劉　洋,何宇兵（北方重工集團有限公司,沈陽　110141）

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圓錐破碎機腔設計及優(yōu)化

劉洋,何宇兵
（北方重工集團有限公司,沈陽110141）

摘 要：冶金礦山工業(yè)生產中，圓錐破碎機是其重要的設備。其主要作用是將散體物料進行粉碎。隨著經濟的發(fā)展科學技術水平的不斷提升，圓錐破碎機在原有的技術水平上有了進一步的提升。但是由于其設計目標多數(shù)仿制國外的設計樣式，同時設計水平多停留在一代或是二代水平上，導致很多破碎機的外形龐大，設計比較保守，相對于國外先進的機器設備，消耗的能源較多，但是產生的效率卻很低。文章針對目前我國圓錐破碎機的現(xiàn)狀進行分析研究，找出其中存在的問題，并針對新的圓錐破碎機，機腔內的新設計目標和優(yōu)化方法提出自身的意見和建議，希望能夠給我國的圓錐破碎機設備的生產和發(fā)展提供一點借鑒。

關鍵詞：圓錐破碎機；多目標優(yōu)化；腔型結構；產品粒度；生產能力

0　前言

隨著經濟的發(fā)展科學技術水平的提升，大型機械設備不斷應用到生產中，大大解放了勞動力，同時提升了生產效率，提高經濟效益。在社會大生產過程中采用機械設備已經成為社會生產發(fā)展的必然。冶金工業(yè)中使用的圓錐破碎機是我們常見的大型機械設備。其主要作用就是，將散體物料進行規(guī)定性的粉碎，其用圖在冶金工業(yè)中占有重要作用。圓錐破碎機生產設備最初是出現(xiàn)在工業(yè)比較發(fā)達的國家，隨著我國冶金工業(yè)的發(fā)展，我國開始仿制國外的圓錐破碎機，由于生產機械設備的能力有限仿制的水平較低，只能仿制生產出國外比較低端的圓錐破碎機，這就使得很多圓錐破碎機的體型比較笨重，設備生產過程中消耗的能源較大，同時生產出的粉粒物料也很不標準。隨著經濟的發(fā)展市場需求的加大，冶金工業(yè)的發(fā)展需要進行迅速的改進，其中以設備改進為主的改革行動至關重要。下文就我國生產的圓錐破碎機的設計構思進行研究和分析。同時針對圓錐破碎機機腔的設計結構提出相應的設計改進方法，大大提升了我國自主研制的圓錐破碎機工作運行的性能。

1　圓錐破碎機腔型研究的現(xiàn)狀

對于圓錐破碎機來說，其機腔的工作原理比較簡單主要是由兩個襯板組成的即動錐襯板和定錐襯板。這兩個組件組成了圓錐機腔的主要設備空間，同時這也是機腔內部放置物料的主要空間。由于圓錐破碎機機腔的形狀關系到破碎機的生產效率，因此我們必須要認真的了解圓錐破碎機機腔的設計形狀。設計出合理科學的圓錐破碎機機腔形狀，提供工作效率，降低破損能耗。對于國外發(fā)達國家很早就進行了圓錐破碎機機腔形狀的研究，很多發(fā)達國家的圓錐破碎機機腔已經實現(xiàn)層壓式破碎腔型，這種形式的腔型能夠很好的將粉料中的小顆粒進行破碎。還有一些發(fā)達國家將圓錐破碎機的腔型進行了仿真優(yōu)化設計，大大提升了設備的能效。我國對于圓錐破碎機的機腔的設計也進行了大膽的研究和創(chuàng)新，設計研究的旋回式機腔運行生產效率剖面圖，能夠比較清晰的分析腔內各個截面圓錐破碎機的工作效率。目前我國圓錐破碎機在研究的過程中存在很多的不利因素。例如很多學者的缺乏大膽創(chuàng)新的心態(tài)很多設計，仍舊沿用傳統(tǒng)的折現(xiàn)形式，腔型的設計參數(shù)與腔型工作效率沒有進行緊密的聯(lián)系。這些都阻礙了圓錐破碎機機腔研究的進一步發(fā)展。

2　圓錐破碎機的工作原理

2.1圓錐破碎機的分類

對于圓錐破碎機來說其設計制造的形式主要有三種，一種為懸掛式、一種為托軸式、一種為振動式。按照破碎機的加工物料的粗細可以將其分成粗碎和中細碎兩種。對于加工粗料的圓錐破碎機來說，由于其加工的物料塊較大，因此破碎機的進料口要求比較寬大，這種破碎機一般被稱為旋回破碎機。其動錐是正置的，而其定錐是倒置的。加工細料的破碎機主要被稱為常規(guī)破碎機。其加工的物料塊主要是經過粗步粉碎過的。其進料口的尺寸也要求不大，但對于卸料口則有要求，在原有的基礎上對卸料口進行加大處理，提高生產能力。細料圓錐破碎機的定錐和動錐都是正置的。

2.2圓錐破碎機的工作原理

圓錐破碎機的工作原理主要是通過定錐和動錐以及進動角度相互間的運動共同組成。將物料放進機腔內，動錐按照進動角度在機腔與定錐間進行擠壓運動，將物料進行擠壓。這一運動的規(guī)律是很定的。動錐與定錐的距離也是動錐的額定擺動進行周期性的變化。然后通過定錐的振動將物料輸送到出料口。

圓錐破碎機的性能與機腔的幾何形狀聯(lián)系密切，一個科學合理的幾何腔型將會大大提升圓錐破碎機的工作效率，同時對于腔內的參數(shù)以及物料自身的性質也存在一定聯(lián)系。通過圓錐破碎機的腔徑截面我們能夠看到動錐沿著定錐的中心線作懸擺運動。當石料被擠壓到應力的臨界點時，開始粉碎。進而通過動錐的運動產生的振動通過機腔。

3　圓錐破碎機破碎腔的優(yōu)化模型

對于機械來說，他們都是在吸收外部動力的前提進行做工。一臺完整的機械都需要由三部組成主要包括，傳統(tǒng)部分、動力部分、以及做工部分。對于圓錐破碎機來說其做工部分主要是破碎機腔。通過機腔的做工將物料進行粉碎。因此破碎機腔設計的優(yōu)劣直接影響設備的做工效率的大小。另外對于物料的自身特性也存在一定的聯(lián)系。為此我們要想提高設備的工作效率，提升破碎機的生產能力就必須對破碎機的機腔進行優(yōu)化設計。

3.1破碎腔結構與通過能力的關系

3.1.1圓錐破碎機的通過能力

圓錐破碎機的通過能力是指物料粉碎后在指定區(qū)域的通過量。圓錐破碎機的物料通過能力與其生產能力的大小息息相關。良好的物料通過能力是保證其生產能力的關鍵。如果某臺圓錐破碎機的通過能力降低。這就說明圓錐破碎機的生產能力需要進一步提升。對于圓錐破碎機的機腔內部的參數(shù)也要進行相應的調整，保證其機腔內部的空間結構合理。

3.1.2腔型結構與通過能力的關系

圓錐破碎機在運行的過程中主要是將破碎機腔內部的礦石進行擠壓粉碎，達到一定的直徑標準顆粒在擠壓完成后通過機腔。這一過程中腔型的結構與礦石子的通過能力存在密切的聯(lián)系。如果腔型中的兩個區(qū)域的腔型參數(shù)值不同，在一個區(qū)域發(fā)生了物料的阻塞，那么下一區(qū)域的物料就要進行等待，這一過程中不僅影響了物料的通過能力，同時也給停滯的物料以過多的擠壓時間導致出現(xiàn)物料的顆粒變小甚至出現(xiàn)碎末現(xiàn)象。在實際的研究中我們發(fā)現(xiàn)設計一款理想的入口平衡型的機腔存在極大的困難，首先受到破碎機高度的限制，其次理想的符合入口平衡型的腔型也是不存在的，因此我們只能試圖設計出近乎理想型的機腔腔型。

3.2傳統(tǒng)與現(xiàn)代破碎機腔型設計的觀點

（1）傳統(tǒng)的圓錐破碎機機腔的設計多數(shù)是仿制了國外發(fā)達國家一代，二代圓錐破碎機機腔的設計結構和形式。由于這些機器的設計是圓錐破碎機設計的探索階段，因此設計水平較低，使用性能不佳。一般來說傳統(tǒng)的圓錐破碎機的機腔內部設計準則采用單物料進行腔內破碎，通過這種破碎方式我們生產出的物料形狀多數(shù)是針片狀的形式。同時這種生產模式生產效率極低，在相同的條件下消耗的能源較多。無法滿足現(xiàn)代化的生產需要。

現(xiàn)代化的經過改進后的圓錐破碎機其工作的效率得到大大的提升。在傳統(tǒng)設計的基礎上進行大膽的改進，從單物料的擠壓破碎準則上升到顆粒間的層壓破碎原理。在這一過程中，進入機腔內部的物料不僅受到動錐與定錐循環(huán)運動的擠壓，同時物料間也在進行擠壓破碎，這就大大提升破碎的效率。這一過程中我們就需要對物料的破碎方式進行了解。

（2）產品粒度控制的方式。傳統(tǒng)的圓錐破碎機的設計受到實際生產經驗的影響，很多設計受到國外設計理念的影響。例如，對于產品粒度與粒型的控制主要利用物料通過平行區(qū)進行控制。這一過程中傳統(tǒng)圓錐破碎機采用單物料破碎，這就導致物料在生產中要經過平行區(qū)域進行進一步的篩選，將不合格的物料進行進一步的擠壓篩選。這個過程中就增加了平行區(qū)的長度，降低了機械的生產能力。同時耗費過多的能源。

現(xiàn)代高性能圓錐破碎機采用層壓破碎原理進行物料的擠壓。對于現(xiàn)代圓錐破碎機來說其工作中的粒度的控制不僅僅取決于平行區(qū)域的長度，破碎腔的排料口也是十分重要的。另外圓錐破碎機機腔內部的物料間也在進行相互的擠壓進行破碎作業(yè)。這就保證破碎作業(yè)的效率。增加破碎區(qū)段的參數(shù)可以提升物料破碎的概率，大大提升圓錐破碎機的生產能力。當我們在設計的過程中認識到這一點我們就可以很好的控制產品粒度，提升生產效率。

3.3腔型設計的多目標優(yōu)化模型

3.3.1影響性能的關鍵因素

（1）破碎機性能因素。對于破碎機性能指標來說,其生產能力與破碎產品粒度是一對矛盾體。工作性能因素是通過影響破碎機生產能力進而影響破碎機產品粒度。動錐擺動速度越大,物料通過破碎腔時所受沖擊次數(shù)越大,物料粒度越整齊,但轉速過大,物料生產能力下降;動錐擺動速度越小,不但破碎產品粒度變壞,破碎機生產能力也下降,故動錐擺動速度存在一個最佳值。在破碎機腔型結構參數(shù)確定的前提下,進動角決定破碎機偏心距。。進動角越大,物料在破碎腔中受到更大沖擊,粉碎效果改善,同時對物料運動學性能有利,破碎機生產能力提高。

（2）腔型結構因素。破碎機結構因素主要是破碎腔型結構參數(shù)。在工作性能參數(shù)確定的前提下,破碎腔型對破碎產品粒度有決定性影響。平行區(qū)長度和排料口尺寸是為檢查物料是否粉碎到用戶要求粒度而設計的,同時也是影響破碎機生產能力的關鍵因素之一。平行區(qū)越長,產品粒度改善,但破碎機生產能力下降,平行區(qū)越短,粒度變壞。

（3）破碎機操作因素。圓錐破碎機在進行操作的過程中受到一定因素的影響。包括給料的狀況，給料粒度分布情況，給料是否充分等等。破碎機工作時必須滿足充分給料,若給料不充分,則破碎機會出現(xiàn)待料現(xiàn)象,影響破碎機的生產能力。給料物料粒度分布均勻可以使破碎機工作時實現(xiàn)層壓破碎。若給料粒度相差很大,將影響破碎產品的粒度。破碎機工作時若能滿足均勻給料,則破碎機破碎力分布合理,襯板磨損均勻,有利于發(fā)揮破碎機的最大工作性能。

3.4多目標優(yōu)化模型

3.4.1主要目標法

主要目標法的思想是抓住多目標優(yōu)化的主要目標函數(shù),兼顧其他目標要求。本文對多目標函數(shù)優(yōu)化問題的求解可以采用主要目標法。求解時從多目標函數(shù)中選擇一個最重要的目標函數(shù)作為多目標規(guī)劃的目標函數(shù),而其它目標函數(shù)只需要滿足一定要求即可。為此,可將其它目標轉化為約束條件,用約束條件的形式來保證其它目標不致太差。這樣處理后,就成為單目標優(yōu)化問題。

3.4.2統(tǒng)一目標法

統(tǒng)一目標法又稱綜合目標法。它是將原多目標優(yōu)化問題,通過一定方法轉化為統(tǒng)一目標函數(shù)或綜合目標函數(shù)作為該多目標優(yōu)化問題的評價函數(shù),然后用的單目標函數(shù)優(yōu)化方法求解。轉化的方法主要有線性加權和法,極大極小法,理想點法與平方和加權法,分目標乘除法以及功效系數(shù)法。

3.4.3協(xié)調曲線法

這種方法主要是用來解決設計目標相互矛盾的多目標優(yōu)化設計問題,使其得到綜合協(xié)調的優(yōu)化解?；舅悸肥?作出各設計目標全部最佳方案的調整曲線作為協(xié)調曲線,建立衡量設計方案滿意程度準則,由此找出協(xié)調曲線上最滿意的設計方案點作為原問題優(yōu)化解。

4　結語

總而言之，隨著經濟的發(fā)展科學技術的進步現(xiàn)代化的生產方式越來越需要大型的機械設備進行密切的配合，保證產品質量的同時，提升生產效率為企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更大的經濟利益。圓錐破碎機是我國在仿制國外破碎機的基礎上進行設計研究的，由于傳統(tǒng)技術水平較低，傳統(tǒng)的圓錐破碎機的功效低，消耗的能源較大給企業(yè)的發(fā)展帶來巨大的負擔?，F(xiàn)代圓錐破碎機在傳統(tǒng)的設計理念下進行大膽的創(chuàng)新和研究，在機腔的內部結構上進行系統(tǒng)的分析，找出問題并進行了改進，提高了產品的質量，提升了生產效率為我國的經濟發(fā)展打下了堅實的技術設備基礎。

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作者簡介：劉洋（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，本科，工程師，研究方向：礦用球磨機，破碎機優(yōu)化設計對礦山產量影響。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.034