文/北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國(guó)

破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)及主軸的設(shè)計(jì)分析論述

文/北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國(guó)

Design and analysis of crusher structure and spindle

本文簡(jiǎn)單概述了我國(guó)廢鋼加工設(shè)備的種類(lèi)、特點(diǎn)，以及廢鋼破碎機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀，并較為詳細(xì)介紹了廢鋼破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及廢鋼破碎線的生產(chǎn)工藝技術(shù)，對(duì)廢鋼破碎機(jī)的轉(zhuǎn)子部件及主軸進(jìn)行了技術(shù)分析計(jì)算。

廢鋼破碎生產(chǎn)線 廢鋼破碎機(jī) 破碎機(jī)主軸

采購(gòu)來(lái)的原料廢鋼只有經(jīng)過(guò)剪切、打包、破碎等機(jī)械設(shè)備的加工處理，達(dá)到增大密度、減小粒度以及出渣凈化的目的，使其變成合格的廢鋼產(chǎn)品，達(dá)到一定的重量、尺寸和堆比度要求，并保證廢鋼潔凈不含雜質(zhì)后，方可入爐。

比較這三類(lèi)廢鋼加工設(shè)備，可以說(shuō)廢鋼破碎生產(chǎn)線是世界上比較理想的先進(jìn)的廢鋼加工生產(chǎn)線設(shè)備，其加工種類(lèi)多，生產(chǎn)率高，能剔除雜物，配以適當(dāng)?shù)姆诌x設(shè)備，能將混在廢鋼里對(duì)煉鋼有害的有色金屬分選出來(lái)，得到非常純凈優(yōu)質(zhì)的黑色金屬原料。

一、廢鋼 破碎設(shè)備的應(yīng)用情況

世界上應(yīng)用的破碎機(jī)，大多數(shù)都是在美國(guó)紐維爾公司的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的，占有量近七成。在廢鋼破碎機(jī)制造上形成了以美國(guó)紐維爾公司為代表的美國(guó)制造技術(shù)、以德國(guó)林德曼公司為代表的歐洲制造技術(shù)和以日本富士車(chē)輛為代表的日本制造技術(shù)。臺(tái)灣的正合興重工業(yè)股份有限公司也提供廢鋼破碎機(jī)設(shè)備和技術(shù)服務(wù)。另外，目前法國(guó)亨息爾公司也開(kāi)始涉足廢鋼加工設(shè)備及破碎線的生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域。

目前全球已有800多條廢鋼破碎線在運(yùn)行，國(guó)內(nèi)大型的廢鋼破碎機(jī)全部是進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)只能生產(chǎn)中小型的破碎機(jī)和生產(chǎn)線。國(guó)產(chǎn)的破碎線已有30多套在山東、天津、河北、江蘇、浙江等地安裝運(yùn)行，但大都是1000HP以下的中小機(jī)型。而國(guó)外在運(yùn)行的破碎線，驅(qū)動(dòng)功率大都以中高馬力破碎機(jī)為主。國(guó)內(nèi)雖已能生產(chǎn)制造破碎機(jī)，并且也有不少投入了使用，但是還不能生產(chǎn)大型的破碎機(jī)，在設(shè)備的高效、節(jié)能、大型化和自動(dòng)化上與國(guó)外設(shè)備還有不小的差距。

具體主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）主機(jī)功率較小，生產(chǎn)效率低，故障率偏高；

（2）對(duì)原料廢鋼規(guī)格的適應(yīng)性較差，范圍窄；

（3）部分易損件的更換不方便，且過(guò)于頻繁；

（4）自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差；

（5）對(duì)有色金屬及其他非金屬材料的分選不夠全面精細(xì)；

（6）環(huán)保性較差，對(duì)環(huán)境易形成二次污染

根據(jù)筆者所收集到的各種資料以及對(duì)廢鋼加工考察的情況來(lái)看，隨著鐵礦石資源的不斷減少以及中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，可以預(yù)測(cè)，中國(guó)廢鋼市場(chǎng)前景看好?！岸喑詮U鋼，少吃礦石”必將成為煉鋼產(chǎn)業(yè)倡導(dǎo)的一種環(huán)保理念，由于其符合目前的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策，順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流，廢鋼的加工處理也必將是一個(gè)方興未艾的產(chǎn)業(yè)。

二、廢鋼破碎線的工藝技術(shù)

廢鋼破碎生產(chǎn)線技術(shù)先進(jìn)、加工范圍大、生產(chǎn)率高，能分選出有色金屬、剔除非金屬夾雜物，加工出純潔度高的優(yōu)質(zhì)廢鋼，而且加工過(guò)程中環(huán)境污染少，是世界上最先進(jìn)的廢鋼加工設(shè)備生產(chǎn)線。

1.生產(chǎn)工藝流程

圖1 廢鋼破碎生產(chǎn)工藝流程圖

如圖1是廢鋼破碎生產(chǎn)工藝流程及常規(guī)配置設(shè)備示意圖，經(jīng)上料抓斗來(lái)的的廢鋼原料，通過(guò)鱗板輸送機(jī)運(yùn)至進(jìn)料斜面，進(jìn)料斜面上裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的一高一低的兩個(gè)碾壓滾筒，將其壓扁并送入破碎機(jī)內(nèi)。在破碎機(jī)內(nèi)，有一組固定在主軸上的圓盤(pán)和一組裝在圓盤(pán)之間可以自由擺動(dòng)的錘頭，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)能，對(duì)廢鋼進(jìn)行砸、撕等破碎處理，將廢鋼處理成塊狀或團(tuán)狀，并穿過(guò)下部或頂部的柵格，落于振動(dòng)輸送機(jī)上。第一次未能處理成尺寸足夠小的廢鋼，會(huì)在破碎機(jī)內(nèi)被轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)子和錘頭再次處理，直到能穿過(guò)柵格為止。在破碎機(jī)進(jìn)行破碎的同時(shí)，對(duì)破碎機(jī)內(nèi)進(jìn)行噴水，以便降溫和避免揚(yáng)塵。

從破碎主機(jī)出來(lái)的破碎物，經(jīng)過(guò)振動(dòng)輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、磁力分選系統(tǒng)、空氣分選凈化系統(tǒng)，把黑色金屬物、有色金屬物、非金屬物分離開(kāi)，并由各自輸送機(jī)送出歸堆。有色金屬和非金屬物在輸送機(jī)上會(huì)再次受到磁選設(shè)備的篩選，把游離的黑色金屬物揀出，從而提高黑色金屬物的回收率，同時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行有色金屬的挑選回收，提高回收效益。

2.破碎廢鋼的特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)廢鋼破碎生產(chǎn)線加工處理的廢鋼是潔凈的優(yōu)質(zhì)廢鋼，其自然堆積密度為1.2～1.7t/m3，是理想的煉鋼爐料。在鋼鐵冶煉中，破碎廢鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）收得率高，即煉出的鋼水與投入的廢鋼比例增高；

（2）每爐鋼的化學(xué)成分穩(wěn)定；

（3）由于有色金屬及非金屬物質(zhì)已被分選，因此鋼水中的硫磷含量低；

（4）和其他廢鋼混合加料時(shí)，破碎料可填充空隙，提高加料密度；

（5）冶煉時(shí)，加料次數(shù)減少、電極破損減少、爐內(nèi)受熱均勻；

（6）爐內(nèi)耐火材料襯里的壽命延長(zhǎng)；

（7）空氣污染及爐渣減少；

（8）每噸鋼水的耗電量低

三、破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)及主軸的結(jié)構(gòu)分析

1.破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)說(shuō)明

如圖2是破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，廢鋼破碎機(jī)是廢鋼破碎生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將輕薄型金屬?gòu)U料（如廢舊汽車(chē)車(chē)身）破碎成小塊，便于分選，得到純凈的黑色金屬原料。破碎機(jī)核心原理就是利用錘子擊打撕碎廢鋼，在高速大扭矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，主機(jī)轉(zhuǎn)子上的錘頭輪流擊打進(jìn)入容腔內(nèi)的待破碎物，通過(guò)襯板與錘頭之間形成的空間，將待破碎物撕裂成合乎規(guī)格的破碎物，

圖2 破碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

破碎機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：機(jī)身采用特厚鋼板加斜撐的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，能確保機(jī)器的強(qiáng)力破碎的超負(fù)荷要求，襯板、錘頭采用特殊耐磨材料，提高了使用壽命；而且錘頭采用活動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)，一旦遇到不可破碎物誤入破碎機(jī)內(nèi)，可以甩過(guò)而避開(kāi)，同時(shí)可打開(kāi)破碎機(jī)專(zhuān)置的不可破碎物排放門(mén)，將其從機(jī)內(nèi)排除，從而降低對(duì)機(jī)器的破壞程度。

帶著錘頭與隔套并高速旋轉(zhuǎn)的主軸及獨(dú)特的底柵板結(jié)構(gòu)，是高生產(chǎn)效率的保障。液壓雙滾筒碾壓裝置的核心功能是作為破碎機(jī)的入料預(yù)處理機(jī)構(gòu)，可將外形尺寸較大的薄殼類(lèi)及輕金屬構(gòu)件經(jīng)壓縮整形，變成可順利進(jìn)入破碎機(jī)進(jìn)料喉口的物料，從而擴(kuò)大了破碎機(jī)的加工物料范圍，同時(shí)能提高破碎機(jī)的生產(chǎn)效率。

2.破碎機(jī)主軸的計(jì)算分析

如圖3所示，破碎機(jī)的轉(zhuǎn)子是破碎機(jī)的核心部件，其主要由支撐軸承、主軸、旋轉(zhuǎn)輪盤(pán)、破碎錘頭、錘頭銷(xiāo)軸等組成。各旋轉(zhuǎn)輪盤(pán)和主軸以鍵牢固連接，輪盤(pán)周向均布六根軸向的貫穿全部輪盤(pán)的錘頭銷(xiāo)軸，每?jī)奢啽P(pán)間安裝一組三個(gè)錘頭，錘頭可繞銷(xiāo)軸自由旋轉(zhuǎn)，相鄰兩組錘頭要周向錯(cuò)開(kāi)布置，確保破碎空間內(nèi)錘頭布置均勻。

圖3 主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及受力圖

而破碎機(jī)主軸又是轉(zhuǎn)子的最關(guān)鍵零件，在工作中其受到周期性的彎扭組合力的作用，易發(fā)生斷裂或疲勞損傷破壞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。所以在設(shè)計(jì)中一般都選用優(yōu)質(zhì)合金鋼，如42GrMo、42GrNiMo等，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度在240～280之間。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算分析，忽略在破碎過(guò)程中主軸受到的廢鋼的沖擊力，主要考慮主軸受自身重力、輪盤(pán)、銷(xiāo)軸及錘頭的重力作用，并受驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩作用。對(duì)主軸受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將將銷(xiāo)軸、 錘頭、 隔套等小零件的重力轉(zhuǎn)換到輪盤(pán)上，受力簡(jiǎn)圖如圖3中所示。從圖示受力情況分析可知，B 處為危險(xiǎn)截面，只要計(jì)算分析該處的應(yīng)力值或求出該處所需的最小直徑，從而選取合適的軸徑，即可確保主軸的工作要求。

已知破碎機(jī)電機(jī)功率為 P（kw），轉(zhuǎn)速 N（r/min），主軸重量G（kg），把錘頭等重量折算到輪盤(pán)上，每個(gè)折算后的輪盤(pán)重量為F（kg）。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中按照彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行主軸校核計(jì)算分析。

B 點(diǎn)所受扭矩 T＝ 9550·P/N

主軸自身重力 G 在 B 點(diǎn)的彎矩 MG＝ G·c

輪盤(pán) 1 重力在 B 點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩 M1＝ P·( L-b)·c/L

同理可以算出每個(gè)輪盤(pán)重力在 B 點(diǎn)的彎矩

B 點(diǎn)彎矩 M＝MG＋M1＋M2＋…+M9

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中，彎扭組合應(yīng)力的計(jì)算公式，則可求出B處的計(jì)算最小直徑 d

考慮到工作過(guò)程中廢鋼鐵、鍵槽以及此處應(yīng)力集中的影響，B處直徑可取 D≥2d。在空間允許的條件下增加 B處過(guò)渡半徑，以利于減少應(yīng)力集中。

圖4 某破碎現(xiàn)場(chǎng)的主軸備件及替換下的破碎機(jī)錘頭

四、 結(jié)束語(yǔ)

精料入爐必然要求廢鋼價(jià)格企業(yè)擁有先進(jìn)的廢鋼加工處理設(shè)備，這給具有先進(jìn)功能特點(diǎn)的廢鋼破碎生產(chǎn)線在我國(guó)的發(fā)展帶來(lái)最大的機(jī)遇。廢鋼業(yè)應(yīng)該緊隨國(guó)家發(fā)展改革轉(zhuǎn)型的大潮，適應(yīng)市場(chǎng)的需要，大力開(kāi)發(fā)研制功能更完善、配置更全面，分離更徹底更精細(xì)的廢鋼加工處理生產(chǎn)線，滿(mǎn)足廢鋼加工行業(yè)的需要，促進(jìn)廢鋼加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以適應(yīng)當(dāng)今資源再生循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，促進(jìn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，造福人類(lèi)的宏偉藍(lán)圖。