一種新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014010

鐵礦資源作為我國(guó)重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要保障。雖然我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，但總體呈現(xiàn)“貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)[1]。隨著我國(guó)鐵礦業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)破碎機(jī)的生產(chǎn)效率以及對(duì)生產(chǎn)所需鐵礦品質(zhì)的要求逐漸提高，導(dǎo)致選礦成本居高不下。在選礦生產(chǎn)中，破碎機(jī)械占有重要地位。復(fù)擺顎式破碎機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，在選礦破碎作業(yè)中得以大范圍應(yīng)用，但存在生產(chǎn)能力低等不足，為此研制了一種高效的新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)。

1 復(fù)擺顎式破碎機(jī)工作原理

復(fù)擺顎式破碎機(jī)主要用于礦石的粗碎，破碎腔由定顎板和動(dòng)顎板組成，動(dòng)顎上端直接懸掛在偏心軸上，下端用鉸接的方式與肘板相連，偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)動(dòng)顎作周期性的連續(xù)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)[2]。當(dāng)動(dòng)顎向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)顎板與定顎板間夾角變小，此時(shí)礦物受擠壓、彎曲、搓磨等多重作用，達(dá)到破碎礦物的目的[3]；當(dāng)其向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)顎遠(yuǎn)離定顎，動(dòng)顎板與定顎板間夾角變大，動(dòng)顎板在拉桿彈簧的作用下離開(kāi)定顎板，此時(shí)粒度變小的礦物在重力和動(dòng)顎的推動(dòng)作用下從排料口排出。復(fù)擺顎式破碎機(jī)可簡(jiǎn)化為四連桿機(jī)構(gòu)，偏心軸為曲柄，曲柄回轉(zhuǎn)一周僅破碎一次，當(dāng)曲柄回轉(zhuǎn)到一定范圍，設(shè)備處于排料狀態(tài)時(shí)不進(jìn)行破碎，此時(shí)處于非工作行程，但仍消耗能量。

2 雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)以倒置四連桿機(jī)構(gòu)的形式居多，其工作原理如圖 1 所示。該機(jī)運(yùn)用倒置四連桿機(jī)構(gòu)[4]，中間動(dòng)顎簡(jiǎn)化為連桿，連桿與搖桿、搖桿與機(jī)架均為鉸接，倒置四連桿機(jī)構(gòu)中偏心軸相當(dāng)于曲柄置于搖桿的下方。破碎機(jī)有 2 個(gè)破碎腔，即破碎機(jī)中間布置動(dòng)顎，兩側(cè)為定顎，破碎腔對(duì)稱分布，破碎機(jī)可在雙工作行程狀態(tài)下運(yùn)行[5]。當(dāng)曲柄在一定角度范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)，破碎腔Ⅰ進(jìn)行物料破碎，破碎腔Ⅱ進(jìn)行排料；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)出該角度范圍時(shí)，破碎腔Ⅱ進(jìn)行破碎，破碎腔Ⅰ進(jìn)行排料，如此往復(fù)循環(huán)。

圖1 雙腔顎式破碎機(jī)工作原理Fig.1 Working principle of double-cavity jaw crusher

這種結(jié)構(gòu)形式的破碎機(jī)不存在空行程，破碎機(jī)的處理能力提高約 1 倍。此類破碎機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，在生產(chǎn)能力相當(dāng)?shù)那闆r下，外形尺寸比普通的復(fù)擺顎式破碎機(jī)更小，質(zhì)量更輕。該機(jī)型嚙角小，生產(chǎn)效率高，作為深腔型破碎機(jī)，其破碎比更大，產(chǎn)品粒度更加均勻。但是這種雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)的布置對(duì)動(dòng)顎的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接形式提出了更高的要求；并且當(dāng)設(shè)備損壞時(shí)不易維修，更換肘板也極為不便；當(dāng)飛輪儲(chǔ)存動(dòng)顎空行程時(shí)的能量再用以工作行程時(shí)，導(dǎo)致能量密度輸入不足。

3 新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

(1)可調(diào)節(jié)出料口大小，避免肘板磨損造成出料口變大，保證產(chǎn)品粒度要求。

(2)具有過(guò)載保護(hù)功能，當(dāng)不易破碎的礦石進(jìn)入破碎腔后，為避免設(shè)備零部件損壞，應(yīng)裝有過(guò)載保護(hù)裝置。

(3)礦石有多種受力狀態(tài)，以提高破碎效率。

(4)機(jī)構(gòu)受力合理，不產(chǎn)生偏載。

(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，易于維修。

3.2 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖 2 所示，該新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)主要由液壓缸、連桿、導(dǎo)輪、機(jī)架、動(dòng)顎、定顎等部件組成。同樣將單腔破碎機(jī)改進(jìn)為左右對(duì)稱的雙腔顎式破碎機(jī)，即在傳統(tǒng)顎式破碎機(jī)活動(dòng)顎板的另一側(cè)增加一個(gè)定顎板，與動(dòng)顎板再形成一個(gè)破碎腔。同時(shí)采用了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液壓馬達(dá)輸出軸帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)拉桿帶動(dòng)導(dǎo)輪在導(dǎo)輪槽上滾動(dòng)，動(dòng)顎在導(dǎo)輪的往復(fù)滾動(dòng)下左右擺動(dòng)。由于動(dòng)顎下端同時(shí)受到搖桿的約束，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)輪向左滾動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)左腔礦石的擠壓、搓磨和彎曲作用，此時(shí)右腔料塊在重力的作用下向下移動(dòng)，占據(jù)新的位置，當(dāng)料塊尺寸小于破碎腔出料口時(shí)離開(kāi)破碎腔。右腔排料時(shí)左腔進(jìn)料破碎，左腔排料時(shí)右腔進(jìn)料破碎，如此重復(fù)循環(huán)作業(yè)。調(diào)整座內(nèi)加裝液壓缸，利用液壓裝置來(lái)調(diào)整定顎架在機(jī)體的位置，從而調(diào)整動(dòng)顎板與定顎板之間的距離，實(shí)現(xiàn)未破碎礦石從排料口排出，同時(shí)還可作為破碎機(jī)的過(guò)載保護(hù)裝置。

圖2 新型雙腔顎式破碎機(jī)工作原理Fig.2 Working principle of new-type double-cavity jaw crusher

當(dāng)普通顎式破碎機(jī)飛輪儲(chǔ)存的空行程時(shí)的能量再用以工作行程時(shí)，可導(dǎo)致能量密度輸入不足。而本設(shè)計(jì)不設(shè)置飛輪和帶輪結(jié)構(gòu)，由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且能量輸入密度增加，能源效率提高；拉桿、搖桿置于機(jī)體兩側(cè)，便于維修；保險(xiǎn)裝置采用液壓系統(tǒng)，較肘板折斷的方式操作起來(lái)更加方便，省時(shí)省力。

新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)的三維結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。液壓馬達(dá)輸出軸與傳動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，傳動(dòng)軸兩側(cè)安裝有軸承，傳動(dòng)軸上安裝一偏心輪，偏心輪通過(guò)軸承與連桿連接。傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心輪偏心旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)連桿一端運(yùn)動(dòng)，連桿的另一端與心軸產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)體的前后壁分別設(shè)置導(dǎo)輪槽，導(dǎo)輪置于導(dǎo)輪槽內(nèi)，導(dǎo)輪與置于機(jī)體內(nèi)的雙面動(dòng)顎體通過(guò)心軸連接并支撐。雙面動(dòng)顎體的兩側(cè)動(dòng)顎板通過(guò)楔塊分別固定在動(dòng)顎體的兩面，雙面動(dòng)顎板的下端與機(jī)架上的搖桿相連接。定顎體一端通過(guò)長(zhǎng)銷軸與機(jī)體固定，另一端通過(guò)拉桿螺栓和壓縮彈簧與機(jī)體固定，利用楔塊將定顎板固定在定顎架上。機(jī)體下端設(shè)有調(diào)整裝置，肘板墊通過(guò)螺栓緊固于調(diào)整座和定顎上，肘板鉸接于調(diào)整座與定顎之間，調(diào)整座水平焊接在機(jī)架上，調(diào)整座內(nèi)裝有柱塞缸，破碎機(jī)排料口的間隙靠柱塞前后移動(dòng)，通過(guò)肘板使定顎前后擺動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)。柱塞缸除了具有調(diào)整排料口的間隙作用外，當(dāng)破碎腔內(nèi)進(jìn)入了堅(jiān)硬的不易破碎物，破碎力猛增的情況下液壓油頂開(kāi)溢流閥，迅速排油使定顎后退，還起到保險(xiǎn)作用，避免設(shè)備損壞。壓縮彈簧用來(lái)保證定顎和破碎機(jī)架的緊密連接。雙面動(dòng)顎體與定顎架之間上部設(shè)有加料口，下部設(shè)置出料口，機(jī)架下部左右底板支撐機(jī)體，中部位置空出方便出料。

圖3 新型顎式破碎機(jī)三維結(jié)構(gòu)Fig.3 3D structure of new-type jaw crusher

液壓馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心輪帶動(dòng)連桿一端回轉(zhuǎn)，連桿另一端受到導(dǎo)輪槽的約束作用做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，連桿帶動(dòng)導(dǎo)輪在導(dǎo)輪槽上往復(fù)滾動(dòng)，從而帶動(dòng)雙面動(dòng)顎體上部做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。雙面動(dòng)顎體下部受到位于機(jī)架上搖桿的約束，圍繞搖桿另一端做定軸擺動(dòng)，從而使動(dòng)顎產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦石的擠壓、搓磨及彎曲作用。

3.3 軌跡分析

新型雙腔顎式破碎機(jī)動(dòng)顎兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 4所示，圖中導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)到O1、O2位置分別為動(dòng)顎靠近左右腔定顎的極限位置。圖中A點(diǎn)靠近給料口，C點(diǎn)為動(dòng)顎的中點(diǎn)，E點(diǎn)靠近排料口。從圖中可以看出，雙腔顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性為周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)顎板上越靠近給料口處，運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率半徑越大，即水平行程大，垂直行程?。辉娇拷帕峡谔?，運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率半徑越小，即水平行程小，垂直行程大。依據(jù)破碎物料的角度分析，要求動(dòng)顎在給料口處的水平行程大，在排料口處的水平行程小，這種理想的動(dòng)顎運(yùn)動(dòng)軌跡，使破碎機(jī)具有較優(yōu)的運(yùn)動(dòng)特性。

圖4 動(dòng)顎運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Motion trajectory of movable jaw

3.4 性能及特點(diǎn)

該新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)具有以下性能及特點(diǎn)。

(1)設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)緊湊 采用連桿帶動(dòng)導(dǎo)輪在導(dǎo)輪槽滾動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)動(dòng)顎運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)輪在導(dǎo)輪槽內(nèi)滾動(dòng)相比滑動(dòng)摩擦力更小，導(dǎo)輪不易磨損，延長(zhǎng)了零部件的使用壽命。

(2)獨(dú)特的調(diào)整方式 在肘板與機(jī)體之間通過(guò)液壓裝置來(lái)調(diào)整定顎在機(jī)架上的位置，從而可改變排料口尺寸，達(dá)到破碎所需要的粒度。

(3)有過(guò)載保護(hù)，安全性能高 當(dāng)?shù)V物過(guò)硬不易破碎時(shí)，破碎力急劇增大，液壓油頂開(kāi)溢流閥迅速排油使定顎后退，起到保險(xiǎn)作用，避免設(shè)備損壞。并且 2 個(gè)破碎腔分別有各自的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，互不干擾。

(4)不存在空行程，生產(chǎn)能力大幅提高 采用雙腔結(jié)構(gòu)，一腔進(jìn)行進(jìn)料破碎作業(yè)，另一腔進(jìn)行出料作業(yè)，提高了破碎效率，生產(chǎn)能力大幅提高。

(5)礦石受力合理 當(dāng)?shù)V石在左腔被破碎時(shí)受到動(dòng)顎的壓力逐漸增大，當(dāng)增大到一定程度后被破碎，此時(shí)動(dòng)顎上端向左水平移動(dòng)，下端受到搖桿的擺動(dòng)約束向右上移動(dòng)，動(dòng)顎下端對(duì)礦物的作用力減小。

4 結(jié)語(yǔ)

此新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)具有 2 個(gè)破碎腔，突破了傳統(tǒng)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，采用動(dòng)顎上端水平運(yùn)動(dòng)、下端繞搖桿擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。與傳統(tǒng)的復(fù)擺顎式破碎機(jī)相比，新型雙腔復(fù)擺顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有更高的破碎成品率，降低了運(yùn)行能耗，且生產(chǎn)能力大幅提升，具有良好的綜合性能和廣闊的應(yīng)用前景。