金屬廢料拆解破碎機關(guān)鍵部件的分析與設(shè)計

郭斯勇

（寧波市生產(chǎn)力促進中心，浙江寧波 315040）

0 引言

我國自然資源嚴(yán)重不足，處理加工進口含銅、鋁等有色金屬廢料已經(jīng)成為我國再生資源的重要來源之一。據(jù)商務(wù)部發(fā)布的有關(guān)數(shù)據(jù)，2011年中國進口有色廢金屬達738 萬 t，2012 年為 745 萬 t［1］，近年來年均進口有色金屬廢料約750萬t，其中含銅廢料500萬t左右，含廢鋁料250萬t左右。所以金屬廢料拆解成套設(shè)備研發(fā)成為一個重要課題。由于國內(nèi)一直以手工拆解為主，最近才開始出現(xiàn)廢電池、廢輪胎、廢變壓器等拆解設(shè)備，但這些拆解機械設(shè)備是基于傳統(tǒng)的粉碎設(shè)備研發(fā)而來，局限性明顯。本文通過分析各類破碎機械的特點，著重對金屬廢料拆解主要設(shè)備——破碎機的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和選用材料進行優(yōu)化，提出一個完整而且易于實現(xiàn)的方案。

1 破碎機工作原理和適用物料分析

物料的物理性質(zhì)決定著破碎方式的選用，就基本工作原理而言大致可分為鄂式、輥式、反擊式破碎機，其他各種破碎機都不外乎此三類的派生形式［2］，不同的破碎方式適用相應(yīng)物理性質(zhì)的物料。

1）鄂式破碎機。其破碎原理是通過一對相對傾斜一定角度的壓板，做相對擠壓運動而使物料破碎。其適用干燥、脆性、脆硬性物料，但對軟性、塑性物料無法使用。由于該機破碎壓板通常間距較大，往往破碎后的物料粒度較大，均勻度較差，一般用在礦石等大塊、脆性、脆硬性物料的粗破碎，為進一步粉碎工序提供適合粒度的物料。

2）輥式破碎機。輥式破碎機一般分為單輥、對輥和多輥破碎機，其破碎原理主要是通過破碎輥與輥之間、輥與襯板之間的擠壓、搓揉和輥齒的剪切而使物料破碎的方式。所以適用于機械強度不高的脆性物料和塑性不強的一些物料。

3）反擊式破碎機。其破碎原理是通過高速飛轉(zhuǎn)的打擊錘打擊物料，物料在受到?jīng)_擊后與機體內(nèi)襯板發(fā)生撞擊、反彈，再次受到打擊錘打擊，這樣物料受到多次沖擊，出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)松動導(dǎo)致破碎。故其適用干燥、脆性、脆硬性物料，而且由于受機體結(jié)構(gòu)限制，不能用于大塊物料的破碎。

通過對上述三種破碎機工作原理的分析可以看出：反擊式破碎是使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)松動、內(nèi)部結(jié)合力降低達到破碎目的，輥式破碎主要是擠壓、搓揉和剪切而破碎物料，鄂式通過擠壓運動破碎物料。由于物料破碎過程中物料之間、物料與機件間做著復(fù)雜的相對運動，各種形式的破碎都是多種力對物料組合作用的結(jié)果。

2 總體思路

1）破碎機設(shè)計破碎對象物料的性質(zhì)分析。本文研究拆解破碎的主要對象為廢舊小電機、小變壓器、電機的轉(zhuǎn)子、定子、閥門等含銅較高的回收廢品，它與礦石等組成單一的物料完全不同，要拆解它們就必須破壞其內(nèi)部的機械聯(lián)接力、機件物料內(nèi)部分子結(jié)合力，使其內(nèi)部機件之間結(jié)構(gòu)松散開來、機件物料內(nèi)部結(jié)合力消除，從而達到破碎的目的。由于機件基本上都是金屬材料制成，各種機件的脆性、硬度、韌性、機械強度等機械性能差異較大，所以要綜合運用多種破碎原理才能實現(xiàn)。

2）設(shè)計思路。通過分析國內(nèi)大多使用的鄂式、輥式、反擊破碎機工作原理和物料破碎復(fù)雜的機理，本文提出了采用以反擊式破碎為基礎(chǔ)結(jié)合輥式碾壓破碎的工作模式，將轉(zhuǎn)子和內(nèi)部設(shè)計成單輥反擊破碎式結(jié)構(gòu)。通過對轉(zhuǎn)子、刀具（打擊錘）、襯板和下料網(wǎng)進行有針對性地設(shè)計，使設(shè)備對物料具有錘擊、碾壓和剪切綜合破碎功能，選擇高強、高硬、耐磨材料，有針對性地設(shè)計材料加工、熱處理工藝以滿足各種特殊要求。

3 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計

普通反擊式破碎機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通常由主軸、緊套在主軸上的刀架和破碎錘組成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)子抗沖擊能力差，當(dāng)進給破碎的物料不均勻或軟硬不一時，瞬時承受極高的載荷，會發(fā)生主軸彎曲失效、甚至斷裂，刀架和錘頭也易碎裂。因此，若是用在廢金屬拆解破碎則容易發(fā)生故障或安全事故。

1）主軸。主軸的結(jié)構(gòu)是由轉(zhuǎn)子刀架結(jié)構(gòu)決定的，其要求是達到足夠的強度、剛度即可，其設(shè)計要求沒有特別之處。

2）轉(zhuǎn)子刀架總成。轉(zhuǎn)子刀架總成由轉(zhuǎn)子刀架、刀具（打擊錘）固定壓板、護板、螺桿聯(lián)接件等組成。轉(zhuǎn)子刀架通常設(shè)計成由鑄鐵整體鑄造，但在此則設(shè)計成分體焊接件。由兩個轉(zhuǎn)子通過螺桿聯(lián)接成一個轉(zhuǎn)子刀架，轉(zhuǎn)子可根據(jù)破碎物料的不同選用4～6刀（錘）結(jié)構(gòu)，每個轉(zhuǎn)子刀架設(shè)4～6個刀具（打擊錘）槽和定位凸臺（如圖1）。

轉(zhuǎn)子刀架選用Q235A鋼焊接而成，焊接前必須預(yù)熱110～130℃，焊接時采用雙面X型大坡口埋弧堆積焊，確保焊件不變形、焊縫均勻達Ⅰ級焊縫質(zhì)量，焊件必須進行調(diào)質(zhì)處理，確保徹底消除內(nèi)應(yīng)力。這樣設(shè)計制造的轉(zhuǎn)子刀架在抗拉強度、硬度、抗沖擊等機械性能都達到預(yù)計的結(jié)果，同時避免了鑄造缺陷對機械性能的影響。

3）刀具（打擊錘）。刀具設(shè)計成長方體，刀（錘）體設(shè)有安裝定位槽，呈對稱分布，在使用時有一條棱刃迎向物料，對物料進行錘擊和剪切，當(dāng)此棱刃磨損后，只需更換刀片方向即可繼續(xù)使用，4條棱刃均可互換使用，所以總壽命可成倍延長。

刀體（打擊錘）采用高錳鋼ZGMn-13鑄造而成，經(jīng)過水韌處理，其碳化物大都溶入奧氏體中，形成固溶強化奧氏體及碳化物彌散分布，只有極少量呈網(wǎng)狀、斷續(xù)分布在晶界處（如圖2）。刀片到達性能Rm=775 MPa，Ae=28%，αK=147 J/cm，硬度為252HB。在使用過程中由于高錳鋼的瞬時硬化特性，在較大沖擊或較大接觸應(yīng)力的作用下，高錳鋼板表層產(chǎn)生加工硬化，表面硬度由200HB迅速提升到500HB以上，從而產(chǎn)生高耐磨的表面層，而鋼板內(nèi)層奧氏體仍保持良好的沖擊韌性，為此刀體的抗沖擊性和其耐磨性也大幅提高［3-4］，使用壽命達到 1600 h 以上。

圖1 四刀轉(zhuǎn)子刀架

圖2 刀體熱處理后的金相圖

4 內(nèi)襯板和下料網(wǎng)設(shè)計

下料網(wǎng)和內(nèi)襯板都是破碎機的重要零件，對物料起輔助破碎和粒度分選作用，有利于提高破碎效率［5］。

1）內(nèi)襯板。為了提高內(nèi)襯板的輔助破碎效果和便于安裝，內(nèi)襯板設(shè)計成條塊狀，分為厚度40 mm和60 mm二種，在不同部位使用，板的兩側(cè)設(shè)計成階梯形，安裝時，后一塊襯板壓住前一塊襯板，但階梯之間形成高度差，使其棱邊成為棱刃，以利于物料的破碎。

2）下料網(wǎng)。機體內(nèi)下料網(wǎng)設(shè)計成片狀，網(wǎng)孔為長形，開孔方向為向下擴大，防止物料阻塞以利于下料，每個網(wǎng)片的邊沿設(shè)計成半個下料孔，在相鄰兩片拼裝后形成一個完整的下料孔。下料孔口均為棱邊形成的棱刃，可起到輔助剪切破碎作用。

3）材料要求。內(nèi)襯板和下料網(wǎng)均要求耐磨性好、硬度高，故可采用進口耐磨板。以瑞典進口HARDOX400耐磨板為例，經(jīng)熱處理后，其主要性能指標(biāo)：硬度370～430HB，屈服強度Re=1000 MPa，抗拉強度Rm=1250 MPa，延伸率A5=10%（20 mm厚度鋼板典型值）。也可選用國產(chǎn)NM400耐磨板或Mn13。

5 樣機試用

運用上述設(shè)計的產(chǎn)品，經(jīng)過一年多的試用各項技術(shù)指標(biāo)均達到較為理想的結(jié)果，關(guān)鍵零部件各項性能達到預(yù)計使用指標(biāo)，表1是樣機試用結(jié)果參數(shù)。

表1 用戶以拆解廢電機為例

6 結(jié)論

運用前述的設(shè)計方案，以破碎對象物料的物理性能為依據(jù)，設(shè)計相對應(yīng)的破碎機械零部件結(jié)構(gòu)，并選用合適的材料，通過適合的加工制造和熱處理工藝，使材料的性能得到充分的發(fā)揮，不但可以大幅提高物料的破碎效率，還可以有效地提高機械設(shè)備的使用壽命。

［1］中國商務(wù)部流通業(yè)發(fā)展司.2012年再生資源行業(yè)分析報告［R］.2013：3.

［2］王加強.選煤用齒輥式破碎機的應(yīng)用與現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代企業(yè)教育，2009（12）：139.

［3］付英，熊其興，李志華.改性錳鋼錘頭的研制［J］.鑄造設(shè)備研究，2003（2）：29.

［4］毛靜波.破碎機錘頭耐磨材料的研制與選擇［J］.鑄造工程，2012（2）：6.

［5］肖新武，孫建興.反擊型固定錘頭錘式破碎機的設(shè)計要點［J］.磚瓦，2010（10）：18.