立式?jīng)_擊式破碎機簡介.doc

2014科研訓練：立式?jīng)_擊破碎機設計中國礦業(yè)大學機電工程學院機械工程2011級科 研 訓 練立式?jīng)_擊破碎機設計目錄1.緒論21.1 立軸沖擊式破碎機簡介21.1.1 工作原理31.1.2 結構組成41.1.3 應用領域71.2 課題研究的意義和目的72國內外研究現(xiàn)狀82.1 國內立軸式?jīng)_擊破碎機發(fā)展概況82.2 國外立軸式?jīng)_擊破碎機發(fā)展概況92.3 國內外產品差距113、課題研究的思路與方法123.1 建立科學的設計方法123.2 運用Auto CAD及Pro/E軟件進行輔助設計123.3 使用ANASYS軟件對關鍵部件及結構進行仿真并優(yōu)化124、課題研究的內容及預期成果134.1 研究內容134.1.1 破碎機結構設計134.1.2 控制及輔助系統(tǒng)設計144.2預期成果145、課題研究進度安排156、參考文獻151.緒論粉碎是人類日常生活當中不可缺少的獲得有價材料和各種礦物原料的重要手段。用于粉碎所需的基建費用和生產費用都相當大。尤以電能消耗和設備磨損為主要指標。專家們指出全世界每年在粉碎上所花電耗為總電能的3%。要求細的粉碎粒度，機械無故障運轉以及設備微小磨損和節(jié)能是全世界粉碎工作者多年來共同研究的課題。而立軸沖擊式破碎機就是今年來逐漸興起的一種高效、可靠的破碎、粉碎設備。1.1 立軸沖擊式破碎機簡介立軸沖擊式破碎機(制砂機)廣泛應用于各種礦石、水泥、耐火材料、鋁礬土熟料、金剛砂、玻璃原料等高硬、特硬物料的中、細碎領域。在機制建筑砂、石料以及各種冶金礦渣的破碎中更是得到普遍使用，特別對中硬、特硬物料比其他類型的破碎機更具有優(yōu)越性，產量功效高。目前已經(jīng)替代錘式破碎機、對輥破碎機、棒磨機等傳統(tǒng)設備，成為制砂行業(yè)的主流設備。圖1.1-1雙電機驅動的立軸沖擊破碎機圖1.1-2 單電機驅動的立軸沖擊破碎機剖視圖1.1.1 工作原理 立軸沖擊式破碎機由進料斗、吊架、渦流破碎腔、葉輪體、主軸、底座、傳動裝置及電機部分組成。其工作原理是：物料由進料斗進入葉輪腔內（途經(jīng)吊架處中心進料管），由分料錐把物料以傘狀形式均勻地拋于葉輪流道內，經(jīng)高速旋轉的葉輪瞬間加速至 60 75 米 / 秒,從葉輪周圍的流道腔內拋射出去，沖擊到渦流腔內渦流襯層上，被物料襯層反彈，斜向沖擊到渦流腔的頂部，又改變其運動方向，偏轉向下運動，和葉輪流道腔內拋出的物料形成連續(xù)的物料幕。這樣，一塊物料在渦流破碎腔內受到兩次至多次破碎撞擊，被破碎的物料由下部排料口排出，經(jīng)循環(huán)篩分系統(tǒng)形成閉路，一般循環(huán)三次即可將物料破碎成為 4.75mm 以下。這種破碎機優(yōu)點是破碎比與耐磨襯板的磨損無關。由于這種特性，任何物料一無論其耐磨性能如何都可以很經(jīng)濟的使用轉子離心式破碎機進行破碎，獲得立方型顆粒含量.超過80%的高質量產品。同時也提高了破碎面的比例。渦流腔內部巧妙的氣流自循環(huán)，消除了粉塵污染。溢流給料并不需要增加破碎機的功率消耗和磨損費用，溢流給料增加了破碎機腔內部的顆粒密度，更有效的破碎更多的顆粒，提高了能量利用率。圖1.1.1 破碎機破碎原理圖1.1.2 結構組成立軸沖擊式破碎機主要由進料斗、吊架、渦流破碎腔、葉輪體、主軸總成、底座、傳動裝置及電機等七部分組成。具體結構見圖1.1.2（立軸沖擊式破碎機結構剖視圖） 圖1.1.2-1立軸沖擊式破碎機結構剖視圖(1) 進料斗 進料斗的結構為一倒立的棱臺體（或圓筒體），進料口設置耐磨環(huán)，從給料設備的來料經(jīng)給料斗進入破碎機。(2) 吊架 吊架安裝在渦流破碎腔的中間葉輪的上部，物料經(jīng)中心入料管進入葉輪，被加速到較高速度拋射出去，不增加功率消耗，增加生產能力，提高破碎效率，同時對葉輪上端面也起到保護作用。 (3) 渦流破碎腔 渦流破碎腔的結構形狀為上、下兩段圓柱體組成的環(huán)形空間，葉輪在渦流破碎腔內高速旋轉，渦流破碎腔內也能駐留物料，形成物料襯層，物料的破碎過程發(fā)生在渦流破碎腔內，由物料襯層將破碎作用與渦流破碎腔壁隔開，使破碎作用僅限于物料之間，起到耐磨自襯的作用。觀察孔是觀察葉輪流道發(fā)射口處拋料頭的磨損情況及渦流破碎腔頂部襯板的磨損情況，破碎機工作時必須將觀察孔密封關嚴。分料器固定在渦流破碎腔的上部圓柱段。葉輪高速旋轉產生氣流，在渦流破碎腔內通過分料器、葉輪形成內部自循環(huán)系統(tǒng)。 (4) 葉輪 葉輪是由特殊材料制作的空心圓柱體，安裝在主軸總成上端，用圓錐套和鍵聯(lián)接傳遞鈕距，高速旋轉，葉輪是沖擊破碎機的關鍵元件。物料由葉輪上部分料器的中心入料管進入葉輪的中心。由葉輪中心的分料錐體將物料均勻的分配到葉輪的各個發(fā)射流道，在發(fā)射流道出口，安裝有特殊材料制成的拋料頭，可以更換。葉輪將物料加速到60-75m/s拋射出去，沖擊到渦流破碎腔內的物料襯層，進行強烈的自粉碎，在分料錐和耐磨塊之間裝有上、下流道板，保護葉輪不受磨損。 圖1.1.2-2 轉子結構剖視圖(5) 主軸總成 主軸總成安裝在底座上，用以傳遞電動機經(jīng)由三角皮帶傳來的動力及支撐葉輪旋轉運動。主軸總成由軸承座、主軸、軸承等組成。 (6) 底座 渦流破碎腔、主軸總成、電動機、傳動裝置均安裝在底坐上，底座結構形狀，中部為四棱柱空間， 四棱柱空間的中心，用于安裝主軸總成，兩側形成排料通道。雙電動機安裝在底座縱向兩端，底座可安裝在支架上，也可直接安裝在基礎上。 (7)傳動裝置 采用單電機或雙電機驅動的皮帶傳動機構(75KW 以上,為雙電機傳動),雙電機驅動兩臺電動機分別安裝在主軸總成兩側,兩電機皮帶輪用皮帶與主軸皮帶輪相連,使主軸兩側受力平衡,不產生附加力矩。 (8)支架 根據(jù)破碎機工作場所不同-露天作業(yè)或室內作業(yè)，可以考慮配置支架或不配置支架。 (9)潤滑系統(tǒng) 采用特級潤滑脂（滴點290320度）集中潤滑，潤滑部位為主軸總成上部軸承和下部軸承兩處，為使注油方便，用油管引到機器外側，用于油泵定期加油。1.1.3 應用領域（1）采石立軸沖擊式破碎機是公認的用于鋪路瀝青、混凝土，標準砂石等的優(yōu)質骨料生產設備。能夠破碎多種物料，特別是堅硬、磨蝕性強的巖石。破碎機的高速撞擊破碎能夠以最低成本生產高等級產品，同時降低了噪音和改善了石料粒形，減少產品含水量，便于后續(xù)篩分作業(yè)。（2）工業(yè)礦石立軸沖擊式破碎機能夠有效控制產品級配、產量高、運行成本低，并能生產大量細粒級產品，因此立軸沖擊式破碎機特別適應于工業(yè)礦石的加工領域。在工業(yè)礦石加工領域，高磨蝕性的工業(yè)礦石加工行業(yè)特別受歡迎?，F(xiàn)在，在鉆石礦，成為從工業(yè)脈石提取鉆石的高效設備；在水泥行業(yè)，也成為節(jié)約成本、增加產量，生產磨機給料的首選細碎設備。（3）礦山在一臺設備中同時具備了破碎和碾磨的功能了可以加工幾乎所有的堅硬、高磨蝕性，脆性物料和粘性物料。立軸沖擊式破碎機產量高，能夠生產細粒產品，可用于生產磨機給料、燒結給料、準浸料等領域，成為替代高成本、低效率的碎磨設備的理想選擇。（4）廢料回收由于人們環(huán)保意識的不斷加強，廢料回收產業(yè)的不斷發(fā)展，立軸沖擊式破碎機正在成為廢料回收領域的重要一員，廢料回收不僅僅限于建筑廢料的回收，還包括玻璃、爐渣和其它具有可再生經(jīng)濟價值的廢料。是加工此類廢料的理想方法，并且多種配置能夠應用干多種不同領域。1.2 課題研究的意義和目的立式?jīng)_擊式破碎機相對于傳統(tǒng)的顎式破碎機，圓錐破碎機具有以下幾點優(yōu)勢：1.破碎效率高，具有細碎、粗磨功能；2.結構簡單、安裝、維修方便、運行成本低；3.通過非破碎物料能力強，受物料水份含量影響小，含水份可達8%；4.產品粒形優(yōu)異，呈立方體，針片狀含量極低，適宜骨料整形、人工制砂及高等級公路骨料生產；5.產品堆積密度大，鐵污染極小因此開發(fā)設計高效可靠的立式?jīng)_擊破碎機將會促進礦山、建筑等行業(yè)的發(fā)展。2國內外研究現(xiàn)狀2.1 國內立軸式?jīng)_擊破碎機發(fā)展概況近幾年來，國內VSI機也有極大發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1) VSI機的國內制造商越來越多，且各家公司的新產品小斷推出，其產品生產數(shù)量也在穩(wěn)步增長；(2)機器的規(guī)格逐漸大型化。如鄭州一帆公司的葉輪直徑己達1 300 mm，處理能力相應增大，且排料中成品砂的百分比含量也達到先進水平，接近50%；(3)比較規(guī)范化的產品，其綜合品質穩(wěn)定，小少廠商對機器的振動、噪聲、粉塵等開始控制，且易損件的使用壽命提高，有廠商報導，在處理河卵石時其外刀的使用壽命己超過200 h；(4)機器的品種增多，小僅有石打石和石打鐵，而且開式葉輪在個別公司開始采用，其導向板的壽命達到正常使用要求。由于上述的因素，國內客戶開始信任國產的VSI機，在部分使用場合，如中硬物料處理，先進的國產設備可以與進口設備抗衡；目前，國內市場上的VSI機從技術層面上可劃分為三種:自行開發(fā)的產品(包括仿制的)、中外合作產品和全部進口的產品。當砂石場生產規(guī)模越來越大之后，進口設備的價格相對較高，己小成為客戶購買的阻力。而阻力來自使用的高成木和洋設備的難侍候。中外合作產品進入國內市場較晚，由于技術成熟，且易損件己國產化，中方合作者能為客戶選型把關，提供較良好的售后服務，彌補全進曰設備的弊病，故顯示較強的市場競爭力。國內自主開發(fā)產品盡管仿制而來，如果僅憑價格優(yōu)勢，小在技術上、質量上與時俱進，雖然目前市場上銷售數(shù)量占優(yōu)，但前景不容樂觀。2.2 國外立軸式?jīng)_擊破碎機發(fā)展概況立軸沖擊式破碎機(VSI)的一個重要市場促進因素是提供立方體形的碎石，滿足超級鋪設材料的規(guī)范。在被集料經(jīng)營商廣泛認可之后，當前VSI的用戶和制造商正環(huán)繞著更滿意的形狀或更有收益的碎石來推VSI的應用。大型化的VSI機，具有靈活的機械性能、好的耐磨材料和零件設訓、以及更有效的粉塵控制系統(tǒng)等，正推動VSI機在第四級、第二級甚至第二級(破碎)同路中的應用，接近臥式反擊式破碎機和圓錐破碎機的水平。改進磨損率，是每一個VSI機制造商的首要目標。通過給料管、分配板、轉子和導向板臺的綜合設訓，來增加通過破碎機物料的處理量，以及通過在高磨損表面澆鑄復合陶瓷和鎢來實現(xiàn)這一目標。此外，制造商己經(jīng)致力于制造更易獲得和更牢固的耐磨件替代品。以下概述多個制造商宣稱他們在設訓和操作上與其他VSI機的不同處。(1) CemeoCemeo公司7種VSI型號系統(tǒng)的頂端是Turho160, Turho175。重達77,000磅(約35t)的Turho175是一種“導向板與反擊板”的機器，石料槽可選擇，其導向板臺可以裝3一5個導向板，每件重136磅( 62kg)的導向板，據(jù)稱，僅需2個螺栓固定，小需要其他固定來抗離心力和破碎力。通過速度和沖擊距離能夠變化來得到最好的破碎效果。該公司稱:2臺Turbo 175 機器分別裝置8001,000馬力的動力，其通過量在8001,300t/h之間，己經(jīng)運行1年以上。Turbo 160有相似的處理能力，但僅56,000磅重，恰好滿足移動式。這兩種機器在處理石灰石時允許最大給料邊長均為7(約180 mm )，Cemco公司正在Turbo 175機器上試驗陶瓷導向板。(2) Impact Service CorpISC公司最新的VSI機為130型，重86 976磅(不包括電機)，具有130(約3,300 mm)直徑的大圓桶和61.25直徑的轉臺，裝有266磅的導向板，ISC公司還介紹大轉臺的103型.70型和82型V SI機。103型的轉臺直徑54.5具有4個螺栓導向板緊固系統(tǒng)，在導向板的背面設有垂直鎖緊銷a ISC公司認為這種新設訓將允許更大的給料規(guī)格和更快的轉臺速度，70型和82型具有48.5的直徑轉臺，最多可裝7塊導向板來得到最細的產品，據(jù)ISC認為，較大直徑的轉臺增加了導向板空間，可以減少每噸產品的拖動電流，可以增加通過量和降低成木。該公司為增加耐磨件壽命，正進行系列的轉臺導向板、反擊板、內帶鑲嵌式陶瓷的給料盤等研發(fā)。(3) Kolbeng一Pioneer該公司五種型號VSI機處理最人給料規(guī)格從2到6。其中二種型號(機器)既可以是標準型(導向板與反擊板)半一體型(閉合轉子與反擊板)也可以是全一體型(閉合轉子與混合巖石槽)結構。該公司這種獨有的混合石料槽融合了“石打石”和“石打鐵”的破碎方式。在反擊板前面的沖擊區(qū)域，物料收集到石料槽上提供抗磨蝕性的保護。該公司認為，反擊板從背面支撐所積聚的物料以增加破碎效果。該公司的VSI機可采用導向板轉臺或閉合轉子，閉合轉子的所有耐磨件全部螺栓緊固，包括可更換的碳化物條(外刀)。轉臺采用銷固定或螺母固定的導向板和可更換的襯板。(4) Metso Minerals該公司提供二個系列產品，巴馬克VSI破碎機為應用的需要有“石打石”或“閉合轉子與反擊板”構造。巴馬克的B系列產品具有一個閉合轉子和石料槽，以及一個瀑落的給料系統(tǒng)，轉移部分給料直接進入破碎腔而繞過轉子。在破碎機運行中，瀑落物料可由手動或自動插板系統(tǒng)調整。破碎機的其他調整還包括轉子速度和直徑，選擇破碎腔的中空環(huán)。操作控制系統(tǒng)可顯示振動和軸承、電機溫度。B系列的7種型號最大給料規(guī)格從3/4到3之間。美卓VI系列VIS機的4個型號允許最大給料規(guī)格從1.0(閉合轉子)到6(開式轉子)在同一種淚L架內，可由開式轉子和反擊板變到NJ式轉子和石料槽。美卓VI系列獨有的圓柱形反擊板，當半面磨損時可轉換。美卓公司稱:空氣流量的減少和在破碎機頭罩內的再循環(huán)，使VI系列設計減少粉塵的排放。(5) REMCO該公司的巖石土和制砂土VSI機系列的“石打石”和ST/AR的“石打反擊板VSI機許可給料量高達1 500t/h，給料規(guī)格達4。作為第二級或第四級同路的典型設備，機器所需動力從60馬力到1 500馬力。該公司轉子可采用3個、4個、5個或6個插入式設訓的出口，小用螺栓安裝的鎢鋼片容易更換。該公司稱，硬質的AR鋼替換頂部和底部耐磨盤減少了轉子體修理時焊接的工作量。4個或5個導向板轉臺也可采用ST/AR型。ST/AR型(帶同轉頂蓋/反擊板圈)破碎機具有可翻轉的反擊板，設置在能上升或卜降的多個位置的反擊板圈上，以增加反擊板允許磨損量。所有的ST/AR型式都能從反擊板圈轉換為石打石腔型。該公司建議反擊板僅僅在物料含有磨蝕性成分小于15%時使用。15%指作巖石化學分析時硅、l和鐵的總的百分比2.3 國內外產品差距對照國內外主要VSI制造商所提供的產品性能，國產機與國外主要公司產品的差距是全方位的，主要表現(xiàn)在下列幾方面。(1) 客戶服務客戶服務，特別是售前的選型服務上。大多數(shù)國內制造商目前開發(fā)的產品，基礎是仿制，往往“知其然而不知其所以然”。而對不同的客戶情況，由于缺乏實驗數(shù)據(jù)，常常以小變應萬變。造成同樣機器，不同客戶使用效果不一樣?？蛻舻钠扑楹Y分系統(tǒng)的缺陷也會影響VSI機的使用。例如:當系統(tǒng)未配置除鐵器時，鐵件進入將損壞機器，當系統(tǒng)供料粒度超過允許值時，會引起不正常運轉。當進料中含有過多水分時，易損件將加劇磨損。當進料無法調節(jié)時，其小均勻性將影響機器的制砂效果等等。這些客戶必須注意的事項，國內制造商往往不能像他們的國外同行那樣，在客戶選型時詳細說明，從而也損害了國產VSI機聲譽。(2) 產品規(guī)格和性能在產品規(guī)格和使用性能上，特別在機器的大型化方面。將國外大規(guī)格的VSI機與國內最大制造規(guī)格相比在產品大型化上的差異，是設訓水平、制造商能力和國內配套件性能(如軸承)等方而的綜合反映。例如: 轉子體的上下面采用圓錐環(huán)緊固定位。在高速運轉中不能絲毫松動，在名義尺寸600 mm直徑時其上下錐面同心度公差神戶制鋼廠設計為0.02 mm，這一設計要求對制造商的加工能力是一個考驗。(3) 機器的使用壽命沖擊式破碎機的使用壽命原來就比其他類型的破碎機低，如顎式、圓錐式等。而立軸沖擊式又比臥式?jīng)_擊式使用工況更惡劣。因此，機器零部件的使用壽命，是VSI機制造商的生命線，在相仿的使用工況下，對零件壽命作一對照(見表2.3.1)表2.3.1零件壽命對比表對比項外力內力上下襯板葉輪本體反擊板神戶制鋼53053010602120530國內代表性產品150300500不詳3003、課題研究的思路與方法3.1 建立科學的設計方法由于行業(yè)技術水平的制約，眾多的設計制造廠家在生產立式破碎機時，僅是進行經(jīng)驗設計，即通過調查服役設備運行狀況，反過來修改設計，沒有用理論指導實踐，尤其是設計時沒有考慮所破物料性能的差異，顯然這是不合理的。為此，通過對立式破碎機工作原理、結構特點的分析，利用產量公式計算相關零部件強度，建立關鍵部件及結構的設計方法。3.2 運用Auto CAD及Pro/E軟件進行輔助設計使用計算機輔助設計軟件進行高效準確的繪圖，并利用Pro/E進行三維建模，使得整體設計能夠直觀地展現(xiàn)出來3.3 使用ANASYS軟件對關鍵部件及結構進行仿真并優(yōu)化由于破碎機結構及應力分布情況都十分復雜，運用傳統(tǒng)的數(shù)學分析方法很難找到結構上薄弱或強度過剩的部位，應此考慮使用ANASYS軟件對其進行仿真及分析。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計算機輔助設計（CAD，computer Aided design）軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。計劃使用該軟件進行（1）結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。求解慣性和阻尼對結構的影響的問題。并找出相應的薄弱部位并作出相應的結構上的優(yōu)化設計，在保證整體強度及壽命的情況下盡力降低生產成本，提高產品效率。（2）結構動力學分析結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。4、課題研究的內容及預期成果4.1 研究內容4.1.1 破碎機結構設計（1）立式?jīng)_擊破碎機功率計算與電機的選擇根據(jù)理論分析得到立式?jīng)_擊破碎機適用的電機功率理論計算公式，從工況分析、受力分析和電機拖動原理人手，經(jīng)過較為詳細的理論推導，得到立式?jīng)_擊破碎機電機功率的理論計算方法。（2）主軸及轉動系統(tǒng)的設計通過對立式破碎機工作原理、結構特點的分析，利用產量公式計算主軸強度，建立主軸的設計方法。并相應設計與電動機配套的傳動系統(tǒng)（3）轉子設計轉子由特殊材料制作的空心圓柱體，安裝在主軸總成上端，用圓錐套和鍵聯(lián)接傳遞鈕距，高速旋轉，將進料加速到極高的速度并拋出進行破碎，該部件是沖擊破碎機的關鍵元件，它的設計好壞直接影響到破碎機的破碎性能及使用壽命。（4）破碎腔體設計渦流破碎腔是立軸沖擊破碎機的重要部件之一，渦流破碎腔的結構形狀為上、下兩段圓柱體組成的環(huán)形空間，葉輪在渦流破碎腔內高速旋轉，渦流破碎腔內也能駐留物料，形成物料襯層，物料的破碎過程發(fā)生在渦流破碎腔內，由物料襯層將破碎作用與渦流破碎腔壁隔開，使破碎作用僅限于物料之間，起到耐磨自襯的作用。（5）其它部件及結構設計包括底座、支架、吊架及進料斗等的設計。4.1.2 控制及輔助系統(tǒng)設計（1）自動控制破碎過程系統(tǒng)的設計自動控制系統(tǒng)在破碎生產中發(fā)揮的作用越來越重要。它能夠保證在合理的負荷范圍內，產量最大，效率最高。擬開發(fā)先進的自動控制技術操作控制系統(tǒng)和自動調整裝置，從而操作者能夠充分發(fā)揮立軸沖擊破碎機的各種性能，精確控制瀑布流，使最終產品的運行成本達到最低。（2）自動潤滑裝置的設計設計自動潤滑系統(tǒng)通過使用由電機驅動的油脂泵和分流閥，確保了精確的計量流量進入破碎機油承福。三個分流閥在出廠前已進行設定，可以為釉承箱提供正確的油脂量。4.2預期成果完成立式?jīng)_擊破碎機的設計，繪圖，及三維建模工作，在條件允許的情況下完成該機械的自動控制系統(tǒng)的軟硬件設計，并使用軟件對原先的設計進行仿真及優(yōu)化。5、課題研究進度安排序號時間安排（2015年）項目名稱11.011.15收集相關資料并確定設計指標21.161.31立式?jīng)_擊破碎機功率計算與電機的選擇32.013.15主軸及轉動系統(tǒng)的設計43.163.31轉子設計54.014.15破碎腔體設計64.164.30其它部件及結構設計75.015.10自動控制破碎過程系統(tǒng)的設計85.115.20自動潤滑裝置的設計95.205.31使用軟件進行仿真及優(yōu)化6、參考文獻1 美卓礦機. 諾德伯格巴馬克B系列立軸沖擊式破碎機M. 美卓礦