洪 波,熊林超,何文博
(南昌礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司,江西 南昌 330004)
反擊式破碎機(jī),是電機(jī)通過(guò)三角帶帶動(dòng)主軸及轉(zhuǎn)子體高速旋轉(zhuǎn),物料從入料口進(jìn)入,先被旋轉(zhuǎn)的板錘打擊,拋向反擊板再次產(chǎn)生沖擊作用,同時(shí)在破碎腔中物料之間相互的碰撞作用,進(jìn)行選擇性破碎。物料經(jīng)第一、第二反擊板與轉(zhuǎn)子體形成的路線被反復(fù)沖擊破碎,粒度小于反擊板末端與板錘之間間隙時(shí),最終從出料口排出[1]。隨著環(huán)境保護(hù)力度的加大,以及工程項(xiàng)目產(chǎn)能改擴(kuò)建的影響,我國(guó)砂石礦山的供給結(jié)構(gòu)持續(xù)改善,生產(chǎn)規(guī)模等級(jí)由小到大逐年上升,大中型礦山將成為行業(yè)主流,因此急需大型化的反擊式破碎機(jī),來(lái)適應(yīng)市場(chǎng)的需求[2]。南昌礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行了大型反擊式破碎機(jī)的研發(fā)。下面筆者具體介紹大型反擊式破碎機(jī)HS1827S 的研發(fā)情況。
根據(jù)市場(chǎng)需求,設(shè)備需達(dá)到如下要求:適用于石灰石等低磨蝕性石料,最大給料粒度700 mm,≤31.5產(chǎn)品產(chǎn)量為700 t/h。
大型反擊式破碎機(jī)HS1827S,主要由轉(zhuǎn)子體、第一段反擊板、第二段反擊板、均整板、上機(jī)架、下機(jī)架、電機(jī)和潤(rùn)滑站構(gòu)成。
轉(zhuǎn)子體的主要參數(shù)包括轉(zhuǎn)子直徑D,轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L,板錘數(shù)量a。一般來(lái)說(shuō),D=(2-4)dmax,L=(0.7-1.5)D
其中dmax 為最大給料粒度。
HS1827S 轉(zhuǎn)子體直徑D=1 800 m,轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L=2 700 mm,dmax=700,符合反破設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
板錘數(shù)量的選擇依據(jù)主要是由物料從入料口導(dǎo)料板滑落至轉(zhuǎn)子體本體表面時(shí)間決定,該時(shí)間不應(yīng)超過(guò)相鄰板錘旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間,即在物料落到轉(zhuǎn)子體表面前需被板錘打擊,以保證物料不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子體造成磨損。一般來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)子直徑小于1 000 mm,選三列板錘;轉(zhuǎn)子直徑1 000~15 00 mm 時(shí)可選4 或6 列;轉(zhuǎn)子直徑為1 500~2 000 mm,選6-10 列板錘,對(duì)于硬物料或者破碎比較大時(shí),板錘越多。根據(jù)物料打擊次數(shù)及板錘受力和磨損需要。隨著轉(zhuǎn)子直徑增加,為了保證單位板錘的打擊面積,有必要增加板錘數(shù)量。為了便于轉(zhuǎn)子平衡及更換磨損板錘,通常反破板錘數(shù)量選擇偶數(shù),故HS1827S 選擇6 板錘。
設(shè)計(jì)時(shí),還對(duì)轉(zhuǎn)子體進(jìn)行了應(yīng)力分析和運(yùn)動(dòng)仿真,見(jiàn)圖1,確保轉(zhuǎn)子體設(shè)計(jì)的可靠。
式中:P1——轉(zhuǎn)子重量;
P2——電機(jī)所產(chǎn)生的力;
P3——板錘所受到的沖擊不平衡力;
K——沖擊系數(shù),取3(粗碎取3,中碎取1.5,細(xì)碎取1.2)。
P1=241 245 (N)
P2=9 550N/nr=21 222 (N)
式中:N——電機(jī)功率,kw;
n——轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)速,r/min;
r——轉(zhuǎn)子體旋轉(zhuǎn)半徑,m。
P3=μP1r1rω2/2rg=μP1r1(πn/30)2/2g=μP1r1n2/1800=147 963 (N)
式中:μ——軸承摩擦阻力系數(shù),μ=0.03;
r1——軸承滾柱摩擦滾動(dòng)的半徑,m。
式中:轉(zhuǎn)子軸的彎曲Mu=PL1/2=264 728(N.m);
轉(zhuǎn)子軸的扭矩Mr=9 550N/n=19 100(N.m);
σca=M/W=M/(πd3/32) ≤[σ-1];
[σ-1]=180~207Mpa 取180 MPa。
計(jì)算出軸的直徑:
因此軸承安裝直徑φ280 滿足計(jì)算要求
(3) 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度計(jì)算軸的直徑
扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度:
d=A*(N/n)1/3=141mm (T/Wt ≤[τ])
其中A=112~97(軸的許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力[τ] 為35~55MPa)
剪切剛度:
d=B*(N/n) 1/4=153mm (T/GIp ≤[θ])
其中B=129(剪切彈性模量G=79.4 GPa 時(shí),軸的許用扭轉(zhuǎn)角[θ]為0.25)
因此最小直徑φ250 滿足計(jì)算要求
(4) 安全系數(shù)校核
彎矩作用安全系數(shù)
式中:σa=Mu/2Z=34.3MPa;
σm=34.3MPa;
ψσ=0.34;
εσ=0.6;
σ-1=320MPa;
β=0.9;
kσ=2.05;
Z=πd3/32=3858661.1768 mm3(彎矩最危險(xiǎn)處的直徑為d=φ340)。
扭矩作用安全系數(shù)
式中:τa=Mr/2Zp=3.1MPa;
τm=3.1MPa;
ψτ=0.29;
ετ=0.68;
τ-1=185MPa;
β=0.9;
kτ=1.56;
Zp=πd3/16=3067961.58mm3(扭矩最危險(xiǎn)處的直徑為d=φ250)。
安全系數(shù)
[S] 選取條件1.3 ~ 1.5 載荷確定精確,材料性質(zhì)較均勻1.5 ~ 1.8 載荷確定不夠精確,材料性質(zhì)不夠均勻1.8 ~ 2.5 載荷確定不精確,材料性質(zhì)均勻度較差
因此主軸的安全系數(shù)完全可以滿足設(shè)備使用需要。
根據(jù)主軸軸徑選擇軸承型號(hào)為23260CCK/W33,可從軸承手冊(cè)查到其額定靜載荷C0r =3 900kN,額定動(dòng)載荷Cr=3 900kN。
作用在軸承上的載荷Pe可根據(jù)下述經(jīng)驗(yàn)公式確定:
Pe=3P1=723.735(kN)
作用在每個(gè)軸承上的載荷為Pe/2
Cr——軸承的基本額定動(dòng)載荷;Cr=3 900kN
ft——溫度系數(shù),取1.00;
Lh——軸承基本額定壽命,小時(shí);
ε——指數(shù),對(duì)于球軸承,取3;對(duì)于滾子軸承,取10/3。
計(jì)算結(jié)果:Lh=115 214 小時(shí);
Lnm=a1a2Lh=241 949 小時(shí);
Lnm——修正額定壽命(增加軸承潤(rùn)滑、工作環(huán)境等因素);
a1——壽命調(diào)整系數(shù),取1.00;
a2——壽命修正系數(shù),根據(jù)系數(shù)曲線取值2.1。
入料板卸載點(diǎn)角度α≈30°,α 角越大則破碎機(jī)越高,整機(jī)重量越大,設(shè)計(jì)取值α=31°。給料導(dǎo)板傾角β≥40°,考慮物料堆積的安息角及破碎機(jī)的高度,設(shè)計(jì)取值β=40°(如圖2)。
目前,國(guó)內(nèi)外反擊板一般為兩段式和三段式。第三段反擊板也叫均整板,主要用于對(duì)物料的整形,或是讓物料進(jìn)一步破碎。而反擊板的形狀,又主要有折線型、圓弧型和直線型三種。為了保證物料從板錘飛出后與反擊板正面打擊,從而獲得最佳破碎效果,理論上反擊板以漸開(kāi)線為佳[3]。但由于漸開(kāi)線制造困難,因此設(shè)計(jì)反擊板多采用折線型。折線角度近似漸開(kāi)線形狀[4]。
前反擊板的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇: ①根據(jù)入料尺寸和客戶所需成品尺寸選擇e1、e2 值;②選取而θ1 值(15 °≤θ1≤20 °),根據(jù)e2、θ1 值確定前反擊板出料點(diǎn)位置;③根據(jù)δ 值確定前反擊板懸掛位置(板錘外切線與反擊板垂線夾角δ=1 °~2 °);④同上,選取而θ2 值(60 ° ≤θ2≤90 °),確定后反擊板出料點(diǎn)位置和懸掛位置。
根據(jù)文獻(xiàn),一般粗碎時(shí)轉(zhuǎn)子線速度為15~40 m/s,中細(xì)碎時(shí),轉(zhuǎn)子線速度為40~80 m/s。但根據(jù)多年來(lái)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的使用情況,中細(xì)碎時(shí),轉(zhuǎn)子線速度選擇33~40 m/s 為宜。否則,非常容易出現(xiàn)過(guò)粉碎現(xiàn)象。因此,在滿足處理能力的同時(shí),速度盡量取小值[5]。設(shè)計(jì)取V=37 m/s。計(jì)算得n=400 rpm。
式(1):P=KD2Ln=0.2*1.8*1.8*2.7*430=752.33kW
D——轉(zhuǎn)子直徑(m);
K——系數(shù),0.1~0.2(大型機(jī)取高值);
L——轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度(m);
n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
式(2):產(chǎn)品粒度已知情況下所需的功率所需的功率=能量系數(shù)×總輸出選定能量系數(shù):0.85 kWh/ton;
根據(jù)所需最大處理能力800 t/h;P=0.85*780=680 kW。
處理能力是設(shè)備的非常重要的參數(shù),也是客戶選型的關(guān)鍵。所以設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中,處理能力的計(jì)算非常關(guān)鍵。目前文獻(xiàn)中最常見(jiàn)的反破處理能力的公式為式(1)。
式中:K1——修正系數(shù),一般取0.1;
C——板錘的數(shù)量;
h——錘頭高度,m;
a——板錘與反擊板間的距離,m;
d——排礦粒度,m;
b——錘頭寬度,m;
n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,rpm;
δ——物料的容積密度t/m3,一般取1.2-1.4。
根據(jù)公式,HS1827S 在排料口30 mm 時(shí)的處理能力Q=920(t/h)
從公式中可以看到,反破的處理能力Q,與板錘數(shù)量成正比,與轉(zhuǎn)子直徑無(wú)關(guān)。這與實(shí)際反破使用工況不符,也與軟件模擬結(jié)果不符。筆者認(rèn)為,設(shè)備的處理能力與轉(zhuǎn)子截面物料分布息息相關(guān)的,與轉(zhuǎn)子直徑相關(guān),與板錘數(shù)量無(wú)關(guān)。故推出式(2)供大家探討。
式(2):Q=60K1bnδK2π(Da+a2+Dh-h2)(t/h)
式中:K1——修正系數(shù),一般取0.1;
h——錘頭高度,m;
a——板錘與反擊板間的距離,m;
b——錘頭寬度,m;
n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,rpm;
δ——物料的容積密度t/m3,一般取1.2-1.4;K2——修正系數(shù),一般取0.11;
D——轉(zhuǎn)子的直徑,m。
根據(jù)公式,HS1827S 在排料口30 mm 時(shí)的處理能力Q=757(t/h)
本研究介紹了大型反擊式破碎機(jī)HS1827S 主要結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的計(jì)算過(guò)程,特別是對(duì)反擊式破碎機(jī)處理能力的計(jì)算進(jìn)行了探討和分析。希望這些計(jì)算和分析的結(jié)果可以為反擊式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)研究提供一些有利的參考。HS1827S 研發(fā)成功,標(biāo)志著南昌礦機(jī)集團(tuán)的大型反擊式破碎機(jī)又添加了新的型譜,為南礦致力于行業(yè)健康、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展提供助力。