圓錐破碎機(jī)生產(chǎn)能力優(yōu)化研究

王建輝，王 蒙，柴雪平

（包鋼（集團(tuán)）公司白云鄂博鐵礦，內(nèi)蒙古 包頭 014080）

引言

隨著我國工業(yè)化、城市化步伐的加快，大型機(jī)械設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，不僅有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，而且增加了經(jīng)濟(jì)效益。目前圓錐破碎機(jī)多被應(yīng)用于冶金工業(yè)的生產(chǎn)過程中，其主要作用在于粉碎散體物料，對于冶金工業(yè)的發(fā)展具有重要作用。我國使用的圓錐破碎機(jī)設(shè)備多為從國外進(jìn)口或者仿制設(shè)備，因此其體型較大，實(shí)際生產(chǎn)過程中耗能嚴(yán)重，同時產(chǎn)出的粉粒物料缺乏規(guī)范性，因此對其工作機(jī)理及生產(chǎn)能力進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 圓錐破碎機(jī)的工作原理

圓錐破碎機(jī)的類型繁多，根據(jù)其設(shè)計(jì)制造形式可將其劃分為懸掛式圓錐破碎機(jī)、托軸式圓錐破碎機(jī)以及振動式圓錐破碎機(jī)。根據(jù)破碎機(jī)加工物料的情況又可劃分為粗碎及中細(xì)碎兩大類型。部分圓錐破碎機(jī)用于粗料的加工處理，因?yàn)榧庸の锪蠅K較大，所以設(shè)備的進(jìn)料口要求較為寬大，被稱作旋回破碎機(jī)。其動錐和定錐分別為正置和倒置。被用于細(xì)料加工處理的圓錐破碎機(jī)也就是常規(guī)破碎機(jī)。其加工物料通過粗布粉碎處理，對進(jìn)料口尺寸無較大的要求，但是對卸料口具有一定的要求，需要在原有基礎(chǔ)上合理處理卸料口，這樣才能提高生產(chǎn)水平。其定錐及動錐均為正置。

常規(guī)圓周破碎機(jī)的主要組成部分包括機(jī)架、動錐、軸承、偏心軸等相關(guān)構(gòu)件，其主要工作原理為：通過定錐和動錐所產(chǎn)生的圓錐破在破碎機(jī)運(yùn)行的過程中，電動機(jī)發(fā)電驅(qū)動水平軸呈旋轉(zhuǎn)趨勢，并促進(jìn)偏心軸持續(xù)運(yùn)動，進(jìn)而使動錐作圓錐形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[1]。在具體運(yùn)動時，動錐可能會持續(xù)的接近定錐或者遠(yuǎn)離定錐，進(jìn)而使圓錐破內(nèi)腔中物料受到?jīng)_擊和擠壓因素的影響，發(fā)生破碎。之后經(jīng)由傳動設(shè)備將完成破碎后的物料傳送到破碎腔中，向下將其排出。在這一過程中，圓錐破偏心軸能夠促進(jìn)動錐下方的下腔套持續(xù)運(yùn)動，但是固定于主軸上的上腔則會隨下腔的運(yùn)動而不斷運(yùn)動，進(jìn)而促進(jìn)主軸的運(yùn)動，主軸發(fā)生轉(zhuǎn)動也會促進(jìn)偏心套進(jìn)行轉(zhuǎn)動。在這一過程中動錐不僅能夠進(jìn)行自傳運(yùn)動，同時也會圍繞破碎機(jī)的中線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。運(yùn)動產(chǎn)生的球面中心便是圓錐破碎機(jī)中線同破碎錐軸線的相交點(diǎn)，并且圓錐破碎機(jī)中線同破碎錐軸線形成夾角便是進(jìn)動角，表明動錐運(yùn)動能夠作為定點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，也就是破碎腔中的物料被軋臼壁持續(xù)擠壓發(fā)生破碎[2]。

2 圓周破碎機(jī)生產(chǎn)能力的主要影響因素

通過研究以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)歸納可知，對圓周破碎機(jī)生產(chǎn)能力造成影響的因素較多，常見的因素主要為進(jìn)動角、動錐轉(zhuǎn)速、形狀、物料的強(qiáng)度、物理特性、出料的情況等。同時不同型號以及不同生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的圓錐破碎機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能方面也存在明顯的不同。同時不同設(shè)備的參數(shù)也存在明顯的不同。因此這也是不同型號、參數(shù)范圍圓錐破碎機(jī)生產(chǎn)能力及影響不同的主要原因。如國產(chǎn)型號為PYB900的圓錐破碎機(jī)，其進(jìn)動角的角度范圍在1°～2°之間，但是在實(shí)際工作過程中，如果角度設(shè)置較大或者角度設(shè)置較小均會對整體設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量及效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。

3 圓錐破碎機(jī)生產(chǎn)能力優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建立實(shí)體仿真模型

圓周破碎機(jī)的實(shí)體仿真模型主要為物料模型、動、定錐模型。結(jié)合設(shè)備動錐、定錐和物料運(yùn)動的受力情況和工作原理，本文使用Ansys Workbench軟件對上述幾種模型進(jìn)行構(gòu)建，需要使用該軟件匯總的相關(guān)模塊，如顯式動力模塊及優(yōu)化模塊等。通過對上述幾個仿真模型的建立和優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)對圓錐破碎機(jī)整體幾何模型結(jié)構(gòu)的簡化，同時有助于大幅提升模型的性能以及仿真模型運(yùn)輸效果，避免仿真模型在實(shí)際運(yùn)算時發(fā)生錯誤問題。

本文選擇國產(chǎn)PYB900型號圓錐破碎機(jī)為研究對象，其破碎錐底角和圓錐破進(jìn)動角分別為40°和2°。第一步需要建立物料的仿真模型，對圓錐破碎機(jī)來說，物料十分重要，為了后續(xù)研究和計(jì)算的便利，本次研究使用形狀規(guī)則的物料，通過軟件建立三維立體模型。其次需要進(jìn)行動錐仿真模型的建立，對圓錐破碎機(jī)來說，動錐是十分重要的構(gòu)件，也是其運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，因此也需要使用Ansys Workbench進(jìn)行仿真模型的建立，同時也可以使用一些其他軟件完成這一步驟，例如Matlab軟件等。最后，可以使用三維建模法進(jìn)行定錐仿真模型的建立。完成上述操作之后，將模型導(dǎo)入到Ansys Workbench平臺中，通過不同的函數(shù)模塊對其進(jìn)行分別分析，保證模型建立的穩(wěn)定性和有效性[4]。

3.2 優(yōu)化模型參數(shù)仿真設(shè)計(jì)

通過數(shù)十年的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今我國圓錐破碎機(jī)各個構(gòu)件參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的體系已經(jīng)趨于規(guī)范和完善，該體系涵蓋了設(shè)備的進(jìn)動角、動錐底角以及偏心距等全部參數(shù)，為未來圓錐破碎機(jī)的優(yōu)化、完善、發(fā)展及設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)，具有非常高的使用價值。結(jié)合圓周破碎機(jī)生產(chǎn)能力的主要影響因素分析可知，如果想要對其模型參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，則需要全面分析影響因素，對相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，例如破碎錐底角、進(jìn)動角以及破碎錐偏心套轉(zhuǎn)速等，并將相關(guān)參數(shù)的邊界值作為主要的限制條件，例如破碎機(jī)破碎錐的底角范圍需要保持在40°～50°，同時需要對偏心套旋轉(zhuǎn)和擺動的速度范圍進(jìn)行合理控制，把持在200～700 r/min之間。除此之外，需要以定量間距變化原理為基礎(chǔ)，對破碎錐底角、進(jìn)動角以及其他相關(guān)參數(shù)分別取其他值，之后在不同設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響下，對各個參數(shù)變化的程度、范圍進(jìn)行分析，研究其對圓錐破碎機(jī)生產(chǎn)性能造成的主要影響[5]。工作人員需要合理使用Ansys Workbench軟件，實(shí)現(xiàn)對國產(chǎn)圓錐破碎機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化處理后，各項(xiàng)參數(shù)值都呈增大的趨勢。同時也需要將這些參數(shù)作為主要的輸入?yún)?shù)，將其輸入到優(yōu)化函數(shù)中，將生產(chǎn)率作為主要的目標(biāo)函數(shù)輸入?yún)?shù)，同時也可以作為優(yōu)化函數(shù)的輸出值，根據(jù)上述特點(diǎn)，本次研究通過二次規(guī)劃算法計(jì)算完成優(yōu)化后圓錐破碎機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)率。根據(jù)研究結(jié)果可知，相較于優(yōu)化前，圓錐破碎機(jī)的生產(chǎn)率得到了顯著的提升，表明對其采取有效的優(yōu)化措施有助于提高其生產(chǎn)水平。

4 結(jié)語

通過實(shí)踐研究和分析可知，對圓錐破碎機(jī)生產(chǎn)能力造成影響的因素繁多，因此需要技術(shù)人員全面了解其工作原理，并掌握建模方法，對其仿真模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以有效改善其生產(chǎn)能力。圓錐破碎機(jī)是工業(yè)化生產(chǎn)中不可或缺的機(jī)械設(shè)備，對其生產(chǎn)能力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于推動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。