施進(jìn)發(fā)，馮飛飛，楊 杰，馬軍旭

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

1 引言

立軸沖擊式破碎機(jī)的零部件被外界物料撞擊時(shí)，會(huì)受到不同程度的磨損。分料錐直接承受物料的沖擊，屬于易損件之一，若不及時(shí)更換，則會(huì)影響物料的分流效果，使各個(gè)導(dǎo)流板之間物料的質(zhì)量不均勻，從而影響轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡和破碎機(jī)的制砂效果[1?2]。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)材料的精心選擇、磨損部位幾何形狀的設(shè)計(jì)和固定方法的研究，使易損件的壽命得到明顯改善。文獻(xiàn)[4]利用離散單元法，對(duì)反擊式破碎機(jī)模型進(jìn)行了仿真分析。通過仿真分析顆粒間粘結(jié)鍵斷裂的數(shù)量，對(duì)反擊式破碎機(jī)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]利用離散元軟件EDEM對(duì)轉(zhuǎn)子加速板的模型進(jìn)行仿真分析，得到轉(zhuǎn)子不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子加速板的磨損規(guī)律。當(dāng)導(dǎo)流板的安裝角度為90°、導(dǎo)流板的圓弧半徑為2000mm以及分料錐的高度為125mm時(shí)，導(dǎo)流板的磨損最小；導(dǎo)流板的磨損隨著入料量、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和入料高度的減小而減小。文獻(xiàn)[6]分析了轉(zhuǎn)子錘頭的主要磨損形式為沖擊磨損；選取生產(chǎn)參數(shù)（轉(zhuǎn)子尖端線速度、入料量和入料高度）和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)（喂料環(huán)內(nèi)徑、分料錐高度、分料錐角度、流道板長(zhǎng)度、流道板角度和錘頭夾角），借助于離散元軟件對(duì)其進(jìn)行單一試驗(yàn)，得到減輕錘頭磨損的各因素最優(yōu)參數(shù)；再設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定各個(gè)因素對(duì)錘頭磨損的影響順序?yàn)椋哄N頭夾角、流道板長(zhǎng)度、喂料環(huán)內(nèi)徑、流道板角度、分料錐高度、分料錐角度。文獻(xiàn)[7]利用離散單元法分析了在不同工況下轉(zhuǎn)子耐磨件的磨損形式和磨損特性，但并未探究轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子分料錐的磨損規(guī)律。

為了探究生產(chǎn)參數(shù)和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分料錐的磨損的影響規(guī)律，采用離散單元法進(jìn)行建模仿真，分析分料錐的主要磨損區(qū)域。并對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)子的耐磨性能。

2 轉(zhuǎn)子模型的建立和仿真參數(shù)的設(shè)定

2.1 分料錐磨損模型的建立

轉(zhuǎn)子的模型，如圖1所示。轉(zhuǎn)子是立軸沖擊式破碎機(jī)的核心部件，主要由喂料環(huán)、分料錐、導(dǎo)流板、錘頭、上下耐磨板組成[8]。其中分料錐位于轉(zhuǎn)子的中心，由給料斗給料后，通過喂料環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，分料錐將物料均勻地分流到導(dǎo)流板兩側(cè)。然后物料在導(dǎo)流板中加速、碰撞、研磨，并在離心力的作用離開轉(zhuǎn)子，與破碎腔的襯板或物料層進(jìn)行碰撞等實(shí)現(xiàn)物料的破碎。

圖1 轉(zhuǎn)子三維模型Fig.1 Three?Dimensional Model of Rotor

分料錐是物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子首要接觸的部件，而導(dǎo)流板的安裝角度θ以及安裝個(gè)數(shù)直接影響分料錐底面堆積物料的多少。如圖2所示，導(dǎo)流板的安裝角度為θ以及安裝數(shù)目為4時(shí)分料錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 分料錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 The Structural Parameters of the Split Cone

2.2 分料錐的磨損模型

在設(shè)置仿真接觸模型時(shí)，由于在實(shí)際制砂過程中，石灰石顆粒與轉(zhuǎn)子之間存在滑動(dòng)，因此石灰石物料顆粒與轉(zhuǎn)子的接觸模型選用Hertz?Mindlin with Archard Wear 模型[9]。即從轉(zhuǎn)子表面移除的質(zhì)量與粒子在表面上移動(dòng)所做的摩擦功成正比。該方程為：

式中：Q—被移除的材料體積；Fn—材料所受的法向載荷；dt—被移走的切向距離；W—原磨損常數(shù)。

式中：K—無量綱常數(shù)；H—材料最軟表面的硬度度量。

因此每個(gè)單元的磨損深度h：

式中：A—接觸面積。

整個(gè)分料錐的深度H：

式中：n—分料錐劃分的單元格數(shù)。

2.3 石灰石的顆粒模型

離散單元法的顆粒模型大多以球形為主，雖然在一定程度上能夠節(jié)約仿真時(shí)間，但有一定的缺陷。在實(shí)際制砂過程中，物料的顆粒外形尺寸多變，級(jí)配還具有一定的連續(xù)性。為了使仿真更加接近現(xiàn)實(shí)，這里建立了幾種不同形狀的物料顆粒。三種不同粒度的物料顆粒，如圖3所示。粒度大小分別為4mm，8mm，12mm。仿真時(shí)，這三種物料顆粒按一定的比例混合，分別占25%，50%，25%，仿真時(shí)間設(shè)為10s。

圖3 石灰石顆粒模型Fig.3 Limestone Particle Model

2.4 仿真參數(shù)的設(shè)定

對(duì)該轉(zhuǎn)子分料錐進(jìn)行磨損仿真分析時(shí)，顆粒的材料為石灰石，轉(zhuǎn)子的材料選用鋼。在離散元軟件EDEM中設(shè)置接觸模型，顆粒之間采用Hertz?mindlin（no slip）接觸模型，顆粒和轉(zhuǎn)子之間采用Hertz?mindlin with Archard Wear模型，顆粒與轉(zhuǎn)子的材料屬性，如表1所示。顆粒與轉(zhuǎn)子之間的接觸參數(shù)，如表2所示。磨損常數(shù)為1× 10?10。

表1 材料屬性表Tab.1 Material Property Sheet

表2 接觸參數(shù)表Tab.2 Contact Parameter Table

3 分料錐的磨損分析

選取入料量為10t∕h、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為2000r∕min、物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子的初始速度為2m∕s、導(dǎo)流板的安裝數(shù)目為4以及安裝角度為0°時(shí)仿真后分料錐的磨損結(jié)果，如圖4所示。

圖4 分料錐的磨損模型Fig.4 Wear Model of the Split Cone

由圖可知，分料錐的磨損程度并不是均勻分布的，而是越靠近導(dǎo)流板的位置磨損越嚴(yán)重。分析顆粒在分料錐上方的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可知，距離導(dǎo)流板入口的較近位置，這些顆粒會(huì)首先與導(dǎo)流板接觸并被導(dǎo)流板加速拋出，從而使得導(dǎo)流板附近的顆粒較少。隨著顆粒持續(xù)進(jìn)入轉(zhuǎn)子，由于顆粒間的擠壓、排擠的作用，分料錐上顆粒就會(huì)從顆粒含量多的區(qū)域向顆粒含量少的區(qū)域流動(dòng)。由此可見，導(dǎo)流板入口周圍顆粒的流量大于其他區(qū)域，所以此區(qū)域的顆粒發(fā)生碰撞、摩擦的頻率較大，從而導(dǎo)致該區(qū)域的磨損也較大。

4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分料錐磨損的影響

分料錐的磨損程度隨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同而不同。在分料錐尺寸不變的情況下，研究導(dǎo)流板的安裝角度θ以及導(dǎo)流板的安裝數(shù)目對(duì)分料錐磨損的影響。

4.1 導(dǎo)流板的安裝角度對(duì)分料錐磨損的影響

對(duì)于閉式轉(zhuǎn)子而言，為了使顆粒在被轉(zhuǎn)子拋出時(shí)具有足夠大的動(dòng)能，導(dǎo)流板通常采用前向式安裝方式[1]，即導(dǎo)流板的安裝角度為正。同時(shí)導(dǎo)流板的安裝角度不宜過大，物料離開轉(zhuǎn)子后，過大的安裝角度不僅增加了物料與破碎腔之間的沖擊距離，造成物料破碎不徹底，還會(huì)加劇導(dǎo)流板的磨損。經(jīng)與合作企業(yè)交流，為了探究導(dǎo)流板的安裝角度對(duì)分料錐磨損的影響，保持其他參數(shù)不變，選取安裝角度θ分別為?30°、?15°、0°、15°、30°、45°進(jìn)行仿真。在仿真結(jié)束后，由前文式（3）、式（4）可知每個(gè)單元格以及整個(gè)分料錐的磨損值，將其數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行整理，進(jìn)而得到分料錐的整體磨損值和磨損均方差，由此可知分料錐的磨損程度和磨損均勻性。磨損值和均方差越小，則分料錐磨損程度越小、磨損均勻性越好。

導(dǎo)流板的安裝角度從（?30～?15）°時(shí)，分料錐的磨損值增加；而安裝角度從（?15～0）°時(shí)，磨損值降到最小；安裝角度從0°增加到15°時(shí)，磨損值又達(dá)到最大；從（15～30）°開始，磨損值又大幅度減少，如圖5所示。安裝角度從（30～45）°時(shí)，磨損值又稍微增加。從磨損均勻方面來看，導(dǎo)流板的安裝角度從（?30～0）°時(shí)，分料錐的磨損均勻性變好；安裝角度從（0～15）°時(shí)，分料錐的磨損均勻性變差；安裝角度從（15～45）°時(shí)，分料錐的磨損均勻性稍微變好。仿真時(shí)間在5s時(shí)，物料在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的流動(dòng)基本穩(wěn)定，通過比較此時(shí)不同的導(dǎo)流板安裝角度下，轉(zhuǎn)子內(nèi)部顆粒的總質(zhì)量可知，導(dǎo)流板的安裝角度為0°時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的顆粒總質(zhì)量最小。分析表明單位時(shí)間內(nèi)顆粒能夠盡快離開轉(zhuǎn)子，所以顆粒與分料錐接觸的次數(shù)相對(duì)較少，分料錐的磨損值較小以及磨損均勻性也較好。所以如果不考慮生產(chǎn)率以及破碎效果等因素，僅考慮分料錐的磨損這一因素，導(dǎo)流板的安裝角度為0°時(shí)最優(yōu)。

圖5 導(dǎo)流板的安裝角度對(duì)分料錐磨損的影響Fig.5 Effect of Installation Angle of Guide Plates on the Wear of the Split Cone

4.2 導(dǎo)流板的安裝數(shù)目對(duì)分料錐磨損的影響

導(dǎo)流板的安裝數(shù)目不同，物料在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的流動(dòng)性也不同。導(dǎo)流板的數(shù)目直接影響破碎機(jī)的生產(chǎn)率，經(jīng)與合作企業(yè)交流，在保持其他參數(shù)不變的情況下，選取導(dǎo)流板的安裝數(shù)目分別為3、4、5、6進(jìn)行仿真分析，得到導(dǎo)流板的安裝數(shù)目對(duì)分料錐磨損的影響。

導(dǎo)流板的安裝數(shù)目從（3～4）時(shí)，分料錐的磨損減小，并達(dá)到最小值；而安裝數(shù)目從（4～6）時(shí)，分料錐的磨損逐漸增加，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)流板的安裝數(shù)目對(duì)分料錐磨損的影響Fig.6 Effect of the Number of Guide Plates on the Wear of the Split Cone

當(dāng)仿真時(shí)間為5s時(shí)，記錄導(dǎo)流板不同的安裝數(shù)目下，轉(zhuǎn)子內(nèi)部顆粒的總質(zhì)量。導(dǎo)流板的安裝數(shù)目為3時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部顆粒的總質(zhì)量最小，表明此時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)部顆粒的流動(dòng)性最好，分料錐的磨損也最小。而磨損均勻性隨著導(dǎo)流板的安裝數(shù)目從3個(gè)增加到6個(gè)先變差后變好；在導(dǎo)流板安裝數(shù)目為5時(shí)磨損均勻性最差，而在安裝數(shù)目為3時(shí)均勻性最好。所以綜合考慮分析，選取導(dǎo)流板的安裝數(shù)目為4，此時(shí)分料錐的磨損值最小，而磨損均勻性也相對(duì)較好。

5 生產(chǎn)參數(shù)對(duì)分料錐磨損的影響

影響分料錐磨損的生產(chǎn)因素很多，例如物料顆粒的粒形和粒徑的大小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，物料入料量，物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子的初始速度等。主要就轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n、物料入料量T、物料剛進(jìn)入轉(zhuǎn)子的初始速度v對(duì)分料錐的磨損進(jìn)行仿真分析。

5.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)分料錐磨損的影響

在保持其他參數(shù)不變的情況下，選取轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n分別為1600r∕min、2000r∕min、2400r∕min、2800r∕min、3200r∕min 進(jìn) 行 仿真分析，得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)分料錐磨損的影響，仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖7 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)分料錐磨損的影響Fig.7 Effect of Rotor Speed on the Wear of the Split Cone

分料錐的總磨損值和磨損均勻性隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，其變化規(guī)律基本一致，但并不是隨著轉(zhuǎn)速的提高而單一增加。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí)，分料錐的總磨損值和磨損均勻性都較低。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從1600r∕min增加到2800r∕min時(shí)，由于來自顆粒的沖擊力隨著轉(zhuǎn)速的增加也增加，再加上轉(zhuǎn)子內(nèi)部顆粒之間的擠壓、排擠等作用，相應(yīng)的也增大了分料錐的磨損。

而當(dāng)轉(zhuǎn)速從2800r∕min到3200r∕min時(shí)，分料錐的總磨損值和磨損均勻性卻大幅度減小了。通過分析仿真過程可以知道，較大的轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)子內(nèi)部的顆粒能夠快速地離開轉(zhuǎn)子，雖然顆粒的沖擊力增大了，但相應(yīng)地減少了顆粒對(duì)分料錐的沖擊次數(shù)，所以此時(shí)的分料錐磨損較低。但是隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的顆粒雖然能夠快速地離開轉(zhuǎn)子，由于顆粒的沖擊力過大，所以分料錐的磨損也逐漸增大。綜合考慮分析，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇2800r∕min。

5.2 物料入料量對(duì)分料錐磨損的影響

在保持其他參數(shù)不變的情況下，選取物料的入料量T分別為10t∕h、20t∕h、30t∕h、40t∕h、50t∕h進(jìn)行仿真分析，得到物料入料量對(duì)分料錐磨損的影響，如圖8所示。

圖8 入料量對(duì)分料錐磨損的影響Fig.8 Effect of Feed Volume on the Wear of the Split Cone

入料量從（10～30）t∕h時(shí)，分料錐的磨損值急劇增加；但入料量從（30～50）t∕h時(shí)，分料錐的磨損值的增加量開始逐漸減小。而分料錐的磨損均勻性隨著入料量的增加而變差。

這是由于隨著入料量的增加，單位時(shí)間通過分料錐的物料顆粒逐漸增加，但是物料堆積在分料錐的量具有一個(gè)頂峰，如果此時(shí)繼續(xù)增加入料量，對(duì)分料錐上方的堆積量的影響較小，所以對(duì)分料錐的磨損影響也較小。但分料錐的磨損均勻性隨著入料量的增加而變差。因此，入料量的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，在滿足生產(chǎn)需求的前提下，盡量減小入料量，從而減輕分料錐的磨損。

5.3 物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子的初始速度對(duì)分料錐磨損的影響

在保持其他參數(shù)不變的情況下，選取初始速度v分別為2m∕s、4m∕s、6m∕s、8m∕s進(jìn)行仿真分析，得到轉(zhuǎn)初始速度對(duì)分料錐磨損的影響，如圖9所示。

圖9 物料初始速度對(duì)分料錐磨損的影響Fig.9 Effect of Initial Material Velocity on the Wear of the Split Cone

隨著物料初始速度的增加，分料錐的磨損也越來越嚴(yán)重，同時(shí)磨損均勻性也隨之變差。這是因?yàn)殡S著物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子的初始速度的增加，物料在接觸分料錐的速度也變大了，而物料動(dòng)能的增加導(dǎo)致物料撞擊分料錐的沖量增加，對(duì)分料錐的磨損也越來越嚴(yán)重。因此，我們應(yīng)選取較小的給料高度，從而減小物料對(duì)分料錐的沖量，以此來減小分料錐的磨損。

6 結(jié)論

運(yùn)用離散單元法，在三維軟件solidworks中構(gòu)建轉(zhuǎn)子的三維模型，通過改變轉(zhuǎn)子導(dǎo)流板的數(shù)目和安裝角度這兩項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及轉(zhuǎn)子的入料量、物料的初始速度和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速這三項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)，以此進(jìn)行仿真分析，探究這些因素對(duì)分料錐磨損的影響。通過分析仿真結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）通過在離散元軟件中對(duì)轉(zhuǎn)子的分料錐進(jìn)行仿真分析，得到分料錐的主要磨損部位。

（2）從生產(chǎn)參數(shù)和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)兩個(gè)方面對(duì)分料錐的磨損規(guī)律進(jìn)行探究，導(dǎo)流板的安裝角度為0°導(dǎo)流板的安裝數(shù)目為4轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為2800r∕min時(shí)，分料錐的磨損性能最優(yōu)；同時(shí)應(yīng)盡量選取較小的入料量和較小的物料初始速度，以減小分料錐的磨損，從而使分料錐獲得良好的耐磨性能。