馬立峰，吳鳳彪，潘偉橋，趙廣輝，張 健

(太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

礦物資源的開采和利用對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和人民日常生活都具有極其重要的戰(zhàn)略意義。圓錐破碎機(jī)作為礦山物料破碎中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于礦石的中、細(xì)碎階段，隨著“以破代磨”的不斷提倡，使得圓錐破碎機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。由于圓錐破碎機(jī)工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，產(chǎn)品可靠性較低，因此，為了提高設(shè)備質(zhì)量，降低生產(chǎn)能耗，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的科學(xué)理論探索與研究，通過對(duì)設(shè)備優(yōu)化，理論不斷完善，在提高生產(chǎn)率、降低能耗、節(jié)約企業(yè)成本等方面取得了重大進(jìn)展[1-3]。

1 圓錐破碎機(jī)的分類及工作原理

1.1 彈簧圓錐破碎機(jī)

世界上第一臺(tái)圓錐破碎機(jī)專利的公布就是關(guān)于彈簧圓錐破碎機(jī)，該類型破碎機(jī)最初是由美國(guó)西蒙斯兄弟二人設(shè)計(jì)[4]。隨著人們對(duì)破碎機(jī)的研究不斷深入，彈簧圓錐破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)也逐步完善，性能更加穩(wěn)定。我國(guó)以蘇聯(lián)1650和2100兩個(gè)型號(hào)的彈簧圓錐破碎機(jī)為依托，經(jīng)過不斷改進(jìn)和探索，最終設(shè)計(jì)出了1200型彈簧圓錐破碎機(jī)，雖其性能與國(guó)外還存在較大差距，但經(jīng)過多年的探索研究與改進(jìn)，現(xiàn)階段我國(guó)的圓錐破碎機(jī)在性能與可靠性上與國(guó)外的差距越來越小。

彈簧圓錐破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。主要由動(dòng)定錐、偏心套、機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)等幾部分組成。該類型破碎機(jī)的特點(diǎn)是在定錐周圍采用了螺旋彈簧來作為保險(xiǎn)調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)破碎機(jī)在工作過程中遇到不能破碎的物料時(shí)，通過周圍的螺旋彈簧調(diào)節(jié)排料間隙，從而保護(hù)整臺(tái)設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)上的缺陷, 造成破碎產(chǎn)品粒度較粗。

圖1 彈簧圓錐破碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 液壓圓錐破碎機(jī)

19世紀(jì)50年代，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，圓錐破碎機(jī)開始由彈簧調(diào)節(jié)排料口間隙和過鐵保護(hù)轉(zhuǎn)向采用液壓調(diào)節(jié)，圓錐破碎機(jī)開始由彈簧式向液壓式過渡發(fā)展[5]。

1948年美國(guó)阿利斯-卡爾默斯公司首先生產(chǎn)了該型破碎機(jī)，相較于彈簧式來說，結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)降低，且液壓控制穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，過鐵保護(hù)性能優(yōu)越，破碎產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提高。液壓式圓錐破碎機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。其工作原理與彈簧式圓錐破碎機(jī)基本一致，主要區(qū)別就是排礦口與過載保護(hù)上替換成了更高效和更安全的液壓系統(tǒng)。

圖2 多缸液壓圓錐破碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 慣性圓錐破碎機(jī)

慣性圓錐破碎機(jī)由蘇聯(lián)研發(fā)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，一經(jīng)問世，很快占領(lǐng)了一定的市場(chǎng)份額。與傳統(tǒng)圓錐破碎機(jī)結(jié)構(gòu)原理不同，其傳動(dòng)系統(tǒng)與定錐間不是剛性連接，因此即使腔內(nèi)出現(xiàn)不可破碎物料，也無需采用過載保護(hù)。采用層壓破碎原理產(chǎn)品破碎質(zhì)量較高，破碎比可以達(dá)到4～30。由于內(nèi)部采用的不是剛性連接，整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，功耗相較于液壓圓錐破碎機(jī)低40%左右[6]。

慣性圓錐破碎機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。慣性圓錐破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較特殊，動(dòng)錐在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還伴隨著自身強(qiáng)烈的脈沖振動(dòng)，頻率可達(dá)每旋轉(zhuǎn)一周振動(dòng)100多次，正是由于這強(qiáng)烈的振動(dòng)，使得物料破碎會(huì)更加充分，破碎產(chǎn)品質(zhì)量更高。慣性圓錐破碎機(jī)的破碎力，由激振器和動(dòng)錐產(chǎn)生的離心力所組成，與被破碎物料的硬度、破碎腔內(nèi)物料填充程度無關(guān)。調(diào)整激振器的偏心塊質(zhì)量、改變偏心距、改變激振器的轉(zhuǎn)速，得到針對(duì)任何工作條件所需要的破碎力。

圖3 慣性圓錐破碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 圓錐破碎機(jī)性能研究現(xiàn)狀

2.1 圓錐破碎機(jī)能耗預(yù)測(cè)研究

隨著世界工業(yè)進(jìn)程的不斷加快，各國(guó)對(duì)于破碎物料量的需求達(dá)到了高峰[7]。我國(guó)有將近100億噸/年的需求量，面對(duì)如此龐大的需求量，礦石破磨加工行業(yè)的功耗占到了整個(gè)礦石加工業(yè)總耗能的一半[8]。面對(duì)如此大的功耗，科研人員對(duì)礦石破磨過程與能耗進(jìn)行科學(xué)理論探索與研究，通過對(duì)設(shè)備的不斷優(yōu)化，理論得到不斷完善[9]。

早期，科研人員將三大經(jīng)典破碎理論作為能耗研究的基礎(chǔ)，Rittnger表明物料破碎增加的表面積與破碎能耗成正比關(guān)系，Kick表明物料破碎后的體積總和大小與破碎能耗成正比關(guān)系，Bond表明物料的裂隙長(zhǎng)度與破碎能耗成正比關(guān)系，1975年，Hukki以實(shí)驗(yàn)的形式證明了該三個(gè)理論的局限性和適用范圍。之后，Morrell也對(duì)該三個(gè)理論做了進(jìn)一步發(fā)展，雖然考慮了物料硬度和抗壓強(qiáng)度等因素，但仍然對(duì)能耗的研究不夠準(zhǔn)確，主要原因是未考慮物料破碎粒度的分布情況。

對(duì)此，瑞典科研人員Lindqvist、E.Lee等提出了考慮粒度分布及層壓破碎的能耗數(shù)學(xué)模型，得到了業(yè)界的認(rèn)可，國(guó)內(nèi)北京科技大學(xué)劉瑞月[1]博士、上海交通大學(xué)馬彥軍[14]博士等以此為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)室以某一礦石為例，利用數(shù)學(xué)回歸方法，建立了考慮壓縮比和粒度分布的能耗模型，該模型在鞍山PYGB1821多缸破碎機(jī)的應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

但是目前的研究成果是基于實(shí)驗(yàn)室模擬層壓破碎取得的，與破碎機(jī)實(shí)際中層壓破碎工況有一定的差距，粒度分布系數(shù)計(jì)算不夠準(zhǔn)確，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開展進(jìn)一步的研究。

2.2 襯板磨損預(yù)測(cè)研究

動(dòng)錐的高速旋擺運(yùn)動(dòng)使得物料不斷受到動(dòng)錐和定錐襯板的擠壓，同時(shí)，動(dòng)錐繞其自身主軸有一定的旋轉(zhuǎn)，造成物料沿著襯板表面有一定的滑動(dòng)，擠壓和滑動(dòng)共同引起襯板的磨損消耗。磨損不僅引起襯板的更換頻率，同時(shí)增加了破碎機(jī)更換襯板時(shí)的停機(jī)時(shí)間，給生產(chǎn)企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外科研人員針對(duì)提高襯板壽命，進(jìn)行襯板磨損預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了大量的研究。

Lindqvist、Terva.J、Bengtsson.M、Moshgbar.M、Hulthen.E等國(guó)外科研人員研究了破碎機(jī)排礦口css、進(jìn)動(dòng)角、轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)磨損的影響，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，建立相應(yīng)模型，表征了破碎過程中承辦磨損特性，表明襯板磨損量與破碎過程中破碎力的關(guān)系。Boemer、Sinnotte.D、Cleary.W等人員采用離散單元法(DEM)研究了不同的物料、不同的工作參數(shù)所產(chǎn)生的擠壓力變化規(guī)律，以及壓力分布與襯板磨損之間的關(guān)系，對(duì)襯板磨損進(jìn)行了預(yù)測(cè)[10-12]。國(guó)內(nèi)方杰等利用ANSYS仿真，結(jié)合實(shí)際工況，分析了襯板表面磨損微觀組織變化，證明了各種磨損機(jī)制的權(quán)重。燕山大學(xué)張子龍[5]博士通過數(shù)值模擬提出了破碎腔恒定磨損準(zhǔn)則。

以上研究建立了不少的磨損模型，但對(duì)考慮襯板的磨損引起腔型的變化研究不夠深入，以及只是應(yīng)用仿真軟件對(duì)腔型變化對(duì)破碎產(chǎn)品質(zhì)量的影響進(jìn)行了模擬，在實(shí)際生產(chǎn)中沒有得到有效驗(yàn)證，需加強(qiáng)進(jìn)一步的研究。

2.3 破碎產(chǎn)品粒度研究

破碎產(chǎn)品粒度質(zhì)量是反映破碎機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響后續(xù)碎磨工藝和企業(yè)效益。學(xué)者Broadbent在關(guān)于“煤的破碎過程”研究中首先提出，后經(jīng)更多學(xué)者的不斷完善，基于總體平衡理論，引入選擇、破碎、分級(jí)函數(shù)的概念，逐漸形成表征破碎事件物料的產(chǎn)品粒度模型，如圖4所示，其模型方程為

別名地丁、地丁草、紫花地丁、小雞菜、扁豆秧，為罌粟科植物紫堇的干燥全草，夏季花果期采收，除去雜質(zhì)，曬干。主要分布于遼寧、河北、內(nèi)蒙古、山東、山西、陜西、甘肅、寧夏等。

(1)

式中，Si為選擇函數(shù)；Bi為破碎函數(shù)；K0為物料所受到的總破碎次數(shù)；Fi為給料粒度。

圖4 第i層破碎過程模型示意圖

基于以上理論，Evertsson[11]、Bengtsson.M[12]等提出了壓縮比與物料選擇函數(shù)、破碎函數(shù)的關(guān)系，以及給料粒度、緊邊排礦口ccs對(duì)針片率的影響，實(shí)現(xiàn)了破碎與針片預(yù)測(cè)的有效結(jié)合。黃冬明[13]、馬彥軍[14]、張子龍[5]都對(duì)物料針片率從不同角度進(jìn)行了研究，得到了針片物料的選擇、破碎函數(shù)，并考慮層壓過程中方粒型與針片型的轉(zhuǎn)化行為，對(duì)國(guó)外人員的研究進(jìn)行了深化，取得了較大突破。

實(shí)際中，物料的粒度質(zhì)量還與破碎機(jī)的進(jìn)動(dòng)角、動(dòng)錐轉(zhuǎn)速、動(dòng)錐底角等參數(shù)有很大的關(guān)系，目前大多建立的模型考慮的因素還不夠全面，并且模型中的一些系數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試而得，并不能有效指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

2.4 圓錐破碎機(jī)腔型優(yōu)化研究

圓錐破碎機(jī)腔型是物料破碎的場(chǎng)所，由動(dòng)錐襯和定錐形成的工作空間，提高破碎的生產(chǎn)率、產(chǎn)品粒度質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)襯板均勻磨損等，都是通過優(yōu)化破碎機(jī)腔型實(shí)現(xiàn)的，因此，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)腔型的優(yōu)化研究最多。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)算法的發(fā)展，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了建立以破碎機(jī)生產(chǎn)率、產(chǎn)品粒度、襯板磨損、破碎能耗為目標(biāo)函數(shù)，破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、動(dòng)錐底角、平行區(qū)長(zhǎng)度、進(jìn)動(dòng)角、緊邊排礦口css等參數(shù)及范圍作為設(shè)計(jì)變量和約束條件，采用KT方程的系列二次規(guī)劃算法、罰函數(shù)法、fmincon函數(shù)、復(fù)合形法等算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲取最優(yōu)腔型結(jié)構(gòu)參數(shù)。國(guó)外Quist博士等在Metso公司H系列破碎機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)劉瑞月[1]博士、馬彥軍[14]博士、張子龍博士分別通過DEM模擬仿真方法、VSC54型圓錐破碎機(jī)和河北唐山某型號(hào)破碎進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較為滿意的結(jié)構(gòu)。

以上對(duì)腔型的研究都是基于層壓破碎理論，并未將單顆粒破碎事件考慮到整個(gè)破碎過程中，需要對(duì)目前的模型做進(jìn)一步的修正，并且在實(shí)際中并不能做到對(duì)襯板的有效均勻磨損，在破碎腔內(nèi)堵塞層的磨損更為嚴(yán)重，對(duì)于不同的礦石，產(chǎn)品針片率差別較大，所以對(duì)于腔型的優(yōu)化工作任重而道遠(yuǎn)。

3 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品存在的問題及未來發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在的問題

目前國(guó)外破碎機(jī)領(lǐng)先的企業(yè)主要有瑞典山特維克、芬蘭美卓、德國(guó)蒂森克虜伯等，國(guó)內(nèi)主要中信重工和北方重工。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外相比，現(xiàn)有的圓錐破碎機(jī)存在著噪聲大、振動(dòng)突出、破碎效率低、襯板使用壽命短、產(chǎn)品粒度不均勻、關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題，造成的原因主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)問題：

(2)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺乏理論指導(dǎo)。主要表現(xiàn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)或?qū)ν鈬?guó)產(chǎn)品尺寸測(cè)繪，缺乏理論設(shè)計(jì)依據(jù)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性較低。

(3)高端不足，低端過剩。主要表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)除以上兩個(gè)領(lǐng)頭羊企業(yè)之外，生產(chǎn)圓錐破碎機(jī)的小企業(yè)比較多，造成惡性競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致領(lǐng)頭羊企業(yè)疲于市場(chǎng)份額爭(zhēng)奪，而減少了投入科研的精力。

3.2 未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著破碎產(chǎn)業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，圓錐破碎機(jī)未來的發(fā)展方向主要是從大型化、高效化、智能化、綠色化四個(gè)方向發(fā)展。

(1)大型化。隨著破碎物料需求的增大，產(chǎn)品處理量已經(jīng)從每小時(shí)幾十噸增加到2 500噸左右，但大型化對(duì)傳動(dòng)軸、電機(jī)等關(guān)鍵部件提出更高的要求，所以提高部件的可靠性才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的大型化。

(2)高效化。單機(jī)裝機(jī)功率已經(jīng)從幾十千瓦達(dá)到800千瓦，在當(dāng)前節(jié)能減排、低碳發(fā)展的主題下，降低單位破碎能耗是今后研究的重要方向。

(3)智能化。目前國(guó)內(nèi)破碎機(jī)產(chǎn)品也通過監(jiān)測(cè)電機(jī)電流、襯板間距等基本實(shí)現(xiàn)了智能管理，但是對(duì)于采集的數(shù)據(jù)只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，不能做到智能分析，今后需重點(diǎn)開發(fā)智能分析診斷軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、控制等健康管理。

(4)綠色化。現(xiàn)有圓錐破碎機(jī)存在振動(dòng)噪音大、破碎粉塵多等問題，對(duì)一線人員的身心健康造成一定傷害，今后需降低設(shè)備振動(dòng)，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，做好防塵處理措施，提供良好工作環(huán)境。