层压粉碎原理在破碎机上的应用

　　自1979年设计国内第一台细碎复杂摆动型额式破碎机以来，在短短的15年间，该产品已在全国水泥、建材等工业部门得到广泛的推广和应用，生产单位也有上百家之多。目前该产品已形成完整的系列。此外，为适应不同的需求，还派生了若干新的规格，我公司现已成为国内生产这种破碎机规格最多，质量最佳的生产企业之一几年来，国内不少学者，对额式破碎机的工作参数及结构参数的确定，都曾作过大量的论述与探索，但针对细碎(或称二段破碎或三段破碎)这一工况下，与粗碎相比在设计上应用哪些区分却探讨的不多。本文拟就此论题作一初浅的探讨。

　　一、传统设计方法

　　以往，设计额式破碎机主要以传统的岩石机械力学为依据，即认为物料在破碎机的破碎腔内受到活动额板相对固定颗板作往复运动产生的挤压、劈裂、弯曲、研磨等作用力。理论上，当活动濒板的摆动形成大小超过物料达到破碎时所需的压缩变形量时，物料就被破碎、在设计时，考虑到颗板的弯形、_工作机构和传动机构等零件间存在的间隙等因素的影响，实际上选取的动颗摆动形成S远远大于理论值，通常凭经验选取。此值是确定偏心轴偏心距大小的主要依据。

　　考虑到破碎腔是自上而下逐步减小，而物料在破碎腔内的充填度则是自上而下递增的，并在排料口端达到最大值，为了避免在排料口处造成物料过压实而引起机件因过载而损坏，对排料口处动额行程的选取作了一定的限度。

　　此外，鉴于动颐水平行程分别由给料口与排料口逐步向破碎腔减小这一特性，为了保证动颐上部具有破碎给入大块物料所需的行程，同时又不致破坏上述行程与最小排料口间的约束关系，将肘板与动额的支承点位置适当下移是适宜的。

　　根据有关试验资料表明，偏心轴转数与生产率和能耗有个相互制约的关系，即存在着某个合理转数或称转数的极限值，并推荐此值为300-400r/min之间(因为此值还受到动额运动特性、愤性力、物料的物理性能与工作环境等因素的影响)。

　　综上所述，在传统设计中，对工作参数与结构参数确定，主要依据仍是岩石机械力学中传统的粉碎原理，把物料破碎过程视作以单颗粒粉碎机理为基础的粉碎过程。它抵注重外力与单个物料破碎时的相互关系，而忽视了物料间的相互粉碎作用。

　　二、粉碎原理进展

　　物料粉碎过程是一个非常复杂的自身尺寸不断变化的过程，它与诸多因素有着不可分解的关系;如:与物料自身有关的有:物料的物理与机械性能、外形、尺寸大小、自身缺陷等;外部条件则有物料的粒度组成、加载的性质和大小、物料群在破碎瞬间所处的环境与相互作用等。岩石机械力学，正是考虑了上述因素，并在两个方面进行了探索;一是岩石的物理性质，机械性能与粉碎难易度之间的关系;另一方面则是岩石在外力作用下，外界条件与岩石粉碎过程的相关规律。随着科学技术的迅速发展及粉碎机理研究工作的进一步深入开展，在传统的岩石机械力学的基础上，逐步发展为一种新的学说— 粉碎物理学。它大大地扩大了这一领域的研究范围，并使这种理论逐渐退近物料的实际粉碎过程。这种学说主要包括以下几个内容:单顺粒粉碎与层压粉碎、选择性粉碎、粉碎极限等。本文就有关涉及论题的单颗粒粉碎与层压粉碎作一简单的叙述。

　　单颗粒粉碎的代表性理论— 裂缝学说是由A. A格里菲斯(Griffith)提出的。其主要观点是:在理想的情况下，如果施加的外力未超过待碎物料的应变极限时，则物料被压缩而作弹性变形;当除去载荷时，物料又会恢复原状而未被粉碎。鉴于固体物料内部存在着若干细微裂纹，则将产生应力集中，从而进一步扩展了原有微裂纹。它主要阐述了这样几个过程;由应力集中而引起原有裂缝的扩展、新产生的众多裂纹源，形成表面裂纹、导致颗粒粉碎新表面的生成。长期来，众多学者在材料力学的基础上，运用上述理论研究分析物料的粉碎过程，提出了各种有关粉碎过程与输入能量、物料潜能变化、粒度变化之间的关系的假说，即通常所说的破碎理论。

　　随着时间的推移和研究工作不断的进展，人们发现物料破碎时实际的强度要比理论值小，但破碎所耗费的能量却比理论预测的要高。美国学者S. H.佰格特龙在进行单颗粒粉碎实验时，利用特殊胶体物承接粉碎后飞溅出的碎片，经过计算得到碎片残余的破碎能，得知飞溅出碎片有45%的破碎能没有被利用。西德学者K.肖纳特(K. Schunert)对单颗粒粉碎进行动量试验研究后认为:如以单颗粒粉碎能量消耗利用率为100纬，则各种破碎机均不超过4000，而辊式破碎机则可提高达70%以上。上述情况，从不同侧面反应了同一趋势，即采用层压粉碎，可以提高能量的利用率。

　　层压粉碎不同于单顺粒粉碎。它可理解为物料群在破碎机破碎腔内破碎与单颗粒粉碎间的区别;层压粉碎是在单顺粒粉碎基础上，进一步考虑了物料群破碎过程中顺粒间的相互作用或料层间的相互作用。根据有关资料介绍，层压粉碎与单颗粒粉碎有个数量的界限，如容体中固体容积占10%时，表现为单顺粒粉碎行为;超过45写时，则为层压粉碎行为。

　　此处，有资料认为，料层数大于6时，才符合层压粉碎条件。目前，对层压粉碎机理研究还待进一步充实与完善，比较趋于共识的有如下几个方面：

　　(1)层压粉碎有一个极限粉碎概率

　　这一点也是它与单颖粒粉碎的不同之处。它不象单颗粒粉碎那样，只要轴人能量所产生的应力超过待碎粒子的极限应力时，该粒子就被粉碎，而物料群发生粉碎时，先前粉碎的细粒物料对粗粒物料可能产生缓冲或保护的效应，而使其免遭粉碎，并就导致粉碎概率下降至某个极限值。

　　(2)幻为要取得最佳粉碎效果，物料在破碎腔内必须存在一个相应的松散度。有资料别名，其值为40%并进一步提出压实后的松散度16%为最佳。这祥就意味着物料在粉碎过程中具有一个被压缩过程，其过程与物料群的孔隙度密切有关。

　　(3)层料粉碎的应力— 应变与施载体(或称工作机构)的形状有关。据资料介绍，在层压粉碎时，当应力达到某个极限值时，不同几何形状的施载体所引起的应变是有差异的。其中，以平板与平板为最小，而球体与球体为最大。

　　(4)层压粉碎时，存在一个适度的比能耗。

　　据资料介绍，在层压粉碎过程中，给料量过大或过小对会导致单位质量能耗过高;层压粉碎时，以料层数为6-10层的比能耗为最小;慢速施载比快速施载的粉碎概率要大，故比能耗低;在同一输入功的条件下，平板与平板，柱与柱间接触时，能量利用率高;当物料群在压实时要不失时机卸载，并在料群松散后及时重新施载再压实物料群，可以有效提高能量的利用率。

　　综上所述，层压粉碎时，w粒的受力状态和单颗粒破碎时不同，料层中顺粒受力状态比较复杂且与诸多因素有关，例如，施载的特性(载荷的静动型式、施载强度以及作用时间等)、料层的粒度组成、料层的堆积结构、料层的松散度等等，而料层的粉碎效果还与物料的特性(包括顺粒的力学特性、物理特性及几何特性等)有关。为此，在破碎机设计使，在对有关的工作参数、结构参数以及机型的确定时，必须根据上述特点作相应的变动。

　　三、层压粉碎与细碎il l式破碎机

　　据我们所知，目前有不少破碎设备是按层压粉碎的机理进行工作的;诸如:细碎颜式破碎机、旋盘式圆锥破碎机、惯性圆锥破碎机及其工业应用以及辊压机等。本文的论题是进一步完善细碎嵌式破碎机，故仅就这一论题作相应的探讨。

　　以往，在设计破碎机时，是基于单颗粒粉碎机理而考虑的.同时也是为了方便计算起见，对破碎机的工况作了如图2所示的设定。即认为给入物料呈球体，且逐步减小顺序排列。在这种情况下，最大破碎力的作用位置自然位于破碎腔高度2/3处。

　　通过大量的实践tl相关的测试发现.实际工况与理论设定ELI差甚远，特别对细碎机来说，差异更大。根据对PI, -400以及从多PEN破碎机强度的测定.最大破碎力实际作用于破碎腔1/2- 1 /3H之间(视破碎腔内物料粒度组成而异)。就细碎(第二段破碎或闭路破碎的筛h返回物料)而言待破碎物料通常为七段初碎后的物料。它往往包含大量细粒级物料，而 真正的。.85B的大块物料的比例较少例如:在对PEX-150X 750细碎机的给料筛分特性曲线以算术平均值计算方法计算时，它的平均粒径约为SOmm,这与最大给料粒度达120mm,差异甚大.这样，它的实际工况与理论设想就大不一样(如图2所示)，最大破碎力的位置就必然下移了。上述现象从另一方面证实J，在细碎时物料在破碎腔内呈物料群几何状态下

　　粒子间相互作用的复杂粉碎过程，这就足所谓的层压粉碎。

　　在明确了细碎s}!式破碎机是按层it’. t}碎机理工作后，就可以对它的工作参数、结构参数和机型的选定与常规设计的差别有了较为明确的了解，至少在如下几个方面是必须给予重视的：

　　(1)对动颗行程大小的确定。除在进料端所需按单M粒粉碎机理考虑(以便确保最大给料粒度得以破碎)外，其余部位就得按层压粉碎机理予以处理。

　　(2)既然如此，在破碎腔排料端也应视为层压粉碎，排料口尺寸大小就不单单受到产品颗粒大小制约以往所规定S}蕊0.3-0.4d-。制约关系就需要重新给予审定.

　　(3)在破碎腔设计时，首先需要考虑的事是如何保证物料在腔内的整个破碎过程中处于层压粉碎中，即物料松散度应保持在40%左右，以确保最佳工况条件。其次，要保证产品所需的粒度大小，破碎腔应适应所需足够长的破碎过程。

　　(4)鉴于最小排料口尺寸重新给予认识后为保证所需产品粒度，就需相应地对设备转速的合理选定给予重新认识。

　　四、新机型的选取

　　由上所述可知，以层压粉碎机理为基础的细碎3A式破碎机在对动rq(运动特性的评估上与传统设计方法有别。新机型的动颗下部行程应该不是直接受到产品粒度大小或排料口尺寸的制约，而是必须满足层压粉碎条件，即需确保物料群有个被充分压缩的过程。其次，还需考虑料层间相互作用导致粉碎所必需的行程;最后还得保证物料群的不会被过压实。近来，有些学者提出评估动鄂运动特性的一项新指标— 动态啮角，并认为动态啮角处理不当是导致现有复摆颗式破碎机处理能力低下，齿板磨损严重的主要原因，并为此提出具有合理动态啮角的新机型。

　　众所周知，结构参数之一的啮角。的确定是基于确保30式破碎机正常工作条件而进行的。合理的啮角大小应保证即使给人最大料块〔D二。8^0.85)时，待碎物料也不会被从破碎腔内挤出。现在采用的啮角计算方法可以保证各种工况下正常破碎过程，因而迄今仍被广泛应用。诚然，在破碎腔下部(1/3H区域内)啮角与理论值偏离较大.但这并不具备太多的实质性含义前面已经提到，物料在细碎机破碎腔内实际所处的工况是料层间或物料群的颗粒间相互作用的复杂的粉碎过程(即层压破碎).施载体已不是对单个颗粒进行加载，故啮角的意义实际上已荡然无存。图3所示情既就是有力证叨而且早在3。年前我们曾在一台试验性颗式破碎机上对包括水平移动在内的多种摆动型式进行对比性试验。水平移动颗式破碎机的动额相对固定sly,可作近似水平的往复摆动，破碎腔上、下部的啮角没太大差异。但实际的处理能力却比复摆型要低得多，这就从另一侧面反应了动态啮角与破碎机的处理能力无实质性的内在联系为此，我们在评估动3f运动特性优劣时，仍沿动颗行程的水平分量Sx垂直分量sy.事实上，长期来用它衡量各类摆动型式时与实际效果还是比较吻合。

　　为了使新机型的选取显得比较合理，我们把目前用于细碎的，或可以用作细碎的几种摆动型式：

　　(1)各种摆动型式破碎机在给料端的动颗行程大小仍以破碎最大进料粒度D=0. 8~0. 85B的前提作为基本依据。

　　(2)鉴于破碎机能耗与偏心距大小成正比，故规定各种型式的偏心距为一常量(表中r= IOmm)。但当其进料行程与上条规定相差较大时，则以改变偏心距大小，依次满足上条规定要求。

　　(3)各种摆动型对比时，它的结构参数〔诸如:破碎睦形状、大小等)是相一致的，而且是合理的(如:传动角大小、肘板支承点位置等)。

　　在传统设计中，由于给、排口处的动颗行程实际上都已作了限定，而为了更好地评价动颗的运动特性又引入了平均水平形成s平均和特性值S,/S..50年代全苏建筑与筑路机械制造研究所曾在一台试验性颗式破碎机上对简摆、复摆(正、负支承)和综合摆动进行了对比性试验,so年代初洛阳矿山机械研究所在增加了水平移动情况下，作了类似的对比试验，

　　在这些试验性能对比中，都采用了s平均与尽/又对动3f运动特性进行评估，部取得了很好效果。今夭，我们沿用这种方式，对经过重新加工整理的数值(如表2所示)进行评估.为使评述更加清晰明了，根据已有的国内、外试验资料及有关样本记载，从定性的角度将各摆动型式的处理能力依次排列一并列人表2，供对比分析。

　　如上所述，负支承复摆额式破碎机具有较优的动领运动特性及稍高些的处理能力(有的资料报道情况与之相反，如全苏建筑与筑路及其制造研究所所作的试验结果.但却存在以下几个方面不可忽视的问题:

　　(1)以肘板延长线与动颗齿板橡胶点为分界，上、下两部分的动额运动轨迹方向是相反的，这就会引起在物料破碎中部受阻，并导致齿板中部磨损加剧，从而影响齿板的金属利用率和设备处理能力。

　　(2)由于偏心轴受力方向的改变，机架轴承盖的剖分形式需作相应变更，从而增加了机架加工的难度。

　　(3)在结构强度相同的情况下，它的外形尺寸和及其重量并不比正支承复摆小。负支承复摆在50-60年代曾风行世界中多工业国家，但过后不久它的生产厂商就锐减。此种现象的产生可能与它带来的效益与存在的问题相比收效甚小不无关系。不过，目前有个别厂家已发展生产了600 X 900较大型的规格产品。

　　五、破碎腔的设计及其他注意事项

　　破碎腔设计在破碎机结构中占有重要地位。它的合理与否将直接影响设备的处理能力、单位电耗、产品质量及齿板的金属磨耗等技术经济指标。齿板的形状(包括齿形)啮角的大小以及腔形的高度是构成破碎腔的主要因素。有关齿板形状的设计呈多种多样〔通常，大多数用于粗碎机)，并各具特色。60年代，全苏建筑与筑路机械制造研究所曾对十余种不同形状的齿板作过对比试验证实了不同形状齿板各有利弊.且针对性强。然而，30余年来，未曾见到这些结果在生产中广泛采用。究其原因不外一下几点：

　　(1)某些特殊形状的齿板，在初明使用时能获得较为理想的效果，但随着磨损增加，齿板形状的变动，它的性能明显下降。

　　(2)有些专门设计的齿板形状可以获得较低的单位磨耗和较优的产品质量，但由于不能颠倒置换使用。致使齿板的金属利用率不高，实际使用效果并不经济。

　　(3)特殊形状的齿板有时会给制造带来诸多不便。

　　前面业已提及，细碎oh式破碎机的工况系基于层压粉碎的机理，它的破碎腔设计首先应满足该机理的需求。同时还应考虑街板具有低蟾耗，较高的利用率以及制作方便等要求。这里，建议新机型的破碎腔应由小啮角、深腔形，对称形曲线齿板构成，这样显得较为合理。

　　新机型的排料II尺寸已不是与产品单个颗粒等值相待了，而应视为层料间的相互作用的工况。它的大小显然按比传统观念的数值要大，加之大的Sx行程将后引起产品颗粒变粗为了不使这种现象产生，适当提高偏心轴转数，依次增加颗粒往复行程概率(即减少排料1I寸间)将是比较合适的。国外有关资料报导，此种型式破碎机转数可高达500-650r/min,随 着转速的提高，动=;fi运动时惯性力必然增大时板支承或连杆系统的行程也将随之进行更改，从而使质性力得到适宜的平衡鉴于倒i is形动额悬挂位置低回转中心下降.整机的平稳性较好.故较适宜用F移动式破碎机}Q , I,动s (:倒W型将会给排料日调整、机器的过载保护带来新课题-如何在不增加机It:或费)月的情况下，正确处理这些问题，还有待在实践中不断探索和完善动濒倒置 3d’!还会带来一些特有的困难，诸如动5幼h拆装、动领和机架轴承的密封和润滑等，这些问.Ii 1都有待于今后开展工作时逐一妥善解决。