新一代中碎反擊式破碎機設計優(yōu)化與應用

王平，李洪雙，田松閣，張喆，劉曉偉

1 前言

近十幾年來，機制砂骨料市場需求旺盛，產(chǎn)能逐年遞增，許多水泥企業(yè)利用自身優(yōu)勢，全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展機制砂骨料生產(chǎn)，在建、已建機制砂骨料生產(chǎn)線數(shù)量較多，大力促進了機制砂骨料行業(yè)的發(fā)展。

骨料生產(chǎn)最主要的工藝裝備為破碎機，中硬巖類礦物作為骨料生產(chǎn)用量最大的原料，最適宜使用的破碎機為沖擊式破碎機。目前，沖擊式破碎機主要有錘式和反擊式兩種機型，反擊式破碎機相對于錘式破碎機，破碎堅硬石灰石等材料的能力更強，出料粒型更好，且粒度可調(diào)節(jié)性強，更加適用于粒型和粒度可調(diào)節(jié)性要求高的骨料生產(chǎn)。按照工段的不同、進出料粒度的不同，中硬巖類反擊式破碎機又可以分為單段式、中碎式、細碎式三種，本文主要介紹中碎反擊式破碎機。

天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司（以下簡稱“天津水泥院”）于2011 年開發(fā)了第一代中碎反擊式破碎機，物料通過量、產(chǎn)品粒度級配均可滿足工況要求，但存在出料粒型針片度較高，反擊板、均整板等調(diào)節(jié)不便，均整板保護裝置保護效果差、均整板不可拆卸、殼體結構有缺陷等問題。近兩年來，天津水泥院對第一代中碎反擊式破碎機進行了改造，設計開發(fā)了新一代TKPFM 型中碎反擊式破碎機，解決了上述問題，提高了設備適應性和可靠性。

2 第一代中碎反擊式破碎機的工作原理及存在的問題

2.1 第一代中碎反擊式破碎機的工作原理

中碎反擊式破碎機是水泥、砂石骨料及其他非金屬礦業(yè)領域非常重要和常用的一種破碎機，一般在粗碎作業(yè)后使用，作用是將粒徑＜500mm 的脆性巖石破碎到出料粒度＜30mm，以滿足成品粒度和生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量要求。

第一代中碎反擊式破碎機由轉子、兩道反擊板、均整板、殼體等部分組成，其結構和實物照片見圖1，工作原理示意見圖2。如圖1、圖2所示，物料進入破碎機后，經(jīng)轉子打擊并拋向反擊板部，隨后反彈回來，經(jīng)轉子和其他物料的再次打擊，再次拋向反擊板部。如此反復粉碎至物料減小到既定粒度，最后被轉子帶入均整板部。均整板部是破碎機的重要組成部件之一，其作用是將物料進行最后一次破碎成型，達到要求的出料粒度并整形，使物料粒度、粒型皆滿足要求。

圖1 第一代中碎反擊式破碎機結構及實物照片

圖2 第一代中碎反擊式破碎機工作原理示意

2.2 第一代中碎反擊式破碎機存在的問題

2.2.1 均整板和物料接觸表面形式過于平滑

第一代中碎反擊式破碎機均整板部結構如圖3所示。均整板和物料接觸表面形式過于平滑，物料沒有經(jīng)過充分地反復摩擦和翻滾破碎，出料粒型針片度較高，平均＜8%。

圖3 第一代中碎反擊式破碎機均整板部結構

2.2.2 反擊板調(diào)節(jié)保護裝置調(diào)節(jié)不方便

第一代中碎反擊式破碎機反擊板調(diào)節(jié)保護裝置結構如圖4所示，兩道反擊板的調(diào)節(jié)保護裝置作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是使反擊板在通過難破碎異物時能夠回彈避讓，從而保護反擊板結構不被破壞；二是調(diào)節(jié)反擊板的位置，使反擊板出料口和轉子之間的距離隨之改變，以調(diào)節(jié)出料粒度的大小或補償耐磨件的磨損。

圖4 第一代中碎反擊式破碎機反擊板調(diào)節(jié)保護裝置結構

第一代中碎反擊式破碎機反擊板調(diào)節(jié)保護裝置的調(diào)節(jié)方式為機械式，依靠兩側的螺桿進行螺紋調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式速度極慢，如遇螺桿微變形、螺紋磨損、機架微變形、雜質粘堵在螺紋處等情況，所需的調(diào)節(jié)力非常大，有時甚至無法調(diào)節(jié)，給現(xiàn)場維護造成了很大的困難，不僅增加了維護成本，而且降低了生產(chǎn)效率。

2.2.3 均整板調(diào)節(jié)保護裝置可靠性較低

均整板的調(diào)節(jié)保護裝置結構與反擊板一致，其調(diào)節(jié)方式也是機械式，通過彈簧調(diào)節(jié)。如遇難破碎異物，調(diào)節(jié)保護裝置頂在均整板主體結構原位置的彈簧自動壓縮，使均整板部回彈，出料口變大，異物通過，結構受力瞬間降低，保護均整板不被損壞。但因設計時缺少精準算法，很難精確計算出破碎過程中所需的生產(chǎn)力和通過異物時的施加力，難以保證正常工況下，均整板部不會回彈，破碎正常進行；同時，在異物通過時，均整板部能夠回彈，起到保護作用。利用目前的算法計算出的結果，與實際情況往往相差很大。如果彈簧選型過大，則保護裝置保護能力受限；選型過小，則無法保證破碎機正常運行。彈簧的預壓力隨彈簧高度的改變作線性變化，而現(xiàn)場調(diào)節(jié)的彈簧預壓力往往不精準。

第一代中碎反擊式破碎機均整板僅下部設有調(diào)節(jié)保護裝置，上部完全固定，導致異物到達均整板上部時，結構易損壞。同時，由于均整板上部無法進行大范圍的間距調(diào)節(jié)，導致破碎機出料粒度調(diào)控能力減弱，上下耐磨件磨損不均勻，利用率不高。

2.2.4 均整板不可拆卸

在一些工況下，破碎機工段越多，破碎效果越好，成品物料越細，但遇易碎物料時，工段多則可能會造成過粉碎情況，不符合成品物料粒度要求，此時需要減少破碎工段。第一代中碎反擊式破碎機為“兩道反擊板”+“一道均整板”三道破碎工段，當物料出現(xiàn)過粉碎情況，即便將各破碎工段間隙調(diào)得較大，提高物料粉碎粒度效果也不佳，此時需拆掉均整板，將三道破碎工段變?yōu)閮傻榔扑楣ざ?。但均整板拆下后，對應的下殼體后部因沒有襯板保護，將遭受原料的持續(xù)打擊和沖刷，產(chǎn)生變形和磨蝕，不利于產(chǎn)品粒度調(diào)節(jié)，實際生產(chǎn)時均整板不可拆卸。

2.2.5 殼體筋板及各部分剖分面布置不當

破碎機殼體受力復雜，其作用是支撐其他工作部件，密閉破碎空間，使破碎機整機和外界結構相連。第一代中碎反擊式破碎機由于殼體筋板布置不當，導致殼體長期使用易出現(xiàn)變形，對設備安全和維護造成影響。殼體各部分剖分面設置不當、側邊部分和端部部分采用焊接結構，造成運輸時可拆解的最小殼體部件體積大、容重比大，運輸成本高，在狹小地域運輸和安裝時空間受限制。第一代中碎反擊式破碎機殼體剖分面和筋板布置見圖5，殼體結構見圖6。

圖5 第一代中碎反擊式破碎機殼體剖分面和筋板布置

圖6 新一代中碎反擊式破碎機殼體結構

3 新一代TKPFM型中碎反擊式破碎機的設計優(yōu)化

3.1 重新設計改進均整板主體結構

新設計的均整板主體部分由均整板架、齒條、承擊板、上滑軌、上支軸、下滑軌、杠桿、下支軸、銷軸、上液壓缸鉸軸、下液壓缸鉸軸等組成（見圖7）。均整板架為整體焊接結構，由多個橫梁、鋼板、筋板、鋼管連接，上面依次加工出承擊板襯板孔、連接銷軸孔等（見圖8）。齒條有多根，相當于原第一代中碎反擊式破碎機襯板，為整體鑄造結構，依次從橫梁推進，騎在橫梁上。承擊板用螺栓固定連接在鋼板上。

圖7 新一代中碎反擊式破碎機的均整板主體部分結構

圖8 新一代中碎反擊式破碎機的均整板架結構

第一代中碎反擊式破碎機均整板主體部分的支撐全靠上部銷軸懸掛，在滿負荷運行時可靠性不強，且下部調(diào)節(jié)時，均整板受力更大，調(diào)節(jié)不方便。而新一代中碎反擊式破碎機均整板主體部分對應的下殼體位置增加了支撐臺，使整個均整板可以通過上下滑軌直接支撐在下殼體上。改造后，均整板主體部分的調(diào)節(jié)和支撐比第一代更加方便和可靠。

新一代中碎反擊式破碎機均整板的優(yōu)點在于“襯板改齒條”，將第一代的平緩襯板結構替換為了具有牙板鋸齒狀結構的齒條組件，均整板架支撐從鋼板變?yōu)闄M梁，以連接齒條。改造后，新一代中碎反擊式破碎機均整板階梯阻礙效果比平緩襯板結構增強很多，物料在轉子的帶動下，在齒條上翻滾、研磨更加充分，最大限度均整物料，保證出料粒型（針片度）符合GB/T 14685-2022《建筑用卵石、碎石》第一類標準要求；同時，均整板上部保留承擊板結構（相當于原來的第一道襯板），經(jīng)受物料的首次沖擊，防止物料濺出破碎腔。

3.2 重新設計反擊板調(diào)節(jié)保護裝置

新一代中碎反擊式破碎機反擊板調(diào)節(jié)保護裝置由調(diào)節(jié)架、底架、懸掛螺桿組件、彈簧支撐螺桿組件、彈簧、調(diào)節(jié)液壓缸及其連接銷軸組成（見圖9）。懸掛螺桿組件包括U 型連接板、懸掛螺桿、鎖緊螺母及其防松墊片、碟簧、支撐螺母、外部壓緊螺母、護套等（見圖10）。彈簧支撐螺桿組件包括支撐螺桿、鎖緊螺母、壓帽、護套等（見圖11）。改造后，新一代中碎反擊式破碎機反擊板調(diào)節(jié)保護裝置懸掛螺桿由調(diào)節(jié)、懸掛功能變?yōu)閮H具有懸掛功能，調(diào)節(jié)功能由調(diào)節(jié)液壓缸代替。

圖10 新一代中碎反擊式破碎機懸掛螺桿組件

圖11 新一代中碎反擊式破碎機彈簧支撐螺桿組件

改造后，新一代中碎反擊式破碎機反擊板和轉子間距調(diào)小的方法如圖12 所示，先將外部壓緊螺母和護套擰至需調(diào)節(jié)的距離，抬升液壓缸，直至調(diào)節(jié)架和外部壓緊螺母接觸；再將鎖緊螺母擰出，直至和調(diào)節(jié)架接觸；最后，將液壓缸縮回到原位置。反擊板和轉子間距調(diào)大的方法如圖13 所示，先將液壓缸抬升至需調(diào)節(jié)的距離，再將鎖緊螺母擰出直到和殼體接觸，將液壓缸縮回到原位置，最后將外部壓緊螺母和護套擰緊。

圖12 反擊板和轉子間隙調(diào)小的方法

圖13 反擊轉和轉子間隙調(diào)大的方法

新一代中碎反擊式破碎機的反擊板調(diào)節(jié)保護裝置采用液壓結構取代第一代調(diào)節(jié)保護裝置結構中的機械調(diào)節(jié)方式，極大增加了調(diào)節(jié)保護裝置的調(diào)節(jié)力和調(diào)節(jié)速率，操作簡單，大幅減少了停機檢修時間，提高了生產(chǎn)效率。

3.3 重新設計均整板調(diào)節(jié)保護裝置

新設計的均整板調(diào)節(jié)保護裝置包含兩套液壓缸系統(tǒng)（每套一對液壓缸），液壓缸和均整板主體部分的上下滑軌通過銷軸相連，液壓缸中間擺軸支撐在殼體的相應鉸支板里。兩套液壓缸系統(tǒng)分別位于均整板上部和下部，液壓缸通過管路連接至液壓站，液壓缸與液壓站之間有氮氣囊，當進入異物時，氮氣囊起到反彈保護作用。新一代中碎反擊式破碎機均整板液壓調(diào)節(jié)保護裝置及其液壓系統(tǒng)見圖14。

圖14 均整板液壓調(diào)節(jié)保護裝置及其液壓系統(tǒng)示意

改進后，新一代中碎反擊式破碎機均整板調(diào)節(jié)保護裝置，將第一代均整板調(diào)節(jié)保護裝置支撐螺桿和保護彈簧等機械調(diào)節(jié)保護機構整合為純液壓結構，上部和下部的液壓系統(tǒng)均可通過伸縮液壓缸，調(diào)節(jié)均整板和轉子間距。當進入異物時，如氮氣囊壓力高于設定值，則氮氣囊打開，液壓缸回縮，均整板向后推出，異物排出，均整板壓回。氮氣囊壓力設定值的可調(diào)范圍很大，現(xiàn)場可隨時變值，使其滿足生產(chǎn)工況。采用新型均整板調(diào)節(jié)保護裝置后，均整板調(diào)節(jié)方便且調(diào)節(jié)工時大幅減少，可靠性提高，均整板上部液壓系統(tǒng)也能實現(xiàn)可靠的調(diào)節(jié)保護功能。

3.4 提高均整板拆裝靈活性

在新型均整板的基礎上，將其對應殼體支撐結構的連接方式變?yōu)榭刹鹦兜穆菟ㄟB接方式。在實際工況需拆卸均整板部件時，其對應的支撐結構也可拆卸，使下殼體原包絡均整板部的位置變成平整板結構。在此基礎上，設計一批新的襯板組，安裝在原包絡均整板部的殼體位置，并在殼體上開襯板孔，用以安裝襯板，防止此工況下物料對殼體板材的沖擊。在使用均整板時，設計堵頭將襯板孔堵死，起到密封作用。裝配均整板和卸下均整板后的結構對比見圖15。

圖15 裝配均整板和卸下均整板后的結構對比

改造后，均整板殼體支撐結構可靈活拆裝，使均整板部件在需要時可以裝上，充分發(fā)揮其作用；不需要時，均整板與支撐結構可一并拆下，安裝新的襯板組，對殼體進行保護，實現(xiàn)了“一機多用”。

3.5 重新設計改進殼體結構

新設計的殼體結構由上殼體前部、上殼體后部、下殼體部、襯板組（殼體內(nèi)部）等部分組成（見圖16）。相對于第一代中碎反擊式破碎機殼體結構，新一代殼體結構增加了上殼體后部和下殼體部之間的剖分面，在上殼體后部兩側、上殼體前部物料沖擊嚴重部位、檢修翻蓋時受力位置，重新設計和布置了筋板。每個殼體的側部和端部采用螺栓連接（見圖17），取代了第一代中碎反擊式破碎機殼體的焊接結構。根據(jù)殼體所支撐部件的結構變化，對整個殼體其余結構也做了相應的適應性調(diào)整。

圖16 新一代中碎反擊式破碎機的殼體結構

圖17 新一代中碎反擊式破碎機殼體的側殼體和端殼體

改進后，運輸可拆解的最小殼體部件體積減小，甚至可以零散拆解發(fā)貨，運輸容重比小，能夠適應狹小空間內(nèi)殼體的運輸安裝等。針對現(xiàn)場實際工況和檢修時的受力部位，尤其是受沖擊部位，重新設計了筋板，有效增加了殼體強度，防止殼體變形。改進后的新一代中碎反擊式破碎機殼體結構，相對于第一代機型殼體結構，重量和體積變化不大。

4 新一代TKPFM 型中碎反擊式破碎機的實際應用

新一代TKPFM型中碎反擊式破碎機成品結構如圖18 所示。目前，新一代TKPFM型中碎反擊式破碎機已在吉林亞泰水泥、中聯(lián)水泥、天瑞水泥等多家水泥生產(chǎn)企業(yè)中得到應用。在相同工況下，新一代中碎反擊式破碎機的物料通過量和產(chǎn)品級配等性能指標均能滿足生產(chǎn)要求，長期運轉可靠性高，結構不變形、無損壞。實際應用效果如下：

圖18 新一代中碎反擊式破碎機成品結構

（1）新一代中碎反擊式破碎機出料粒型針片度比例實驗如圖19 所示。實驗結果表明，新一代中碎反擊式破碎機相對于第一代中碎反擊式破碎機，產(chǎn)品的針片度含量平均降低3.6%以下，達到了GB/T 14685-2022《建設用卵石、碎石》中關于針、片狀顆粒含量（見表1）的第一類標準，產(chǎn)品粒型均整度提高。

表1 GB/T 14685-2022《建筑用卵石、碎石》針、片狀顆粒含量規(guī)定

圖19 出料粒型針片度比例實驗

（2）第一代中碎反擊式破碎機殼體易變形部位，在新一代中碎反擊式破碎機中沒有發(fā)生變形，殼體強度升級。

（3）當均整板通過鐵器等難破碎異物時，液壓保護系統(tǒng)能及時彈出，保護均整板結構，均整板安全可靠性提高，損壞率降低。

（4）對兩道反擊板和一道均整板，不論是進行間隙調(diào)節(jié)，還是進行耐磨件磨損補償維修，其操作過程大為簡化，停機檢修時間由3～7h縮短至1h，且用工量由平均5人下降到2～3人，生產(chǎn)連續(xù)性提高，維護成本降低。

（5）當物料易碎，需減少反擊工段數(shù)時，可以拆掉均整板，同時將支撐件換為襯板組件，保證在下殼體不受損壞的前提下，物料不過粉碎，實現(xiàn)了“一機多用”的功能。

（6）殼體可拆卸，最小件體積大幅減小，對于安裝運輸空間狹小的場合（豎井平硐以及地下施工空間等），施工及運輸適應性提高，成本降低。

相對于第一代中碎反擊式破碎機機型，新一代TKPFM 型中碎反擊式破碎機性能優(yōu)良、自動化水平較高、運輸施工適應性較強，可適應現(xiàn)代工業(yè)裝備的高要求，滿足機制砂骨料市場的需求，發(fā)展前景廣闊。