陳 通

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

準東露天煤礦位于昌吉自治州吉木薩爾縣，距離烏魯木齊市230 km，礦區(qū)采掘場揭露地層主要為泥巖、炭質泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粗細砂巖、煤層等[1]。露天礦原破碎站系統(tǒng)采用了1臺處理能力800 t/h的單輥破碎機，產品粒度≤200 mm，出料產品單一，年產量低于0.4 Mt。外銷產品價格受市場行情影響經常發(fā)生變化，200 mm(含)以下單產品銷售經濟效益低，單產品銷售價格以50 mm(含)以下和80 mm(含)以下為最佳，當50 mm(含)以下褐煤銷售綜合經濟效益最大時，產品應以50 mm(含)以下粒級為主，同理當80 mm(含)以下褐煤銷售綜合經濟效益最大時，產品應以80 mm(含)以下粒級為主。在上述情況下，露天采煤產能需要進一步提升，同時外銷產品對粒度要求越來越嚴格，破碎站改造計劃快速推進。

露天破碎站是一種基于露天采礦的破碎作業(yè)系統(tǒng)，一般采用可拆卸式鋼結構組建，其作用類似于露天原煤破碎中心，是原煤開采后進行集中加工的重要場所。常規(guī)的露天破碎站一般設有承重鋼結構組件、原煤承重倉、板式給料機、破碎機、膠帶機、給料和出料溜槽、成品卸料倉、集中控制系統(tǒng)等，其特點是選址容易、工藝布置簡單、可根據采掘面的變更而拆卸后移動重新組裝，見圖1。

圖1 露天破碎站系統(tǒng)

1 準東破碎站生產工藝

通過分析產成品外銷現狀，結合原簡易破碎站情況，改造破碎站設計工藝為：外來露天原煤經寬體重型卡車運輸至破碎站承重料倉，倉內原煤經底部重型刮板運輸機輸送至一級破碎機進行破碎，破碎后原煤經由膠帶機運輸至二級破碎機或三級破碎機進行二次破碎后生成最終產成品，產品經由底部膠帶機輸送至卸料車間裝車發(fā)貨[2]。整個破碎站支撐部分采用鋼結構設計，電控系統(tǒng)采用集中控制，上下游設備形成閉鎖關聯(lián)。

準東露天破碎站設計升級后年生產能力要求為600 Mt，每年有效生產330 d，每日滿負荷生產24 h，年檢修時間30～35 d[3]。

則有如下計算公式：

式中：Q為破碎站系統(tǒng)生產能力，t/h；K為來料不均勻系數，取值1.48[4]；Qn為破碎站設計年生產能力，t/h；D為年有效生產天數，d。

考慮到刮板輸送機、破碎機等瞬時來料不均勻情況，預設破碎系統(tǒng)處理能力為1 500 t/h，煤倉來料粒度≤1 500 mm，由寬體重型卡車運輸至承重料倉，通過倉底重型刮板機輸送至一級破碎機進行破碎，見圖2，刮板機運輸能力為1 500 t/h，一級破碎機出料粒度≤350 mm。

圖2 一級破碎工藝示意

經由膠帶輸送至二級或三級破碎機進行破碎，物料進入二級或三級破碎機前經過滾軸篩篩除成品細粒級物料，二級破碎機出料粒度≤100 mm，三級破碎機出料粒度≤50 mm，二級和三級破碎機間通過溜槽改路實現工藝變更，按照外銷產品粒度需求對工藝進行調整，可單獨生產100 mm(含)以下或50 mm(含)以下粒級產品，使時銷產品效益最大化，見圖3。二級或三級破碎后的物料通過膠帶送入儲煤倉。

圖3 二級、三級破碎工藝示意

由圖3中所示可知，物料經過一級破碎機破碎后經由膠帶轉入二級或三級破碎機進行破碎，系統(tǒng)中重型刮板機、一級破碎機承受著物料破碎和轉運的較多壓力，當改造系統(tǒng)出現故障時需啟動舊系統(tǒng)暫時補救，系統(tǒng)產量降低，且產品物料單一，影響經濟效益。因此，在設計重型刮板機和一級破碎機時需要提高運行安全系數，同時保證設備維護簡便快捷，最大限度降低長時間停產風險。

2 破碎機選型設計

2.1 一級破碎機選型設計[4]

一級破碎機入料粒度≤1 500 mm，出料要求≤350 mm，破碎比為4.29。實際勘查時確認大塊物料為長條狀，長度接近1 500 mm時寬度方向上最大尺寸為1 124 mm，平均值958.5 mm，高度方向上最大尺寸為651 mm，平均值498.75 mm，見表1。破碎單塊大型物料需滿足齒輥長度≥1 500 mm，齒輥間距≥1 124 mm。

表1 大塊物料尺寸

假設兩齒輥中心距為L1，見圖4，則單位時間(1 h)內破碎機處理能力Q1計算公式如下：

Q1=[(60×A1×π×D1×Lmin×M1-5×2×

ΔQ1×A1×p1)-S1×M1×60×A1×π×

D1]×ρ1×f1

式中：Lmin為齒底間距，m；S1為齒頭交叉尺寸，m；D1為齒輥直徑，m；M1為齒輥長度，m；ΔQ1為單個破碎齒的體積，m3；A1為齒輥轉速，r/min；P1為輥長方向上的齒排數；ρ1為物料堆積密度，t/m3；f1為物料通過系數。

圖4 一級破碎機齒輥嚙合示意

褐煤原煤堆積密度為0.6～0.8 t/m3，取最大值，物料通過系數按同產品試驗機對樣品試驗結果取值0.57，齒輥轉速A1=74 r/min，齒輥直徑D1=1.25 m，齒輥長度M1=2.5 m，計算結果為Q1≈2 860 t/h，安全系數v≈1.907，綜合考慮物料不連續(xù)性、濕度、硬度、粘稠度和瞬時量差異的影響，整體設計符合要求，即一級破碎設備選型型號為2PLF120/250，破碎方式為正旋破碎。

2.2 二級破碎機選型設計

二級破碎機來料粒度≤350 mm，出料產品要求為≤100 mm，破碎比為3.5。綜合篩分試驗得出來料產品中大于100 mm的物料占比約35%，即通過滾軸篩后進入二級破碎機的實際物料量約525 t/h，但由于滾軸篩的不穩(wěn)定性，需要考慮當滾軸篩無法正常工作時，二級破碎機需滿足物料通過率100%，即設計通過量為Q2≥1 500 t/h。與一級破碎機設計方案相同，設計計算結果為Q2≈2 200 t/h，安全系數為v≈1.47。由于二級破碎機破碎比3.5明顯小于一級破碎機的4.29，物料一次嚙合通過率遠高于一級破碎機，整機設計符合要求，即二級破碎機選型型號為2PLF120/300，破碎方式為正旋破碎。

2.3 三級破碎機選型設計

三級破碎機來料粒度與二級破碎機相同，出料產品要求為≤50 mm[6]，破碎比為7，與雙齒輥破碎機破碎比要求(2～6)有較大出入。綜合篩分試驗得出，來料產品中大于50 mm的物料占比約53%，即通過滾軸篩后進入三級破碎機的實際物料量約800 t/h，同樣由于滾軸篩的不穩(wěn)定性，需要考慮當滾軸篩無法正常工作時，三級破碎機需滿足物料通過率100%，即設計通過量為Q2≥1 500 t/h。因出料粒度要求小，增加物料通過性的途徑是增大齒輥轉速、加長齒輥長度，這明顯與大破碎比和高嚙合性形成矛盾，且當齒輥長度大于3 000 mm時，齒輥長度利用率大大降低，物料均勻布置程度不夠，通過試驗機試驗得出正旋破碎時物料通過系數低于0.38，與二級破碎物料通過系數差距較大，腔體卡堵成為必然結果。

綜合上述因素，齒輥內旋破碎設計理論不符合現實要求，考慮雙齒輥反旋獨立破碎方案，見圖5。

圖5 三級破碎機齒輥嚙合示意

單位時間(每小時)內破碎機處理能力Q3計算公式如下：

Q3=[2×60×A3×π×D3×S3×M3-

A3×N×18×(△Q3+△C3)×p3]×ρ3×f3

式中：D3為三級破碎機齒輥直徑，m；A3為齒輥轉速，r/min；M3為齒輥長度，m；N為輥長方向上分布排齒數；Δc3為單個側齒體積，m3；ΔQ3為單個齒板齒頭體積，m3；S3為齒底與側齒板間距，m；P3為齒輥長度方向上的齒排數；ρ3為物料堆積密度，t/m3；f3為物料通過系數。

褐煤來料堆積密度為0.65～0.87 t/m3，齒輥轉速A3=83 r/min，齒輥直徑D3=1.5 m，齒輥長度M3=3 m，反旋破碎物料通過系數f3=0.42，計算結果為Q3≈1 980 t/h，安全系數為v≈1.32。破碎比大于6時合理的反旋破碎結構設計能夠增強破碎齒嚙合能力，整機設計符合要求，即三級破碎機選型型號為2PLF150/300，破碎方式為反旋獨立破碎。

2.4 破碎機齒輥結構設計

一級破碎機設備承載物料反向扭矩高，設備工作環(huán)境惡劣，齒輥結構為整體鑄造齒環(huán)式，齒型粗大，有較高的抗振能力和較強的耐磨性，易損備件只需配套1對破碎齒輥總成即可。

二級破碎機和三級破碎機齒型較小，單齒承載物料反向扭矩較小，齒輥結構采用齒板式，齒板與輥座結合處采用精加工面鍵聯(lián)結，拆卸簡便，且在齒輥不均勻磨損的情況下可實現局部更換，節(jié)約配件成本。

2.5 破碎機檢修方式設計

一級破碎機設備總重52 t，三級破碎機總重86 t，均布置于預設起重器鋼軌上，采用3kW×4的行走驅動電機，維修時電動行走機構可最大載重110 t滑出工作位置至檢修平臺。二級破碎機因空間限制采用了地腳固定方式。

2.6 破碎機密封結構設計[7]

準東露天礦破碎站對粉塵控制要求較高，且因破碎機年生產天數大于300 d，齒輥軸承和腔體的密封設計非常關鍵。軸承密封方面，首先將破碎腔體與軸承組件分離，軸承組件設2道骨架密封結構加1道毛氈密封；腔體方面，破碎輥外側設置擋料盤，降低物料對擋板沖擊，擋板外側設計防塵橡膠板控制粉塵外溢，同時周期性涂抹潤滑脂粘結粉塵，腔體接縫處涂抹密封膠，側梳齒減空區(qū)周期性涂抹潤滑脂粘結粉塵，見圖6。

圖6 密封結構示意

2.7 高寒地理特性應對方案[8]

在冬季極寒天氣下，準東地區(qū)最低溫度達零下40 ℃，破碎機產品穩(wěn)定性面臨嚴峻考驗。針對該地區(qū)地理特點，3臺破碎機分別加裝了電機電加熱系統(tǒng)、減速機電加熱系統(tǒng)、潤滑泵電加熱系統(tǒng)、油路保溫系統(tǒng)和關鍵零部件溫度測控系統(tǒng)，該類系統(tǒng)通過接入集控可實現在線監(jiān)測、APP端實時觀察，同時，潤滑油脂、齒輪箱油、液力傳動油均采用了低溫特性油脂，為破碎機在極寒天氣下仍能穩(wěn)定運行提供了保障。

3 破碎站實際運行情況

3.1 破碎設備參數

準東露天破碎站于2021年7月正式帶煤生產，整體運行良好，其中一級破碎機齒輥長度有效使用率約60%，符合設計安全系數預估，二級破碎機和三級破碎機前的滾軸篩應用不穩(wěn)定，后進行了拆除，二級破碎機和三級破碎機齒輥有效長度利用率分別約為75%和85%，符合設計安全系數預估，兩產品超限率分別為4.2%和2.6%，對產品外銷影響不大，得到業(yè)主方認可，產品粒級分布見表2和表3。

3.2 破碎機設備密封情況

3臺破碎機密封設計符合使用需求，軸承監(jiān)測溫度長期保持低于45 ℃，破碎腔體粉塵控制情況良好，符合環(huán)保標準要求。

表2 二級破碎產品粒級分布

表3 三級破碎產品粒級分布

3.3 破碎機設備耐寒情況

加裝電加熱系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)運行正常，油脂監(jiān)測正常，冬季極寒溫度下無故障發(fā)生。

4 應用效益分析

長期以來，國產大型大處理能力分級破碎機在露天破碎站系統(tǒng)中應用局限于產成品大粒度破碎領域，在50～100 mm產品要求范圍內應用成功案例較少，長期被國外品牌壟斷[9]，尤其是在50 mm產品領域，國產反旋破碎設備穩(wěn)定性不高，設計缺乏理論數據和試驗支撐，準東露天礦三級反旋設備2PLF150/300破碎機實現了突破，是目前運行良好的大型反旋小粒度產品破碎設備。

準東露天礦破碎站系統(tǒng)升級改造項目破碎成品年產量成功得到提升，實現兩產品直接經濟效益超12 億元/a，較舊系統(tǒng)增加收益約5 億元/a，因破碎機安全系數仍有余量，后期產能提升后滿載情況下最高可再增收2.4 億元/a。

5 結 語

準東露天煤礦3個級別破碎機的成功應用結合了嚴謹的理論設計計算和試驗研究成果，有較高的設計參考價值和應用借鑒，也為2022年該地區(qū)第二期同類型產品的設計應用打好了基礎，其推廣價值如下：

(1)基于齒輥式破碎機工作原理對3臺破碎機進行選型設計，提出了相關理論公式。

(2)利用現有實驗機對物料通過率進行試驗驗證，為同類產品設計提供試驗依據。

(3)設備實際應用良好，產生較高經濟效益和社會價值。