基于傳統(tǒng)的玻璃破碎機(jī)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

李 雄，姜秋來，申龍章

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

玻璃作為人類現(xiàn)代生活中的常用的一種材料，被大量的使用在建筑、裝修、日用、醫(yī)療、化學(xué)、電子、儀表、核工程等的各個(gè)領(lǐng)域。為了進(jìn)一步使玻璃獲得一些新的特性，通常在玻璃中添加一些釹、鐠、鉺、鈰、鉛等稀土元素，從廢玻璃中重新再次提取的成本很低，所需的技術(shù)門檻并不高。從廢玻璃中提取的稀土元素仍可以將其作為玻璃或其他用途的一種原料[1-2]。隨著社會對玻璃制品的需求日益增長，廢玻璃的產(chǎn)生量逐年增加。

基于環(huán)境保護(hù)的需求，所以將廢玻璃破碎并回收，就變得尤為重要[3]。市面上傳統(tǒng)的玻璃破碎機(jī)有很多種，通?？煞譃閺?fù)合式破碎機(jī)和錘式破碎機(jī)兩種，其體積大不易移動并且價(jià)格昂貴，在破碎時(shí)會產(chǎn)生大量的碎玻璃飛濺，顆粒大小不易控制，也容易產(chǎn)生長條狀的碎玻璃，廢玻璃的破碎效率不高。為了改變這一缺點(diǎn)，對現(xiàn)有的玻璃破碎機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，決定采用多齒錯位齒輥?zhàn)鳛槠扑闄C(jī)的主要破碎結(jié)構(gòu)[4-5]。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比具有更高的效率、安全性。對減少玻璃的二次破碎，有效的節(jié)約資源和更高的利用資源，對提高生產(chǎn)率、保護(hù)環(huán)境和降低成本有一定的積極意義[6]。

1 多齒錯位齒輥破碎機(jī)機(jī)理

玻璃是一種非晶無機(jī)非金屬材料，其主要成分是硅酸鹽復(fù)鹽，是一種無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)的固體。其具有四大特性：各向同性、無固定熔點(diǎn)、玻璃的物理和化學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化而連續(xù)變化[7]。普通玻璃的抗壓強(qiáng)度較高，超過一般天然的石材和金屬，其強(qiáng)度為600～1 200 MPa。其抗壓強(qiáng)度值會隨著化學(xué)組成的不同而變化。常溫下的玻璃具有很好的彈性。常溫下其玻璃的彈性模量為60 000～75 000 MPa約為鋼材的1/3，和鋁的彈性模量較為接近[8-10]。其他的玻璃加入一些特別的元素可以有其他的良好的性能。根據(jù)玻璃的這些特性，改進(jìn)設(shè)計(jì)了玻璃破碎的結(jié)構(gòu)。

玻璃破碎機(jī)理：破碎機(jī)兩根平行的輥，均勻分布著厚度相同，相互交錯的一定數(shù)量的齒環(huán)，通過電動機(jī)對兩根平行齒輥進(jìn)行傳動，輥轉(zhuǎn)動將玻璃卷入其中，通過施加擠壓力、剪切力的作用對物料進(jìn)行破碎。

多齒錯位齒輥破碎機(jī)的主要工作部件是兩根平行對稱的輥上的破碎齒，通過相互擠壓，施加剪切力使玻璃進(jìn)行破碎。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

多齒錯位齒輥破碎機(jī)對玻璃破碎的階段可以分為三個(gè)階段。

第一階段，我們將要破碎的玻璃投入破碎機(jī)送料口中，遇到旋轉(zhuǎn)的齒輥，在齒的作用下，將其卷入兩輥中，對它進(jìn)行沖擊剪切作用，然后進(jìn)行撕拉作用。如果玻璃能被輥齒順利咬入，則進(jìn)入第2階段，否則碎成大塊玻璃，仍然處于第一階段，靠齒輥的旋轉(zhuǎn)作用，迫使物料翻轉(zhuǎn)，將其咬入輥中，等待下一對齒的繼續(xù)作用；第二階段，從玻璃被齒輥成功咬入開始，這一階段兩齒接觸面積發(fā)生變化，一個(gè)齒與上下左右之間進(jìn)行擠壓剪切，因此粒度大的物料被強(qiáng)行擠壓剪碎，破碎后的物料在輥旋轉(zhuǎn)的作用下被帶出，從齒間隙漏下；第三階段，破碎的玻璃在齒間漏下，被下方的集料桶收集。到這里就多齒錯位齒輥破碎機(jī)，齒輥上一對齒輪一次工作的全過程。齒輥上有多少對齒，每周的齒輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動就進(jìn)行了多少次的破碎過程，至此，往復(fù)以往的工作。

圖1 齒輥結(jié)構(gòu)示意圖

也就是說，傳統(tǒng)的破碎機(jī)利用一對或幾對輥齒對玻璃進(jìn)行擠壓剪切破碎。并且這些輥輪在軸上的安裝大都是并齊地排列在軸上，也就是它們的安裝鍵都在同一個(gè)空間角度上。大多破后的物料，以產(chǎn)生長條形的，要進(jìn)行二次破碎。這種傳統(tǒng)的破碎機(jī)它的破碎效果并不是很好，而且其破碎效率不高。

在此次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中，對傳統(tǒng)的玻璃破碎機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化改進(jìn)。首先，對其安裝輥齒的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，就是把齒輥安裝按照螺旋結(jié)構(gòu)的布局，也就是連接鍵的角度按一定的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，把第一個(gè)連接鍵設(shè)置為0°，剩下的依次設(shè)置為30°、60°、90°、120°、150°、180°。依此輪回。其次，另一個(gè)齒輥則從30°開始安裝，與第一齒輥在裝在機(jī)架上時(shí)，形成交錯的嚙合狀態(tài)。這樣的設(shè)計(jì)不僅能改善傳統(tǒng)的玻璃破碎機(jī)的破碎狀態(tài)，而且能時(shí)玻璃更細(xì)小的破碎，減少長條狀的玻璃碎片產(chǎn)生。更好的改善破碎性能，提高破碎機(jī)的工作效率。

2 多齒錯位齒輥破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)多齒錯位齒輥破碎機(jī)破碎特點(diǎn)，并針對廢玻璃回收利用粉末顆粒的要求，設(shè)計(jì)的多齒錯位齒輥破碎機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)基于常見的雙輥式破碎機(jī)和雙齒輥破碎機(jī)改進(jìn)而來，類似于多對并排齒輪嚙合的狀態(tài)，但中間嚙合不像齒輪那樣不同的齒之間會緊密接觸，兩者之間存在合理且適當(dāng)?shù)拈g隙，具有雙輥式破碎機(jī)的特點(diǎn)：以擠壓的方式破碎物料，適用于破碎具有片狀節(jié)理的軟質(zhì)和低硬度的脆性材料；具有一定的研磨作用；能耗小，產(chǎn)品接近方形，大小類似。也具有雙齒輥破碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：外形尺寸緊湊，體積不大；齒輥式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)使得所有的破碎力都被包含在機(jī)架內(nèi)部，設(shè)備的震動較小，不易飛濺，運(yùn)行較為平穩(wěn)；在破碎物料時(shí)遇見物料中大快的原料或難以破碎的物料時(shí)，可自行倒退，避免機(jī)器的損壞；生產(chǎn)效率高，操作費(fèi)用低；破壞比大，不挑物料，對破碎的物料無特殊要求；節(jié)約成本，與其他的類型的破碎機(jī)中相比，破碎同樣粒度的產(chǎn)品時(shí)，雙輥破碎機(jī)的尺寸更小，質(zhì)量更輕，破碎機(jī)的生產(chǎn)成本更低。

圖2 多齒錯位齒輥破碎機(jī)1.齒輥移動架 2，5.齒輪 3.可移動齒輥 4.固定齒輥 6.電動機(jī) 7.小帶輪 9.大帶輪 8，10.傳動齒輪 11.機(jī)架

針對玻璃破碎特性所設(shè)計(jì)的多齒錯位齒輥破碎機(jī)(見圖3)具有下列優(yōu)勢：破碎機(jī)的破碎率高，破碎后的顆粒大小均勻，有效的減少飛濺，有良好的顆粒形狀成品的保證。破碎的齒形來自于對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，減少齒數(shù)，增大了齒形，降低了滾齒的磨損率，延長了破碎機(jī)的壽命。破碎機(jī)的架構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，備件易更換，降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。多齒錯位齒輥對玻璃進(jìn)行破碎，不用進(jìn)行二次破碎，提高了破碎效率。齒盤側(cè)面上帶有鍵，齒盤與軸也有鍵槽，保證在安裝后，兩齒盤不會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，齒盤與軸不會相對運(yùn)動。保證了裝配精度。

圖3 多齒錯位齒輥破碎機(jī)

破碎機(jī)重要組成部分主要由以下六個(gè)部分組成：電動機(jī)、破碎機(jī)機(jī)架、齒輥、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、進(jìn)料傳送帶、出料傳送帶。電動機(jī)作為總動力輸入裝置，為多齒錯位齒輥破碎機(jī)提供破碎的動力，其性能的優(yōu)劣直接影響破碎機(jī)的工作能力。故在選擇時(shí)，一般選取過載系數(shù)較大的電動機(jī)，在電動機(jī)憋死停機(jī)時(shí)，不易燒壞。電動機(jī)動力主要通過三角膠帶輪傳遞給輪轂，驅(qū)動中間的小齒輪，帶動主動齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動，再從主動齒輥軸的另一端的一對齒輪將動力傳給動齒輪，從而形成了兩錯位齒輥的相對嚙合運(yùn)動，將進(jìn)給的物料進(jìn)行破碎。破碎機(jī)機(jī)架主要由主體座架、各個(gè)軸承座、彈簧和拉緊螺栓組成。主體一般情況下是用鑄鐵鑄造而成的，價(jià)格較為便宜。齒輥一般采用高耐磨錳鋼，具有較好耐磨性，和較高的性價(jià)比。調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)破碎輥有固定輥和移動輥，移動輥通過彈簧和螺釘調(diào)節(jié)輥縫寬度，以此來調(diào)節(jié)出料顆粒大小。也可以承擔(dān)保護(hù)機(jī)構(gòu)的作用，當(dāng)破碎機(jī)內(nèi)進(jìn)入大塊物料時(shí)，從移動輥可通過移動架上的壓縮彈簧，在電動機(jī)的作用下，兩輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使其后移，擴(kuò)大兩齒輥間的距離而排出大塊物料，防止堵塞機(jī)構(gòu)，造成破碎機(jī)損壞。

3 結(jié) 語

針對目前傳統(tǒng)的玻璃破碎機(jī)存在的一些問題，通過對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了一系列的探究，對玻璃破碎機(jī)進(jìn)行了有效的改進(jìn)，通過模擬實(shí)踐證明，一定程度上解決了存在的問題，達(dá)到了快速破碎和降低成本的效果，具有很好的實(shí)用價(jià)值。為此后破碎機(jī)結(jié)構(gòu)的研究提供了些許的經(jīng)驗(yàn)。