修正系數(shù)，根據(jù)系數(shù)曲線取值2.1。

2.6 機(jī)體的設(shè)計(jì)

入料板卸載點(diǎn)角度α≈30°，α 角越大則破碎機(jī)越高，整機(jī)重量越大，設(shè)計(jì)取值α=31°。給料導(dǎo)板傾角β≥40°，考慮物料堆積的安息角及破碎機(jī)的高度，設(shè)計(jì)取值β=40°（如圖2）。

2.7 破碎腔設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外反擊板一般為兩段式和三段式。第三段反擊板也叫均整板，主要用于對(duì)物料的整形，或是讓物料進(jìn)一步破碎。而反擊板的形狀，又主要有折線型、圓弧型和直線型三種。為了保證物料從板錘飛出后與反擊板正面打擊，從而獲得最佳破碎效果，理論上反擊板以漸開線為佳[3]。但由于漸開線制造困難，因此設(shè)計(jì)反擊板多采用折線型。折線角度近似漸開線形狀[4]。

前反擊板的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇： ①根據(jù)入料尺寸和客戶所需成品尺寸選擇e1、e2 值；②選取而θ1 值（15 °≤θ1≤20 °），根據(jù)e2、θ1 值確定前反擊板出料點(diǎn)位置；③根據(jù)δ 值確定前反擊板懸掛位置（板錘外切線與反擊板垂線夾角δ=1 °～2 °）；④同上，選取而θ2 值（60 ° ≤θ2≤90 °），確定后反擊板出料點(diǎn)位置和懸掛位置。

3 工作參數(shù)計(jì)算

3.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)，一般粗碎時(shí)轉(zhuǎn)子線速度為15～40 m/s，中細(xì)碎時(shí)，轉(zhuǎn)子線速度為40～80 m/s。但根據(jù)多年來設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的使用情況，中細(xì)碎時(shí)，轉(zhuǎn)子線速度選擇33～40 m/s 為宜。否則，非常容易出現(xiàn)過粉碎現(xiàn)象。因此，在滿足處理能力的同時(shí)，速度盡量取小值[5]。設(shè)計(jì)取V=37 m/s。計(jì)算得n=400 rpm。

3.2 電機(jī)功率計(jì)算

式（1）：P=KD2Ln=0.2*1.8*1.8*2.7*430=752.33kW

D——轉(zhuǎn)子直徑（m）；

K——系數(shù)，0.1～0.2（大型機(jī)取高值）；

L——轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度（m）；

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

式（2）：產(chǎn)品粒度已知情況下所需的功率所需的功率=能量系數(shù)×總輸出選定能量系數(shù)：0.85 kWh/ton；

根據(jù)所需最大處理能力800 t/h；P=0.85*780=680 kW。

3.3 處理能力的計(jì)算

處理能力是設(shè)備的非常重要的參數(shù)，也是客戶選型的關(guān)鍵。所以設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，處理能力的計(jì)算非常關(guān)鍵。目前文獻(xiàn)中最常見的反破處理能力的公式為式（1）。

式中：K1——修正系數(shù)，一般取0.1；

C——板錘的數(shù)量；

h——錘頭高度，m；

a——板錘與反擊板間的距離，m；

d——排礦粒度，m；

b——錘頭寬度，m；

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rpm；

δ——物料的容積密度t/m3，一般取1.2-1.4。

根據(jù)公式，HS1827S 在排料口30 mm 時(shí)的處理能力Q=920（t/h）

從公式中可以看到，反破的處理能力Q，與板錘數(shù)量成正比，與轉(zhuǎn)子直徑無關(guān)。這與實(shí)際反破使用工況不符，也與軟件模擬結(jié)果不符。筆者認(rèn)為，設(shè)備的處理能力與轉(zhuǎn)子截面物料分布息息相關(guān)的，與轉(zhuǎn)子直徑相關(guān)，與板錘數(shù)量無關(guān)。故推出式（2）供大家探討。

式（2）：Q=60K1bnδK2π(Da+a2+Dh-h2)（t/h）

式中：K1——修正系數(shù)，一般取0.1；

h——錘頭高度，m；

a——板錘與反擊板間的距離，m；

b——錘頭寬度，m；

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rpm；

δ——物料的容積密度t/m3，一般取1.2-1.4；K2——修正系數(shù)，一般取0.11；

D——轉(zhuǎn)子的直徑，m。

根據(jù)公式，HS1827S 在排料口30 mm 時(shí)的處理能力Q=757（t/h）

4 結(jié)論

本研究介紹了大型反擊式破碎機(jī)HS1827S 主要結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的計(jì)算過程，特別是對(duì)反擊式破碎機(jī)處理能力的計(jì)算進(jìn)行了探討和分析。希望這些計(jì)算和分析的結(jié)果可以為反擊式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)研究提供一些有利的參考。HS1827S 研發(fā)成功，標(biāo)志著南昌礦機(jī)集團(tuán)的大型反擊式破碎機(jī)又添加了新的型譜，為南礦致力于行業(yè)健康、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展提供助力。