多缸液壓圓錐破碎機過載保護系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究

摘 要：在礦物開采過程中，多缸液壓圓錐破碎機對礦物加工質(zhì)量和效率有著直接的影響?；诖?，以多缸液壓圓錐破碎機的液壓系統(tǒng)為研究主體，分析其過鐵過載保護系統(tǒng)的工作原理以及其中存在的缺陷，并且針對設備使用過程中出現(xiàn)的問題對系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，以減少原有系統(tǒng)中保壓性差、自動控制水平低以及安全保護可靠性低的問題，旨在提升破碎機破碎效率。

關(guān)鍵詞：多缸圓錐破碎機；過載保護；系統(tǒng)；優(yōu)化設計

0 引言

多缸圓錐破碎機是“以碎代磨”的高能型礦物加工設備，但由于開采時原礦中難以避免地夾雜著鐵塊、鏟斗斷齒等異物，其在工作過程中極易產(chǎn)生過鐵過載的情況，從而對設備造成極大沖擊，損壞設備，因此對過載保護系統(tǒng)進行優(yōu)化設計是十分必要的。

1 圓錐破碎機的工作原理

電機的旋轉(zhuǎn)運動通過皮帶輪、傳動軸和圓錐齒輪傳給偏心套，使偏心套繞固定主軸轉(zhuǎn)動。當偏心套旋轉(zhuǎn)時，支撐在球面軸承上的碎圓錐部在偏心套帶動下，繞固定點旋擺運動，從而使架體內(nèi)的破碎圓錐動錐襯板，時而靠近又時而離開固裝在支撐套和調(diào)整套上的定錐襯板。每當動錐襯板離開定錐襯板時，進入破碎腔內(nèi)的物料沿動錐面向下運動，每當動錐襯板靠近定襯板時，物料在破碎腔內(nèi)不斷受到?jīng)_擊、擠壓和彎曲等作用而被破碎，被破碎后的物料靠自重從排礦口排出破碎腔。圓錐破碎機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 圓錐破碎機過鐵保護系統(tǒng)的作用

過鐵保護系統(tǒng)是破碎機的重要組成部分，包括安裝在設備上的液壓缸、管路、各類閥組以及外部的液壓系統(tǒng)等。支撐套與架體通過液壓缸組件組裝到一起，液壓缸的主要作用是在過鐵和清腔時用于擴大排礦口。液壓缸系統(tǒng)需要反應靈敏，過載時能夠及時保護設備，降低設備損壞的風險。破碎機正常工作狀態(tài)如圖2所示，破碎機過鐵保護狀態(tài)圖3所示。

3 圓錐破碎機液壓保護系統(tǒng)的分析

圖4為優(yōu)化前圓錐破碎機的過鐵保護系統(tǒng)原理圖。破碎機在工作時，支撐套與架體通過彈簧將二者緊密壓在一起，用于抵消破碎礦石時產(chǎn)生的向上的推力，為破碎機提供破碎力。通過調(diào)節(jié)彈簧來調(diào)節(jié)支撐套和架體的間隙，進而調(diào)節(jié)破碎腔和排礦口，彈簧的受壓程度也代表了破碎機所能提供的破碎力大小。

在破碎機運行前，開啟液壓泵電機，換向閥切換至上位，液壓油通過液壓泵進入到液壓缸下腔，下腔與支撐套相連，注油結(jié)束后將換向閥切換至中位。在破碎機運行過程中，如果出現(xiàn)運行過鐵的情況，液壓缸下腔內(nèi)的液壓油迅速進入到蓄能器內(nèi)，使活塞桿帶動支撐套上移，為破碎機過鐵提供空間。當鐵塊或其他難以破碎物通過破碎機后，蓄能器內(nèi)的液壓油返回到液壓缸下腔內(nèi)，破碎機重新回到正常工作狀態(tài)。在破碎機堵礦時，將換向閥切換至下位，啟動液壓泵電機，使油迅速地回到油箱，釋放支撐套和架體之間的間隙，以便于清腔作業(yè)。

系統(tǒng)過載時，液壓系統(tǒng)中安全閥發(fā)揮作用，對液壓系統(tǒng)進行放油泄壓處理，降低系統(tǒng)壓力，從而起到過載保護的作用，避免系統(tǒng)電機損壞。系統(tǒng)中單向節(jié)流閥的作用如下：系統(tǒng)過鐵保護結(jié)束后，油液將從蓄能器返回液壓缸。此時利用單向節(jié)流閥控制油液返回的速度，避免液壓缸活塞與動力錐復位過快，產(chǎn)生沖撞，導致破碎機損壞。在破碎機出現(xiàn)過鐵情況時，液壓能夠快速從液壓缸端經(jīng)單向節(jié)流閥流向蓄能器，以實現(xiàn)系統(tǒng)過鐵保護的快速反應。圓錐破碎機液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

4 圓錐破碎機液壓保護系統(tǒng)問題分析

4.1 保壓性差

液壓系統(tǒng)主要是利用截止閥來封閉系統(tǒng)中的油液，實現(xiàn)破碎機持續(xù)工作，但是其保護性較差[1]。由于截止閥采用的是端面密封設計，其密封性較差，非常容易產(chǎn)生油液從高壓端流向低壓端的內(nèi)泄情況，影響破碎機的正常運轉(zhuǎn)。圓錐破碎機在工作時，整個破碎工作組件會產(chǎn)生較大的振動與沖擊力，對系統(tǒng)中的油壓產(chǎn)生影響。在截止閥密封失效的情況下，會加劇系統(tǒng)內(nèi)油液的內(nèi)泄情況，導致破碎機的破碎力下降。

4.2 自動控制水平較低

該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)破碎機的加載能力時，需要多人協(xié)調(diào)操作。不僅需要分別開啟、關(guān)閉兩只截止閥，還需要專人從破碎腔的觀察口處查看破碎組件的位置，指揮其他人員調(diào)整系統(tǒng)壓力，以滿足破碎組件預設條件。如果破碎力不能滿足設備使用要求，還需要停機重新壓縮彈簧，對液壓缸進行補壓。

4.3 安全保護缺少可靠性

過鐵保護系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)油壓時使用電接點壓力表，當破碎機出現(xiàn)超載過鐵問題時，破碎機會跳閘停機。破碎機工作時具有較大的沖擊力，突然跳閘停機，將會導致系統(tǒng)油壓產(chǎn)生較大波動。而電接點壓力表的抗振性較差，在過載停機時十分容易受到影響，造成其失去工作能力，進而導致破碎機出現(xiàn)過載保護誤動作的頻率增加，影響其安全可靠性以及工作效率[2]。

5 圓錐破碎機過鐵保護系統(tǒng)優(yōu)化設計

對原過鐵保護裝置系統(tǒng)中的問題進行分析，并對上述出現(xiàn)的各項問題對其進行優(yōu)化改進。其工作原理為：液壓缸將支撐套和架體組裝到一起，并通過外部的液壓油站提供油壓，使支撐套和架體內(nèi)部的襯板保持預設的排礦口。當設備運行過程中出現(xiàn)過鐵時，破碎力大于液壓缸內(nèi)的壓力，支撐套上提，排礦口增大，使鐵塊或其他難以破碎物可以順利通過排礦口，完成圓錐破碎機過鐵保護。當鐵塊排出后，破碎力小于液壓缸內(nèi)的壓力，支撐套回歸正常工作位置，破碎機也回歸正常工作狀態(tài)。過鐵保護系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

破碎機在運行前，啟動液壓泵電機，電磁換向閥切換至圖示中的下位。此時，液壓泵將油液通過換向閥、平衡閥、單向節(jié)流閥泵入液壓缸的下腔，而液壓缸的上腔與支撐套安裝在一起，確保液壓缸的穩(wěn)定性，而液壓缸的活塞桿與架體安裝在一起，從而形成穩(wěn)定的破碎系統(tǒng)。這樣就可以以液壓缸為支撐套內(nèi)的襯板提供一個向下的拉力，實現(xiàn)礦石破碎處理。

礦石在破碎的過程中，其位于支撐套與架體之間的間隙，會對支撐套內(nèi)的襯板形成一個“頂起”的推力，因此液壓缸內(nèi)的油壓需要設定為一個大于破碎反推力的值，以維持設備的正常運行，滿足礦石破碎顆粒度要求，這個值通常為10～15 MPa。

油路中的平衡閥和單向節(jié)流閥是為了保證系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，液壓缸下腔內(nèi)的油不發(fā)生回流現(xiàn)象，實現(xiàn)液壓缸保壓的功能，維持破碎機工作時的穩(wěn)定性。液壓缸內(nèi)的壓力設定完畢后，切換電磁換向閥至中位，關(guān)閉液壓泵電機。此時過鐵保護系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，可以隨時啟動破碎機。

在破碎機運行時，當有難以破碎物經(jīng)過襯板間的破碎腔時，支撐套和架體間的受力會急劇增加，需要拉長液壓缸以增大破碎腔空間釋放掉該壓力。此時液壓缸在壓力作用下，其活塞下移，液壓缸下腔的液壓油進入蓄能器內(nèi)。這樣就使液壓缸變長，支撐套和架體間形成一個臨時的間隙，使難以破碎物盡快通過破碎腔排出破碎機。當難以破碎物排出后，支撐套與架體間的受力又會恢復正常，此時蓄能器內(nèi)的油壓大于液壓缸下腔的油壓，油重新流回液壓缸下腔，整個系統(tǒng)恢復到正常工作狀態(tài)。

若設備過鐵時，出現(xiàn)的尖峰壓力值過大，遠超過了蓄能器的預設值時，液壓缸下腔的油會經(jīng)過安全閥流回油箱，實現(xiàn)對圓錐破碎機的過載保護。為避免支撐套與架體之間復位過快，產(chǎn)生碰撞，影響圓錐破碎機性能。本次系統(tǒng)優(yōu)化使用單向節(jié)流閥控制油液返回液壓缸下腔的速度。

如難以破碎物經(jīng)過多次過鐵保護動作仍沒能通過破碎腔，則需要通過破碎機的清腔動作來排出。此時電磁換向閥切換至圖中的上位，開啟液壓泵電機，液壓泵經(jīng)過下方的油路快速進入液壓缸下方，將液壓缸拉長，使支撐套和架體形成一個較大間隙，這樣難以破碎物即可順利通過破碎腔排出破碎機。清腔動作完成后，電動機關(guān)閉，電磁換向閥切換至上位，系統(tǒng)壓力恢復正常，支撐套與架體間隙恢復至預設值，便于后續(xù)碎石工作的開展。

6 優(yōu)化后系統(tǒng)的優(yōu)勢

優(yōu)化后的系統(tǒng)是利用平衡閥和單向節(jié)流閥來封閉系統(tǒng)中的油液，實現(xiàn)破碎機的工作，改善了原系統(tǒng)中保壓性差的問題。電磁換向閥較為“嬌貴”，在惡劣條件下需要盡量避免人為增大電磁換向閥的工作負荷。而平衡閥和單項節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)可靠，可以有效避免內(nèi)泄情況的出現(xiàn)。優(yōu)化后的過鐵保護裝置，在液壓缸完成自身保護作用同時，又替代了彈簧的加載功能，使其具有多種功用，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了設備的整體性能。

優(yōu)化后的破碎機過鐵保護裝置，可實現(xiàn)多種動作以滿足破碎機的不同運行工況。當破碎機正常工作時，通過預設不同的液壓缸壓力以調(diào)節(jié)破碎機不同的破碎力，從而達到調(diào)節(jié)產(chǎn)品產(chǎn)量和粒度的目的，同時還可以根據(jù)物料硬度，適當調(diào)整破碎機參數(shù)，確保其滿足不同工作環(huán)境。

當破碎機過鐵時，通過調(diào)節(jié)安全閥壓力和蓄能器充氮壓力，達到調(diào)整不同的過鐵壓力的目的，以保證破碎機的穩(wěn)定運行，防止過鐵時對支撐套與架體造成破壞。當破碎機堵料時，可以自由提升支撐套空間，提升高度不受限，更方便達到清腔的目的，有效解決堵料問題，確保破碎機正常運行。

優(yōu)化改進后的過鐵保護裝置使用了數(shù)字壓力變送器等油壓檢測元件，能夠?qū)A錐破碎機工作時的瞬間油壓進行實時監(jiān)控，并且根據(jù)油壓的變化，輸出電流信號，實現(xiàn)對系統(tǒng)油壓的遠程監(jiān)控與調(diào)整，確保破碎機能夠在最佳狀態(tài)下運行，提高生產(chǎn)系列，確保操作人員人生安全。在圓錐破碎機破碎腔內(nèi)沒有堆料以及停止供料的情況下，能夠在運行過程中調(diào)整破碎機的排礦口[3]，以便能夠根據(jù)實際生產(chǎn)情況，靈活調(diào)整破碎壓力，提高設備利用率與生產(chǎn)效率。

7 結(jié)束語

礦山工程建設中，圓錐破碎機是礦山物料破碎的主要設備之一，而過鐵過載情況可能導致圓錐破碎機損壞。在原有液壓系統(tǒng)上進行優(yōu)化改進，確保了其保壓性，不僅提高了自動化控制水平，而且有效提高了破碎機破碎能力，并保證了設備的運行穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 彭祖歡，姜俊雄，付凱，等.CC400單缸圓錐破碎機液壓系統(tǒng)分析[J].世界有色金屬，2018（20）：47-48.

[2] 劉添君，李宏坤.淺談永磁耦合器在CH870圓錐破碎機的應用[J].內(nèi)燃機與配件，2019（12）：71-72.

[3] 倪立學.一種用于顎式破碎機的新型分段軟啟動及過載保護裝置的設計[J].礦山機械，2019，47（1）：29-32.

收稿日期：2023-09-14

作者簡介：鄧卓（1990—），男，遼寧鐵嶺人，本科，工程師，研究方向：破碎機。