對輥破碎機(jī)輥輪面磨損分析

韋文舉

（柳州泰坦宇翔鋼圈有限公司，廣西 柳州 545007）

對輥機(jī)主要由輥輪、輥輪支撐軸承、壓緊彈簧、支架等組成，其兩個(gè)輥輪分別由電動機(jī)經(jīng)皮帶傳動而產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，物料從進(jìn)料口通過輥輪，經(jīng)碾壓而破碎，破碎后的成品從支架底下面排出。如圖1所示，為對輥機(jī)的工作簡圖。

由圖1可知，對輥機(jī)一個(gè)輥輪支撐軸承座自由度全部被約束而固定不動，另一個(gè)則只有部分被約束，水平方向沒有被約束，可水平移動，且左邊連接有壓緊彈簧，保證兩輥輪接觸相對運(yùn)動。礦粒通過輥輪時(shí)，迫于彈簧和輥輪旋轉(zhuǎn)所給的力而被破碎。為了能夠進(jìn)一步了解礦粒的破碎過程，充分理解對輥破碎機(jī)破碎原理，我們來看一下礦粒通過輥輪時(shí)的受力情況。

圖1

由于礦粒形狀各異，大小不一，接觸表面更是凹凸不平，其接觸點(diǎn)受力方向難以確定。為此我們將假設(shè)一個(gè)形狀規(guī)則，接觸表面平整，具有代表性的礦粒對它進(jìn)行受力分析。

簡化后的礦粒形狀如圖2所示，為了讓讀者能夠更好的理解礦粒通過輥輪時(shí)的受力情況，我們故意將礦粒形狀大小夸張地放大數(shù)倍，而將對輥輪夸張地縮小數(shù)倍。我們假設(shè)該礦粒為剛體，受力不發(fā)生塑性變形。當(dāng)對輥輪靜止不轉(zhuǎn)動時(shí)，礦粒受到重力G的作用，在重力作用下，礦粒分別受到兩對輥輪支撐力F支的作用；當(dāng)輥輪在電動機(jī)作用下轉(zhuǎn)動時(shí)，兩輥輪分別給礦粒一個(gè)斜向下的力F切，該力F切作用點(diǎn)為輥輪圓弧表面與礦粒面接觸點(diǎn)，作用方向與圓弧相切，且與礦粒面平行，如圖2（b）所示。礦粒的質(zhì)量一般都比較小，受到的重力自然而然也小，支撐力F支也就比較小了，所以作用給礦粒的破碎壓力，即水平分力F分大都由力F切所承擔(dān)。當(dāng)輥輪還在AB上行走時(shí)，破碎力F分為F切的一個(gè)水平分力；當(dāng)輥輪在BC上行走時(shí)，輥輪對礦粒的力F切方向垂直下，這時(shí)破碎力F分等于壓緊彈簧作用在輥輪上的力。

通過上面分析可知，當(dāng)AB斜面傾斜度越大，也就是β角越大，F(xiàn)切的分力F分越大，破碎效果越好。然而，在工程實(shí)際中，礦粒形狀卻沒有這么規(guī)則，受力方向瞬息萬變，但是無論如何變化，破碎力F分方向始終如一，且足夠大，才能達(dá)到破碎礦石的效果。

圖2

對輥機(jī)輥輪轉(zhuǎn)動能夠給礦粒作用力，是因?yàn)榻佑|面不是絕對光滑面，存在摩擦。礦粒對輥面的損壞主要表現(xiàn)為三種形式：（1）削式，礦粒形狀大小不一，存在銳邊菱角，通過輥輪時(shí)對輥面產(chǎn)生高應(yīng)力沖擊，鑿削輥輪表面，出現(xiàn)溝槽和壓痕；（2）高應(yīng)力碾壓式，對輥輪碾壓礦粒，使礦粒壓漬碾碎，輥面產(chǎn)生塑性變形或剝落而形成凹槽和凹坑；（3）低應(yīng)力擦傷式，礦粒硬度高，應(yīng)力低，礦粒未壓漬，兩對輥輪在兩臺電動機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，由于兩輥輪兩端軸承阻尼(軸承上的潤滑脂受污染，變質(zhì)程度不一樣，阻尼也不一樣)和電機(jī)性能不完全一樣，以致兩滾輪產(chǎn)生相對滑動，輥面出現(xiàn)擦傷或切削痕跡，因此，在安裝兩對輥輪時(shí)，應(yīng)留有一定的間隙，這樣在沒有礦料通過輥輪的情況下，可減少輥輪之間相互刮傷而加劇磨損。

如此看來，對輥機(jī)輥輪面在長時(shí)間工作后磨損是不可避免的，理論上，輥輪兩端一小段距離幾乎沒有磨損，磨損基本上集中在輥輪中間表面上，并基本均勻的往兩邊擴(kuò)散，擴(kuò)散一段距離后，呈一弧線回輥輪兩端。然而，實(shí)際最大的磨損量不在輥輪中間，而是偏向輥輪一個(gè)端面，甚至出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的最大磨損量，并呈弧線往兩邊不均勻擴(kuò)散。如此，便讓一些顆粒比較小的礦粒不經(jīng)輾壓就能通過輥輪最大磨損量處，影響破碎效果。同時(shí)，輥輪面局部磨損大，檢維修時(shí)，對輥輪表面磨平切削量大，減少了輥輪使用壽命，耗費(fèi)大量地人力、物力、財(cái)力。

出現(xiàn)局部最大磨損量主要有兩個(gè)原因，其一是對輥機(jī)工作時(shí)，給礦不均勻，局部得礦比較多，當(dāng)然磨損量也就比較大了；其二是作用于其中一個(gè)輥輪的兩個(gè)壓緊彈簧參數(shù)發(fā)生變化。由給礦不均引起的局部最大磨損，通過調(diào)節(jié)可以避免，這里就不細(xì)加分析了。接下來我們主要分析一下當(dāng)壓緊彈簧參數(shù)發(fā)生變化時(shí)對輥輪磨損產(chǎn)生的影響。

如圖3所示，為對輥破碎機(jī)簡化圖，電動機(jī)6由皮帶輪4帶動對輥輪5轉(zhuǎn)動，軸承座3放置在機(jī)架上，受力可水平移動。前面我們分析了礦粒受到輥輪的作用力而破碎，根據(jù)牛頓第三定律，力的作用是相互的，輥輪給礦粒一個(gè)作用力，礦粒同樣給輥輪一個(gè)反作用力，由于礦粒大小不一，形狀各異不規(guī)則，再加上礦粒通過輥輪的速度快，受力時(shí)間極短，因此，我們可認(rèn)為礦粒給輥輪的反作用力為單位脈沖力δ(t)，即：

礦粒給輥輪的反作用力大小是單位脈沖力的數(shù)倍，即為n·δ(t)。

圖3 對輥機(jī)簡化圖

為了便于分析計(jì)算，我們將壓緊彈簧受力情況簡化為圖4所示 。已知壓緊彈簧剛度為k，沒有受外力作用的自由長度為H0，預(yù)壓變形量為λ0，在不計(jì)阻尼情況下，可求出壓緊彈簧受單位脈沖力作用后變形規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)牛頓定律，列出運(yùn)動微分方程為：

圖4 壓緊彈簧受力圖

已知y(t)，z(t)的幅值分別為，λ0，角頻率那么 的角頻率也為：x(t)

簡諧運(yùn)動角頻率越大，周期就越短，換句話說就是質(zhì)量m回到初始位置所需要用的時(shí)間越短。由上述可知，當(dāng)質(zhì)量m一定，彈簧剛度k越大，角頻率ω也就越大。對輥機(jī)兩個(gè)壓緊彈簧作用于同一個(gè)輥輪，若一個(gè)壓緊彈簧剛度k大于另一個(gè)，那么在受到相等沖擊力作用后，產(chǎn)生運(yùn)動，剛度大的一邊很快能夠回到初始位置，繼續(xù)與礦粒接觸摩擦。也可以這么理解，當(dāng)受到礦粒沖擊后，彈簧剛度大的一邊“避讓”能力弱，受礦粒鑿削、擦傷得厲害，磨損嚴(yán)重；而彈簧剛度小的一邊“避讓”能力強(qiáng)，受到礦粒鑿削、擦傷得較輕，磨損也就少一些。

當(dāng)然了，對輥機(jī)壓緊彈簧在裝配時(shí)要預(yù)壓一段距離λ0，預(yù)壓力Fλ=k·λ0，只有當(dāng)?shù)V粒給輥輪的沖擊力大于預(yù)壓力Fλ時(shí)，輥輪才會產(chǎn)生水平運(yùn)動。由此也可以看到，壓緊彈簧量越大，即預(yù)壓力越大，“避讓”能力也就越弱，這樣，當(dāng)硬度較大且不宜一次性破碎的礦粒通過對輥輪時(shí)，對輥輪的損傷很大，且產(chǎn)生的機(jī)械振動也會很大。所以對輥機(jī)壓緊彈簧預(yù)壓不能太大，但也不能太小，太小影響破碎效果，適中即可。若預(yù)壓量λ0相同，兩壓緊彈簧預(yù)壓力F不相同，“避讓”能力也不相同，輥輪兩邊磨損量也就不相同了。

實(shí)際上，輥機(jī)輥輪受力運(yùn)動，是存在阻尼的，主要是摩擦阻力，阻尼消耗能量，這就是輥輪受力產(chǎn)生位移后能夠最終停留在初始位置的原因。