新一代中碎反擊式破碎機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用

王平，李洪雙，田松閣，張喆，劉曉偉

1 前言

近十幾年來，機(jī)制砂骨料市場(chǎng)需求旺盛，產(chǎn)能逐年遞增，許多水泥企業(yè)利用自身優(yōu)勢(shì)，全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展機(jī)制砂骨料生產(chǎn)，在建、已建機(jī)制砂骨料生產(chǎn)線數(shù)量較多，大力促進(jìn)了機(jī)制砂骨料行業(yè)的發(fā)展。

骨料生產(chǎn)最主要的工藝裝備為破碎機(jī)，中硬巖類礦物作為骨料生產(chǎn)用量最大的原料，最適宜使用的破碎機(jī)為沖擊式破碎機(jī)。目前，沖擊式破碎機(jī)主要有錘式和反擊式兩種機(jī)型，反擊式破碎機(jī)相對(duì)于錘式破碎機(jī)，破碎堅(jiān)硬石灰石等材料的能力更強(qiáng)，出料粒型更好，且粒度可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，更加適用于粒型和粒度可調(diào)節(jié)性要求高的骨料生產(chǎn)。按照工段的不同、進(jìn)出料粒度的不同，中硬巖類反擊式破碎機(jī)又可以分為單段式、中碎式、細(xì)碎式三種，本文主要介紹中碎反擊式破碎機(jī)。

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“天津水泥院”）于2011 年開發(fā)了第一代中碎反擊式破碎機(jī)，物料通過量、產(chǎn)品粒度級(jí)配均可滿足工況要求，但存在出料粒型針片度較高，反擊板、均整板等調(diào)節(jié)不便，均整板保護(hù)裝置保護(hù)效果差、均整板不可拆卸、殼體結(jié)構(gòu)有缺陷等問題。近兩年來，天津水泥院對(duì)第一代中碎反擊式破碎機(jī)進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)開發(fā)了新一代TKPFM 型中碎反擊式破碎機(jī)，解決了上述問題，提高了設(shè)備適應(yīng)性和可靠性。

2 第一代中碎反擊式破碎機(jī)的工作原理及存在的問題

2.1 第一代中碎反擊式破碎機(jī)的工作原理

中碎反擊式破碎機(jī)是水泥、砂石骨料及其他非金屬礦業(yè)領(lǐng)域非常重要和常用的一種破碎機(jī)，一般在粗碎作業(yè)后使用，作用是將粒徑＜500mm 的脆性巖石破碎到出料粒度＜30mm，以滿足成品粒度和生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量要求。

第一代中碎反擊式破碎機(jī)由轉(zhuǎn)子、兩道反擊板、均整板、殼體等部分組成，其結(jié)構(gòu)和實(shí)物照片見圖1，工作原理示意見圖2。如圖1、圖2所示，物料進(jìn)入破碎機(jī)后，經(jīng)轉(zhuǎn)子打擊并拋向反擊板部，隨后反彈回來，經(jīng)轉(zhuǎn)子和其他物料的再次打擊，再次拋向反擊板部。如此反復(fù)粉碎至物料減小到既定粒度，最后被轉(zhuǎn)子帶入均整板部。均整板部是破碎機(jī)的重要組成部件之一，其作用是將物料進(jìn)行最后一次破碎成型，達(dá)到要求的出料粒度并整形，使物料粒度、粒型皆滿足要求。

圖1 第一代中碎反擊式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片

圖2 第一代中碎反擊式破碎機(jī)工作原理示意

2.2 第一代中碎反擊式破碎機(jī)存在的問題

2.2.1 均整板和物料接觸表面形式過于平滑

第一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板部結(jié)構(gòu)如圖3所示。均整板和物料接觸表面形式過于平滑，物料沒有經(jīng)過充分地反復(fù)摩擦和翻滾破碎，出料粒型針片度較高，平均＜8%。

圖3 第一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板部結(jié)構(gòu)

2.2.2 反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置調(diào)節(jié)不方便

第一代中碎反擊式破碎機(jī)反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，兩道反擊板的調(diào)節(jié)保護(hù)裝置作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是使反擊板在通過難破碎異物時(shí)能夠回彈避讓，從而保護(hù)反擊板結(jié)構(gòu)不被破壞；二是調(diào)節(jié)反擊板的位置，使反擊板出料口和轉(zhuǎn)子之間的距離隨之改變，以調(diào)節(jié)出料粒度的大小或補(bǔ)償耐磨件的磨損。

圖4 第一代中碎反擊式破碎機(jī)反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

第一代中碎反擊式破碎機(jī)反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置的調(diào)節(jié)方式為機(jī)械式，依靠?jī)蓚?cè)的螺桿進(jìn)行螺紋調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式速度極慢，如遇螺桿微變形、螺紋磨損、機(jī)架微變形、雜質(zhì)粘堵在螺紋處等情況，所需的調(diào)節(jié)力非常大，有時(shí)甚至無法調(diào)節(jié)，給現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)造成了很大的困難，不僅增加了維護(hù)成本，而且降低了生產(chǎn)效率。

2.2.3 均整板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置可靠性較低

均整板的調(diào)節(jié)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)與反擊板一致，其調(diào)節(jié)方式也是機(jī)械式，通過彈簧調(diào)節(jié)。如遇難破碎異物，調(diào)節(jié)保護(hù)裝置頂在均整板主體結(jié)構(gòu)原位置的彈簧自動(dòng)壓縮，使均整板部回彈，出料口變大，異物通過，結(jié)構(gòu)受力瞬間降低，保護(hù)均整板不被損壞。但因設(shè)計(jì)時(shí)缺少精準(zhǔn)算法，很難精確計(jì)算出破碎過程中所需的生產(chǎn)力和通過異物時(shí)的施加力，難以保證正常工況下，均整板部不會(huì)回彈，破碎正常進(jìn)行；同時(shí)，在異物通過時(shí)，均整板部能夠回彈，起到保護(hù)作用。利用目前的算法計(jì)算出的結(jié)果，與實(shí)際情況往往相差很大。如果彈簧選型過大，則保護(hù)裝置保護(hù)能力受限；選型過小，則無法保證破碎機(jī)正常運(yùn)行。彈簧的預(yù)壓力隨彈簧高度的改變作線性變化，而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的彈簧預(yù)壓力往往不精準(zhǔn)。

第一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板僅下部設(shè)有調(diào)節(jié)保護(hù)裝置，上部完全固定，導(dǎo)致異物到達(dá)均整板上部時(shí)，結(jié)構(gòu)易損壞。同時(shí)，由于均整板上部無法進(jìn)行大范圍的間距調(diào)節(jié)，導(dǎo)致破碎機(jī)出料粒度調(diào)控能力減弱，上下耐磨件磨損不均勻，利用率不高。

2.2.4 均整板不可拆卸

在一些工況下，破碎機(jī)工段越多，破碎效果越好，成品物料越細(xì)，但遇易碎物料時(shí)，工段多則可能會(huì)造成過粉碎情況，不符合成品物料粒度要求，此時(shí)需要減少破碎工段。第一代中碎反擊式破碎機(jī)為“兩道反擊板”+“一道均整板”三道破碎工段，當(dāng)物料出現(xiàn)過粉碎情況，即便將各破碎工段間隙調(diào)得較大，提高物料粉碎粒度效果也不佳，此時(shí)需拆掉均整板，將三道破碎工段變?yōu)閮傻榔扑楣ざ巍５宀鹣潞螅瑢?duì)應(yīng)的下殼體后部因沒有襯板保護(hù)，將遭受原料的持續(xù)打擊和沖刷，產(chǎn)生變形和磨蝕，不利于產(chǎn)品粒度調(diào)節(jié)，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)均整板不可拆卸。

2.2.5 殼體筋板及各部分剖分面布置不當(dāng)

破碎機(jī)殼體受力復(fù)雜，其作用是支撐其他工作部件，密閉破碎空間，使破碎機(jī)整機(jī)和外界結(jié)構(gòu)相連。第一代中碎反擊式破碎機(jī)由于殼體筋板布置不當(dāng)，導(dǎo)致殼體長(zhǎng)期使用易出現(xiàn)變形，對(duì)設(shè)備安全和維護(hù)造成影響。殼體各部分剖分面設(shè)置不當(dāng)、側(cè)邊部分和端部部分采用焊接結(jié)構(gòu)，造成運(yùn)輸時(shí)可拆解的最小殼體部件體積大、容重比大，運(yùn)輸成本高，在狹小地域運(yùn)輸和安裝時(shí)空間受限制。第一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體剖分面和筋板布置見圖5，殼體結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 第一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體剖分面和筋板布置

圖6 新一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體結(jié)構(gòu)

3 新一代TKPFM型中碎反擊式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 重新設(shè)計(jì)改進(jìn)均整板主體結(jié)構(gòu)

新設(shè)計(jì)的均整板主體部分由均整板架、齒條、承擊板、上滑軌、上支軸、下滑軌、杠桿、下支軸、銷軸、上液壓缸鉸軸、下液壓缸鉸軸等組成（見圖7）。均整板架為整體焊接結(jié)構(gòu)，由多個(gè)橫梁、鋼板、筋板、鋼管連接，上面依次加工出承擊板襯板孔、連接銷軸孔等（見圖8）。齒條有多根，相當(dāng)于原第一代中碎反擊式破碎機(jī)襯板，為整體鑄造結(jié)構(gòu)，依次從橫梁推進(jìn)，騎在橫梁上。承擊板用螺栓固定連接在鋼板上。

圖7 新一代中碎反擊式破碎機(jī)的均整板主體部分結(jié)構(gòu)

圖8 新一代中碎反擊式破碎機(jī)的均整板架結(jié)構(gòu)

第一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板主體部分的支撐全靠上部銷軸懸掛，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可靠性不強(qiáng)，且下部調(diào)節(jié)時(shí)，均整板受力更大，調(diào)節(jié)不方便。而新一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板主體部分對(duì)應(yīng)的下殼體位置增加了支撐臺(tái)，使整個(gè)均整板可以通過上下滑軌直接支撐在下殼體上。改造后，均整板主體部分的調(diào)節(jié)和支撐比第一代更加方便和可靠。

新一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板的優(yōu)點(diǎn)在于“襯板改齒條”，將第一代的平緩襯板結(jié)構(gòu)替換為了具有牙板鋸齒狀結(jié)構(gòu)的齒條組件，均整板架支撐從鋼板變?yōu)闄M梁，以連接齒條。改造后，新一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板階梯阻礙效果比平緩襯板結(jié)構(gòu)增強(qiáng)很多，物料在轉(zhuǎn)子的帶動(dòng)下，在齒條上翻滾、研磨更加充分，最大限度均整物料，保證出料粒型（針片度）符合GB/T 14685-2022《建筑用卵石、碎石》第一類標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)，均整板上部保留承擊板結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于原來的第一道襯板），經(jīng)受物料的首次沖擊，防止物料濺出破碎腔。

3.2 重新設(shè)計(jì)反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置

新一代中碎反擊式破碎機(jī)反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置由調(diào)節(jié)架、底架、懸掛螺桿組件、彈簧支撐螺桿組件、彈簧、調(diào)節(jié)液壓缸及其連接銷軸組成（見圖9）。懸掛螺桿組件包括U 型連接板、懸掛螺桿、鎖緊螺母及其防松墊片、碟簧、支撐螺母、外部壓緊螺母、護(hù)套等（見圖10）。彈簧支撐螺桿組件包括支撐螺桿、鎖緊螺母、壓帽、護(hù)套等（見圖11）。改造后，新一代中碎反擊式破碎機(jī)反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置懸掛螺桿由調(diào)節(jié)、懸掛功能變?yōu)閮H具有懸掛功能，調(diào)節(jié)功能由調(diào)節(jié)液壓缸代替。

圖10 新一代中碎反擊式破碎機(jī)懸掛螺桿組件

圖11 新一代中碎反擊式破碎機(jī)彈簧支撐螺桿組件

改造后，新一代中碎反擊式破碎機(jī)反擊板和轉(zhuǎn)子間距調(diào)小的方法如圖12 所示，先將外部壓緊螺母和護(hù)套擰至需調(diào)節(jié)的距離，抬升液壓缸，直至調(diào)節(jié)架和外部壓緊螺母接觸；再將鎖緊螺母擰出，直至和調(diào)節(jié)架接觸；最后，將液壓缸縮回到原位置。反擊板和轉(zhuǎn)子間距調(diào)大的方法如圖13 所示，先將液壓缸抬升至需調(diào)節(jié)的距離，再將鎖緊螺母擰出直到和殼體接觸，將液壓缸縮回到原位置，最后將外部壓緊螺母和護(hù)套擰緊。

圖12 反擊板和轉(zhuǎn)子間隙調(diào)小的方法

圖13 反擊轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子間隙調(diào)大的方法

新一代中碎反擊式破碎機(jī)的反擊板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置采用液壓結(jié)構(gòu)取代第一代調(diào)節(jié)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)中的機(jī)械調(diào)節(jié)方式，極大增加了調(diào)節(jié)保護(hù)裝置的調(diào)節(jié)力和調(diào)節(jié)速率，操作簡(jiǎn)單，大幅減少了停機(jī)檢修時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

3.3 重新設(shè)計(jì)均整板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置

新設(shè)計(jì)的均整板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置包含兩套液壓缸系統(tǒng)（每套一對(duì)液壓缸），液壓缸和均整板主體部分的上下滑軌通過銷軸相連，液壓缸中間擺軸支撐在殼體的相應(yīng)鉸支板里。兩套液壓缸系統(tǒng)分別位于均整板上部和下部，液壓缸通過管路連接至液壓站，液壓缸與液壓站之間有氮?dú)饽遥?dāng)進(jìn)入異物時(shí)，氮?dú)饽移鸬椒磸棻Ｗo(hù)作用。新一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板液壓調(diào)節(jié)保護(hù)裝置及其液壓系統(tǒng)見圖14。

圖14 均整板液壓調(diào)節(jié)保護(hù)裝置及其液壓系統(tǒng)示意

改進(jìn)后，新一代中碎反擊式破碎機(jī)均整板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置，將第一代均整板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置支撐螺桿和保護(hù)彈簧等機(jī)械調(diào)節(jié)保護(hù)機(jī)構(gòu)整合為純液壓結(jié)構(gòu)，上部和下部的液壓系統(tǒng)均可通過伸縮液壓缸，調(diào)節(jié)均整板和轉(zhuǎn)子間距。當(dāng)進(jìn)入異物時(shí)，如氮?dú)饽覊毫Ω哂谠O(shè)定值，則氮?dú)饽掖蜷_，液壓缸回縮，均整板向后推出，異物排出，均整板壓回。氮?dú)饽覊毫υO(shè)定值的可調(diào)范圍很大，現(xiàn)場(chǎng)可隨時(shí)變值，使其滿足生產(chǎn)工況。采用新型均整板調(diào)節(jié)保護(hù)裝置后，均整板調(diào)節(jié)方便且調(diào)節(jié)工時(shí)大幅減少，可靠性提高，均整板上部液壓系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)可靠的調(diào)節(jié)保護(hù)功能。

3.4 提高均整板拆裝靈活性

在新型均整板的基礎(chǔ)上，將其對(duì)應(yīng)殼體支撐結(jié)構(gòu)的連接方式變?yōu)榭刹鹦兜穆菟ㄟB接方式。在實(shí)際工況需拆卸均整板部件時(shí)，其對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)也可拆卸，使下殼體原包絡(luò)均整板部的位置變成平整板結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一批新的襯板組，安裝在原包絡(luò)均整板部的殼體位置，并在殼體上開襯板孔，用以安裝襯板，防止此工況下物料對(duì)殼體板材的沖擊。在使用均整板時(shí)，設(shè)計(jì)堵頭將襯板孔堵死，起到密封作用。裝配均整板和卸下均整板后的結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖15。

圖15 裝配均整板和卸下均整板后的結(jié)構(gòu)對(duì)比

改造后，均整板殼體支撐結(jié)構(gòu)可靈活拆裝，使均整板部件在需要時(shí)可以裝上，充分發(fā)揮其作用；不需要時(shí)，均整板與支撐結(jié)構(gòu)可一并拆下，安裝新的襯板組，對(duì)殼體進(jìn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多用”。

3.5 重新設(shè)計(jì)改進(jìn)殼體結(jié)構(gòu)

新設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)由上殼體前部、上殼體后部、下殼體部、襯板組（殼體內(nèi)部）等部分組成（見圖16）。相對(duì)于第一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體結(jié)構(gòu)，新一代殼體結(jié)構(gòu)增加了上殼體后部和下殼體部之間的剖分面，在上殼體后部?jī)蓚?cè)、上殼體前部物料沖擊嚴(yán)重部位、檢修翻蓋時(shí)受力位置，重新設(shè)計(jì)和布置了筋板。每個(gè)殼體的側(cè)部和端部采用螺栓連接（見圖17），取代了第一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體的焊接結(jié)構(gòu)。根據(jù)殼體所支撐部件的結(jié)構(gòu)變化，對(duì)整個(gè)殼體其余結(jié)構(gòu)也做了相應(yīng)的適應(yīng)性調(diào)整。

圖16 新一代中碎反擊式破碎機(jī)的殼體結(jié)構(gòu)

圖17 新一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體的側(cè)殼體和端殼體

改進(jìn)后，運(yùn)輸可拆解的最小殼體部件體積減小，甚至可以零散拆解發(fā)貨，運(yùn)輸容重比小，能夠適應(yīng)狹小空間內(nèi)殼體的運(yùn)輸安裝等。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況和檢修時(shí)的受力部位，尤其是受沖擊部位，重新設(shè)計(jì)了筋板，有效增加了殼體強(qiáng)度，防止殼體變形。改進(jìn)后的新一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體結(jié)構(gòu)，相對(duì)于第一代機(jī)型殼體結(jié)構(gòu)，重量和體積變化不大。

4 新一代TKPFM 型中碎反擊式破碎機(jī)的實(shí)際應(yīng)用

新一代TKPFM型中碎反擊式破碎機(jī)成品結(jié)構(gòu)如圖18 所示。目前，新一代TKPFM型中碎反擊式破碎機(jī)已在吉林亞泰水泥、中聯(lián)水泥、天瑞水泥等多家水泥生產(chǎn)企業(yè)中得到應(yīng)用。在相同工況下，新一代中碎反擊式破碎機(jī)的物料通過量和產(chǎn)品級(jí)配等性能指標(biāo)均能滿足生產(chǎn)要求，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高，結(jié)構(gòu)不變形、無損壞。實(shí)際應(yīng)用效果如下：

圖18 新一代中碎反擊式破碎機(jī)成品結(jié)構(gòu)

（1）新一代中碎反擊式破碎機(jī)出料粒型針片度比例實(shí)驗(yàn)如圖19 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新一代中碎反擊式破碎機(jī)相對(duì)于第一代中碎反擊式破碎機(jī)，產(chǎn)品的針片度含量平均降低3.6%以下，達(dá)到了GB/T 14685-2022《建設(shè)用卵石、碎石》中關(guān)于針、片狀顆粒含量（見表1）的第一類標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品粒型均整度提高。

表1 GB/T 14685-2022《建筑用卵石、碎石》針、片狀顆粒含量規(guī)定

圖19 出料粒型針片度比例實(shí)驗(yàn)

（2）第一代中碎反擊式破碎機(jī)殼體易變形部位，在新一代中碎反擊式破碎機(jī)中沒有發(fā)生變形，殼體強(qiáng)度升級(jí)。

（3）當(dāng)均整板通過鐵器等難破碎異物時(shí)，液壓保護(hù)系統(tǒng)能及時(shí)彈出，保護(hù)均整板結(jié)構(gòu)，均整板安全可靠性提高，損壞率降低。

（4）對(duì)兩道反擊板和一道均整板，不論是進(jìn)行間隙調(diào)節(jié)，還是進(jìn)行耐磨件磨損補(bǔ)償維修，其操作過程大為簡(jiǎn)化，停機(jī)檢修時(shí)間由3～7h縮短至1h，且用工量由平均5人下降到2～3人，生產(chǎn)連續(xù)性提高，維護(hù)成本降低。

（5）當(dāng)物料易碎，需減少反擊工段數(shù)時(shí)，可以拆掉均整板，同時(shí)將支撐件換為襯板組件，保證在下殼體不受損壞的前提下，物料不過粉碎，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多用”的功能。

（6）殼體可拆卸，最小件體積大幅減小，對(duì)于安裝運(yùn)輸空間狹小的場(chǎng)合（豎井平硐以及地下施工空間等），施工及運(yùn)輸適應(yīng)性提高，成本降低。

相對(duì)于第一代中碎反擊式破碎機(jī)機(jī)型，新一代TKPFM 型中碎反擊式破碎機(jī)性能優(yōu)良、自動(dòng)化水平較高、運(yùn)輸施工適應(yīng)性較強(qiáng)，可適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)裝備的高要求，滿足機(jī)制砂骨料市場(chǎng)的需求，發(fā)展前景廣闊。