顎式破碎機結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

陳峰 溫海生

摘?要：復(fù)擺顎式破碎機的技術(shù)性能，主要受結(jié)構(gòu)參數(shù)及主參數(shù)的影響。由于在設(shè)計中影響參數(shù)的因素較多，精確計算的難度較高。因此，在設(shè)計破碎機參數(shù)時，可根據(jù)其性能要求，采用經(jīng)驗公式計算。在本文中，筆者從參數(shù)設(shè)計和機架模態(tài)分析兩個方面探討了顎式破碎機的結(jié)構(gòu)改造與設(shè)計。

關(guān)鍵詞：顎式破碎機;結(jié)構(gòu)改造;設(shè)計;研究

在中等石料破碎中，常用的破碎設(shè)備為復(fù)擺顎式破碎機，由于該種類型的破碎機價格低、結(jié)構(gòu)簡單，且易于操作，成為生產(chǎn)和應(yīng)用最為廣泛的破碎機類型[1]。顎式破碎機的性能，受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較大，本文對復(fù)擺顎式破碎機的結(jié)構(gòu)參數(shù)及主參數(shù)進行計算，進而優(yōu)化破碎機的結(jié)構(gòu)和性能。

1.破碎機的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

1.1?技術(shù)參數(shù)要求

顎式破碎機包括動顎、定顎和推力板等，小型PE250×400型復(fù)擺顎式破碎機的技術(shù)參數(shù)要求，詳見表1。

表1??250×400型復(fù)擺顎式破碎機技術(shù)參數(shù)表

進料口尺寸

（250×400）mm

出料口尺寸

20～40mm

進料塊最大尺寸

210mm

產(chǎn)量

7.5㎡·h

物料最大抗壓強度

MPa

1.2破碎機的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計分析

（1）嚙角α。定顎與動顎之間的夾角稱之為嚙角，主要受物料粒度大小、形狀和性質(zhì)等影響，對破碎機的生產(chǎn)效率、破碎腔敢賭均有直接性影響[2]。如嚙角較小，可提升生產(chǎn)率，在如果破碎比一定，則會增加破碎腔的高度。如嚙角過大，雖然破碎腔高度降低，但進料口的物料無法被顎齒板夾住，生產(chǎn)率無法保證。在物料被夾持時，x、y兩個方向分力之和為0，計算公式為：

Tanα=2f/（1-f2）

其中，f表示動顎齒板與物料之間的摩擦系數(shù)，f為0.3。在實際的生產(chǎn)中，該角度值一般取理論值的65%，因此破碎機的嚙角α為22°。

（2）動顎水平形成Sx。破碎機動顎的水平行程，對生產(chǎn)效率也具有一定的影響。一般而言，行程小則效率低，行程大則生產(chǎn)效率高。但如果排料口水平行程過大，物料可能堆積在排料口，損壞過載保護部件[3]。動顎水平行程的計算公式為：

Sx≤（0.3～0.4）bmin

Sx-0.054B

其中，bmin表示排料口的最小尺寸;B表示進料口的寬度，單位mm。根據(jù)該破碎機的技術(shù)參數(shù)，得到B為250mm，Sx為13.5mm。

（3）偏心距e。破碎機的傳動功率和生產(chǎn)率，均受偏心距的影響。在設(shè)計破碎機時，應(yīng)將其作為一個重要的參數(shù)，適當增加偏心距，可提高其生產(chǎn)效率。不過也會增加功率消耗[4]。因此，在水平行程一定情況下，可減小偏心距。偏心距的大小，根據(jù)動顎行程決定，經(jīng)驗計算公式如下：

e=Sx/2.2

將上文中計算得到的Sx值代入，得到e值為6.1mm。

1.3?主參數(shù)設(shè)計

（1）最大破碎力。最大破碎力的確定，存在兩種方法：第一，按照破碎機的結(jié)構(gòu)接功率，推導(dǎo)出理論計算公式;第二，按照實驗及實際數(shù)據(jù)，獲取經(jīng)驗計算公式[5]。由于多種因素的影響，理論值與實際值之間往往差距較大，因此多用經(jīng)驗理論公式來計算，最大破碎力的計算公式如下：

Fmax=εBHBK/20

其中，εB表示物料抗壓強度，單位MPa;K表示物料充填系數(shù);H表示破碎腔有效高度，單位mm。經(jīng)計算得到Fmax為756000kN。

（2）主軸轉(zhuǎn)速。顎式破碎機傳動件偏心軸為主軸，為其主要的性能參數(shù)之一。因此，主軸的參數(shù)對生產(chǎn)效率、過粉碎產(chǎn)品含量與比功耗等均有重要的影響。轉(zhuǎn)速的計算公式為：

n=665tanα/Sx

經(jīng)計算，得到偏心軸轉(zhuǎn)速n為114r/min。

（3）電動機功率。電動機功率由動力源與工作條件兩個因素決定，復(fù)擺顎式破碎機的電動機功率，與動顎水平行程、偏心距、規(guī)格、偏心軸專屬和物料特性等，均具有一定的相關(guān)性。所以，破碎電動機功率的計算公式為：

P=0.114LDmax

其中，L表示進料口長度，單位mm;Dmax表示最大給料粒度，單位mm。經(jīng)計算得出P=9.765kW。

2.機架的模態(tài)分析

2.1?三維建模

Solidwords軟件的三維建模與虛擬裝配功能強大，在建模時，通過旋轉(zhuǎn)、切割和拉伸，以及參數(shù)化建模方法，對破碎機的各個零件行三維實體建模，并采用虛擬方法裝配。

2.2?網(wǎng)格劃分

將破碎機機架三維實體模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYSWorkbench中，并設(shè)置各參數(shù)，然后進行網(wǎng)格劃分。按照不裝配體的不同位置、尺寸，調(diào)整網(wǎng)格尺寸，共得到21808個單元和55742個結(jié)點。

2.3?約束及求解

對破碎機機架進行固定支承約束，模擬工作下的狀態(tài)。由于四自由模態(tài)分析，無需添加外荷載，因此工作轉(zhuǎn)速低，在設(shè)置求解器時，進提取前6階模態(tài)即可。

2.4?模態(tài)計算結(jié)果

破碎機各階的頻率依次為：1階：175.9Hz;2階，248Hz;3階，317.5Hz;4階，378.3Hz;5階，405.3Hz;6階;443.2Hz。模態(tài)計算公式為：

f=3.14ndnr/60L

經(jīng)計算，得到f為2.6Hz。由此可知，驅(qū)動電動機、皮帶轉(zhuǎn)動及驅(qū)動傳動造成的激勵頻率低于機架最低固有頻率，不會產(chǎn)生機架共振現(xiàn)象。

3.結(jié)語

本文根據(jù)顎式破碎機的技術(shù)參數(shù)要求，利用計算公式，主要是經(jīng)驗計算公式，設(shè)計并計算出復(fù)擺顎式破碎機的嚙角α、偏心距和動顎水平行程等結(jié)構(gòu)參數(shù)，主軸轉(zhuǎn)速、電動機功率、生產(chǎn)率和最大破碎力等主參數(shù)，并探討了機架的模態(tài)分析結(jié)果，完成了對破碎機結(jié)構(gòu)的改造及設(shè)計。

參考文獻：

[1]羅紅萍.復(fù)擺顎式破碎機顎板失效分析及材料選擇[J].礦山機械，2012，5：62-65.

[2]褚志明.復(fù)擺顎式破碎機的動顎行程計算[J].機械工程與自動化，2010，11：153-154.

[3]王軍峰，孫康，陳鋒.PE250×400型復(fù)擺顎式破碎機的參數(shù)設(shè)計[J].礦山機械，2012，10：73-74.

[4]肖永山，劉少軍，宋福民.基于有限元方法的貼片整機模態(tài)研究[J].機械設(shè)計與研究，2010，12：103-106.

經(jīng)計算，得到偏心軸轉(zhuǎn)速n為114r/min。

（3）電動機功率。電動機功率由動力源與工作條件兩個因素決定，復(fù)擺顎式破碎機的電動機功率，與動顎水平行程、偏心距、規(guī)格、偏心軸專屬和物料特性等，均具有一定的相關(guān)性。所以，破碎電動機功率的計算公式為：

P=0.114LDmax

其中，L表示進料口長度，單位mm;Dmax表示最大給料粒度，單位mm。經(jīng)計算得出P=9.765kW。

2.機架的模態(tài)分析

2.1?三維建模

Solidwords軟件的三維建模與虛擬裝配功能強大，在建模時，通過旋轉(zhuǎn)、切割和拉伸，以及參數(shù)化建模方法，對破碎機的各個零件行三維實體建模，并采用虛擬方法裝配。

2.2?網(wǎng)格劃分

將破碎機機架三維實體模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYSWorkbench中，并設(shè)置各參數(shù)，然后進行網(wǎng)格劃分。按照不裝配體的不同位置、尺寸，調(diào)整網(wǎng)格尺寸，共得到21808個單元和55742個結(jié)點。

2.3?約束及求解

對破碎機機架進行固定支承約束，模擬工作下的狀態(tài)。由于四自由模態(tài)分析，無需添加外荷載，因此工作轉(zhuǎn)速低，在設(shè)置求解器時，進提取前6階模態(tài)即可。

2.4?模態(tài)計算結(jié)果

破碎機各階的頻率依次為：1階：175.9Hz;2階，248Hz;3階，317.5Hz;4階，378.3Hz;5階，405.3Hz;6階;443.2Hz。模態(tài)計算公式為：

f=3.14ndnr/60L

經(jīng)計算，得到f為2.6Hz。由此可知，驅(qū)動電動機、皮帶轉(zhuǎn)動及驅(qū)動傳動造成的激勵頻率低于機架最低固有頻率，不會產(chǎn)生機架共振現(xiàn)象。

3.結(jié)語

本文根據(jù)顎式破碎機的技術(shù)參數(shù)要求，利用計算公式，主要是經(jīng)驗計算公式，設(shè)計并計算出復(fù)擺顎式破碎機的嚙角α、偏心距和動顎水平行程等結(jié)構(gòu)參數(shù)，主軸轉(zhuǎn)速、電動機功率、生產(chǎn)率和最大破碎力等主參數(shù)，并探討了機架的模態(tài)分析結(jié)果，完成了對破碎機結(jié)構(gòu)的改造及設(shè)計。

參考文獻：

[1]羅紅萍.復(fù)擺顎式破碎機顎板失效分析及材料選擇[J].礦山機械，2012，5：62-65.

[2]褚志明.復(fù)擺顎式破碎機的動顎行程計算[J].機械工程與自動化，2010，11：153-154.

[3]王軍峰，孫康，陳鋒.PE250×400型復(fù)擺顎式破碎機的參數(shù)設(shè)計[J].礦山機械，2012，10：73-74.

[4]肖永山，劉少軍，宋福民.基于有限元方法的貼片整機模態(tài)研究[J].機械設(shè)計與研究，2010，12：103-106.