王再軍 岑春鐵

貴州遵鈦集團

海綿鈦破碎過程中降低剪切式破碎機故障率措施淺析

王再軍 岑春鐵

貴州遵鈦集團

由于海綿鈦具有硬且韌的特殊性質(zhì)，對其進行破碎一直是一項難度很大的技術(shù)對破碎機的性能有著很大的考驗。剪切式單輥破碎機作為海綿鈦的主要破碎設(shè)備，在環(huán)境惡劣、持續(xù)時間長的工況中，存在著不少突出問題：首先，破碎機齒輥很容易磨損失效而導(dǎo)致設(shè)備壽命很低；其次，破碎機破碎線過長，造成海綿鈦破碎效率低，且破碎粒度不夠均勻。因此，對剪切式單輥破碎機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，改善破碎機的工作性能，提高破碎機的壽命和效率顯得意義十分重大。

海綿鈦；破碎；故障

一般來說，通過外力把大顆粒物料變?yōu)樾☆w粒物料的過程叫作破碎，所使用的機械裝備稱為破碎機。物料破碎是一種被廣泛應(yīng)用在礦山、冶金、化工、電力、建材等工業(yè)部門的工藝過程，每年全國需要進行破碎的原料和再回收廢料數(shù)量十分龐大。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，各類金屬、非金屬礦物及水泥、建材等物料的社會需求量迅速增大，物料的破碎量和破碎設(shè)備的需求量也隨之加大，這使得破碎行業(yè)快速發(fā)展起來，成為工業(yè)中不可或缺的行業(yè)領(lǐng)域。

1 剪切式單輥破碎機的工作原理

剪切式單輥破碎機作為輥式破碎機的一種，破碎主要還是依靠齒輥的轉(zhuǎn)動來完場的。剪切式單無破碎機的破碎原理為：破碎機的電動機通過減速裝置帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸又通過鍵將轉(zhuǎn)速和扭矩帶給其上安裝的齒輯。物料自上而下通過導(dǎo)料槽從入料口送入，齒維向固定齒板方向轉(zhuǎn)動，將物料咬入破碎腔。隨著破碎腔的逐步變小，物料受到來自齒輥輯齒向下的壓力越來越大，而固定齒板因阻燒物料向下而產(chǎn)生的摩擦力也隨之越來越大，兩者合力對物料產(chǎn)生剪切作用，當(dāng)剪切力達到物料的破碎極限時，物料被剪切破碎，并從排料口排出。此時，破碎機完成一次單級破碎。通過調(diào)整固定齒板和齒輯之間的間距可以控制破碎粒度的大小。剪切破碎避免了對物料，尤其是海綿鈦的過度擠壓，排出料被壓實形成的致密塊很少。

破碎過程分析：破碎過程大致可分為三步：(1)大塊的海綿欽從運輸導(dǎo)料槽中排下，落入破碎機的入料日，被正在向固定板轉(zhuǎn)動的破碎齒輥咬入；(2)動力裝置的驅(qū)動下，破碎機齒輥不斷旋轉(zhuǎn)，海綿認(rèn)在輥齒和固定板的共同作用下承受壓力和剪切力，隨著破碎空間的逐步減小，所受的力也開始逐步增大，最終被不斷破碎成小塊；(3)海綿欽被破碎成符合要求的粒度，被破碎機排料排出。

2 剪切式單輥破碎機中存在的問題

剪切式單輥破碎機的工作環(huán)境比較惡劣，需承受很大的機械沖擊和扭矩。山于其工作部件整體重量大，磨損失效后進行拆裝和檢修都極為不便。對破碎機的關(guān)鍵零部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅可以改善設(shè)備的破碎性能和破碎效果，還可以延長其使用壽命，降低檢修強度和次數(shù)，提高經(jīng)濟效益，從各方而看都具有深遠(yuǎn)的意義。我國目前常用的優(yōu)化手段就是依靠經(jīng)驗來對原設(shè)備進行優(yōu)化改進，該方法的優(yōu)點是：在實際工況中，可以針對所出現(xiàn)的毛病和問題進行不斷調(diào)整，改善后的效果又一可以在實際應(yīng)用中得到驗證，但是山于缺乏對設(shè)備的計算和定性分析，經(jīng)驗設(shè)計可能需要進行多次嘗試和改進才能達到最優(yōu)，浪費了人力物力和時間，因此還是具有一定局限性。

3 優(yōu)化海綿鈦過程，降低剪切式破碎機故障

3.1 單輥破碎機齒輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于單輥破碎機的整個齒輥模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜但又有具有規(guī)律性，因此還是先選取其中一片齒輥進行優(yōu)化。

3.1.1 確定目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計變量。想要對齒輥進行優(yōu)化，第一步就是先建立齒輥的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，這就需要確定齒輥優(yōu)化的設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)。顯而易見，齒輥的主要失效形式是齒根的斷裂和齒刃的磨損，根據(jù)齒輥應(yīng)力分析可以確定，齒輥在齒刃部位所受的應(yīng)力最大，即齒刃為最薄弱環(huán)節(jié)，因此在齒刃處的最大應(yīng)力值即為目標(biāo)函數(shù)。對該目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化也就意味著追求最大應(yīng)力在一定限制范圍內(nèi)的最小值。對于齒輥的幾何參數(shù)，有些對其強度有很大影響，而有些無關(guān)緊要，因此在選擇設(shè)計變量時要盡量挑選最重要的影響參數(shù)，比如距離、半徑、厚度、寬度等，要注意到設(shè)計變量選擇的不宜太多。

3.1.2 優(yōu)化設(shè)計的求解過程。優(yōu)化設(shè)計的求解過程在經(jīng)典ANSYS軟件中進行，由于之前己經(jīng)對齒輥建立了有限元模型并分析了其應(yīng)力，因此在之后進行的求解過程可以在之前分析的基礎(chǔ)上進行，步驟可以大致可以分為6步：

(1)在ANSYS界面中進入到后處理階段后，創(chuàng)建一個齒輥模型優(yōu)化數(shù)據(jù)表文件；

(2)在界面菜單中完成對文件路徑的定義和數(shù)據(jù)映射設(shè)置，其中需要定義等分參數(shù)，本次優(yōu)化等分參數(shù)數(shù)值為10；

(3)將齒輥優(yōu)化文件日志的名字命名為“chigun"，設(shè)置齒輥的優(yōu)化文件：

(4)對齒輥優(yōu)化模型的設(shè)計變量，即對齒輥強度影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義名稱和變化范圍；

(5)對設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)進行設(shè)置，將目標(biāo)函數(shù)定義為MISES；(6)選擇子問題法作為優(yōu)化齒輥的方法，并目開始運行程序。

3.1.3 結(jié)果優(yōu)化。對剪切式單輥破碎機的齒輥進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，將在齒輥齒刃上所受的最大等效應(yīng)力作為目標(biāo)函數(shù)，通過ANSYS軟件優(yōu)化齒輥的齒寬、齒厚、輥齒倒角和齒輥直徑的尺寸，降低了最大應(yīng)力，達到了優(yōu)化效果：(1)介紹了優(yōu)化設(shè)計的基本理論和求解方法，并詳細(xì)介紹了ANSYS軟件進行優(yōu)化設(shè)計的特點和步驟；(2)確定齒輥齒刃處的最大應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)定了4個設(shè)計變量的變化范圍；(3)運用ANSYS軟件對齒輥進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過優(yōu)化計算得出優(yōu)化后最大應(yīng)力的最小值(278MPa)及各尺寸對應(yīng)的優(yōu)化值，并分析了優(yōu)化效果。

剪切式單輥破碎機在實際工況中常常會出現(xiàn)破碎齒輥易磨損，壽命短的問題，大大影響了破碎機的生產(chǎn)質(zhì)量和使用壽命。本文結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)對剪切式單輥破碎機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)一一齒輥進行了應(yīng)力和模態(tài)的有限元分析，通過對齒輥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提高了齒輥的強度和壽命。

[1] 徐雯. 剪切式海綿鈦破碎機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].蘭州理工大學(xué)，2014.

[2] 袁聿新. 小粒度海綿鈦破碎設(shè)備與工藝研究[J]. 稀有金屬，1991，04：306-309.

[3] 肖印杰. 談降低海綿鈦中雜質(zhì)氧含量的途徑[J]. 鈦工業(yè)進展，1998，02：31-33.