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

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，對其進行破碎一直是一項難度很大的技術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備，在環境惡劣、持續時間長的工況中，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致設備壽命很低；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鍵結構進行結構優化設計，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為小顆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用在礦山、冶金、化工、電力、建材等工業部門的工藝過程，每年全國需要進行破碎的原料和再回收廢料數量十分龐大。伴隨著現代工業飛速發展，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備的需求量也隨之加大，這使得破碎行業快速發展起來，成為工業中不可或缺的行業領域。

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，主軸又通過鍵將轉速和扭矩帶給其上安裝的齒輯。物料自上而下通過導料槽從入料口送入，齒維向固定齒板方向轉動，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生的摩擦力也隨之越來越大，兩者合力對物料產生剪切作用，當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料槽中排下，落入破碎機的入料日，被正在向固定板轉動的破碎齒輥咬入；(2)動力裝置的驅動下，破碎機齒輥不斷旋轉，海綿認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。對破碎機的關鍵零部件進行結構優化設計不僅可以改善設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，提高經濟效益，從各方而看都具有深遠的意義。我國目前常用的優化手段就是依靠經驗來對原設備進行優化改進，該方法的優點是：在實際工況中，可以針對所出現的毛病和問題進行不斷調整，改善后的效果又一可以在實際應用中得到驗證，但是山于缺乏對設備的計算和定性分析，經驗設計可能需要進行多次嘗試和改進才能達到最優，浪費了人力物力和時間，因此還是具有一定局限性。

3 優化海綿鈦過程，降低剪切式破碎機故障

3.1 單輥破碎機齒輥的結構優化

由于單輥破碎機的整個齒輥模型結構較復雜但又有具有規律性，因此還是先選取其中一片齒輥進行優化。

3.1.1 確定目標函數和設計變量。想要對齒輥進行優化，第一步就是先建立齒輥的優化數學模型，這就需要確定齒輥優化的設計變量和目標函數。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，根據齒輥應力分析可以確定，齒輥在齒刃部位所受的應力最大，即齒刃為最薄弱環節，因此在齒刃處的最大應力值即為目標函數。對該目標函數進行優化也就意味著追求最大應力在一定限制范圍內的最小值。對于齒輥的幾何參數，有些對其強度有很大影響，而有些無關緊要，因此在選擇設計變量時要盡量挑選最重要的影響參數，比如距離、半徑、厚度、寬度等，要注意到設計變量選擇的不宜太多。

3.1.2 優化設計的求解過程。優化設計的求解過程在經典ANSYS軟件中進行，由于之前己經對齒輥建立了有限元模型并分析了其應力，因此在之后進行的求解過程可以在之前分析的基礎上進行，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，創建一個齒輥模型優化數據表文件；

(2)在界面菜單中完成對文件路徑的定義和數據映射設置，其中需要定義等分參數，本次優化等分參數數值為10；

(3)將齒輥優化文件日志的名字命名為“chigun"，設置齒輥的優化文件：

(4)對齒輥優化模型的設計變量，即對齒輥強度影響較大的結構參數定義名稱和變化范圍；

(5)對設計變量和目標函數進行設置，將目標函數定義為MISES；(6)選擇子問題法作為優化齒輥的方法，并目開始運行程序。

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

剪切式單輥破碎機在實際工況中常常會出現破碎齒輥易磨損，壽命短的問題，大大影響了破碎機的生產質量和使用壽命。本文結合現代計算機技術對剪切式單輥破碎機的關鍵結構一一齒輥進行了應力和模態的有限元分析，通過對齒輥結構參數的優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鍵結構的有限元分析及結構優化[D].蘭州理工大學，2014.

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

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