單齒輥破碎機的破碎齒設(shè)計

杜長興 朱榮慶 李俊昊 石榮玲 徐世明

摘?要：本文設(shè)計了一種新型的破碎齒。給出了破碎齒的破碎原理圖，詳細(xì)介紹了破碎齒的破碎原理、破碎齒的安裝角度和齒形選擇等主要問題，說明該破碎齒具有破碎能力強、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長等多方面優(yōu)勢，最后給出齒尖磨損疲勞與齒根彎曲疲勞壽命計算公式。驗證可知，本文設(shè)計的新型破碎齒的穩(wěn)定性與破碎能力得到有效提升。

關(guān)鍵詞：破碎齒;疲勞壽命;單齒輥破碎機

齒輥式破碎機是現(xiàn)代破碎設(shè)備的一個重要分支，在采礦、冶金以及化工機械等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。破碎工作是現(xiàn)代材料加工過程的不可或缺的環(huán)節(jié)，相比于國外，我國長久以來在破碎機領(lǐng)域的研發(fā)相對落后。隨著機械行的不斷發(fā)展，破碎機的工作強度與工作環(huán)境面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此必須提升和發(fā)展破碎機的各項性能，來適應(yīng)現(xiàn)代破碎工作的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求。

造成國內(nèi)外在該領(lǐng)域研究的差距有許多，其中市場是重要因素之一，多數(shù)先進的破碎機制造商更看好對設(shè)備的自動化、精度要求較高的歐美地區(qū)。此外，在破碎設(shè)備上研發(fā)投資的不足也是一個重要原因。目前國外市場環(huán)境的縮小，成本也在日益提高，這種國際市場環(huán)境為我國的破碎設(shè)備制造商提供了前所未有的發(fā)展機遇，伴隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，越來越多的廠家認(rèn)識到破碎設(shè)備的重要性，廠家通過引進國外的先進生產(chǎn)經(jīng)驗和利用我國的生產(chǎn)優(yōu)勢順勢進入國際市場。

隨著新型工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)對齒輥式破碎機的需求的增多。同時國內(nèi)在破碎工作原理、破碎損傷理論、破碎齒分布方式、材料選擇等方面的研究有了長足的進步。王進軍等人在破碎齒輥轉(zhuǎn)速、破碎比、破碎齒的設(shè)計等方面提出了改進意見[1]。李朋在齒輥旋向及結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒輥中心距等方面進行研究，并介紹了其使用環(huán)境和注意事項[2]。毛瑞等人在齒輥的選擇和布置結(jié)構(gòu)等方面進行研究，提出了多種可能的改進方案[3]。王建提出了一種改進的十字頭乳化液泵，節(jié)約了乳化液泵的維修時間[4]。

本文查閱了大量齒輥破碎機的相關(guān)文獻，結(jié)合優(yōu)缺點，設(shè)計提出一種新的齒型。第一部分對破碎機結(jié)構(gòu)和其破碎原理進行分析。第二部分給出了破碎齒的疲勞壽命計算公式。

1 單齒輥破碎機結(jié)構(gòu)

目前主流的單齒輥破碎機通常由電機、聯(lián)軸器、減速裝置、破碎輪輥、主軸等結(jié)構(gòu)組成。單齒輥破碎機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1：

2 單齒輥破碎機工作原理

本文針對單齒輥破碎機研究，大塊物料沿給料槽進入破碎機，通過電動機帶動上部分單齒錕轉(zhuǎn)動與箆板共同作用分裂、剪切物料，物料開始被破碎。當(dāng)物料被破碎至一定粒度大小，最終符合加工精度的物料通過傳送帶被送出破碎機，破碎工作原理圖如圖2：

3 齒形選擇與安裝角度分析

破碎錕的破碎能力等主要性能主要由破碎齒的形狀、安裝結(jié)構(gòu)決定。破碎齒是破碎機的主要耗損部件，其破碎齒型影響了破碎物料的效率和能耗的高低、及產(chǎn)量的多少。在破碎高硬度物料時，齒型可能直接決定了破碎機的使用壽命。目前，各類破碎機應(yīng)用較為普遍的有鷹嘴齒形、棱錐齒形、彈頭齒形、、圓柱齒形等。

單齒錕的入料粒度往往較大，故應(yīng)當(dāng)選擇具有較強的耐磨能力且過粉碎率低的齒形。比較上述幾種齒形，彈頭型的破碎強度在160至200MPa，采用的切割方式是點切割，具有較強的耐磨能力，過粉碎通常率小于1%，故選擇彈頭齒型作為破碎齒安裝在單齒輥上。

被破碎的物料結(jié)構(gòu)通常是非均勻的，但以平衡的觀點來看，為了簡化問題在研究時可將物料看成是均勻的，單輥破碎機工作時，其破碎齒會承受彎曲疲勞損傷和磨損疲勞損傷，為了保證破碎質(zhì)量和破碎效率，設(shè)計破碎齒時應(yīng)當(dāng)考慮材料的強度和韌性。

破碎齒破碎物料主要靠兩種形式，其一是齒尖的剪切破碎;另一種是擠壓力破碎，這兩種形式是共同存在的。根據(jù)以上兩種工作情況，需計算齒尖的最大磨損和最大齒根的彎曲應(yīng)力，兩種應(yīng)力直接決定破碎齒的壽命。根據(jù)疲勞特性曲線，疲勞關(guān)系呈冪函數(shù)關(guān)系減小，所以重點考慮以上兩種疲勞極限。

單齒輥破碎機多在齒尖與齒根處發(fā)生破壞，故本文對齒尖與齒根處進行必要的疲勞壽命計算，借鑒了相關(guān)文獻[5]，在破碎時裂隙角與施力方向的夾角為β，σx為裂縫使物料變?nèi)醯目箟簭姸龋襶為物料未被破壞時的抗壓強度。用二者的比值表示夾角β對強度的影響程度，如下：

由圖可知，當(dāng)裂隙角與施力方向的夾角β在30°時對強度有最大的影響，再由幾何關(guān)系：β，=π/2-30°可以得到當(dāng)破碎齒傾斜角β，為60°時破碎效果最好。

4 破碎齒疲勞壽命計算

累計損傷理論多用來分析較復(fù)雜的零件疲勞損傷，依據(jù)損傷累積方法，有多種疲勞損傷原理，其中較為常用的有：線性累計損傷原理、雙線累計損傷原理和非線性疲勞累積損傷原理。

線性疲勞累積損傷理論要求滿足：一是構(gòu)件形狀和尺寸相似;二是載荷譜相似，其使用條件較為苛刻。而雙線性累積損傷理論只在其各個階段內(nèi)滿足規(guī)律，在疲勞全程內(nèi)不滿足。鑒于上述兩種理論的局限性，本文使用非線性疲勞累積損傷原理對齒尖疲勞壽命進行計算，基于此理論有學(xué)者得出如下疲勞計算公式：

N=Ni∑ki=1aiσiσ0d

上式中：

N為材料壽命。

Ni為在最大應(yīng)力σ0下的材料壽命。

σ0為最大應(yīng)力幅。

d為材料常數(shù)。

k為不同應(yīng)力水平數(shù)目。

ai為在應(yīng)力σi的循環(huán)次數(shù)占總循環(huán)次數(shù)的比例。

對于齒根彎曲疲勞壽命計算，有如下公式：

N=σm0N，0σmONSLsinβ，/I

上式中：

N，0為循環(huán)基數(shù)。

σmON為條件疲勞極限。

S為齒尖與物體接觸面積。

L為齒長。

I為齒根橫截面積。

β為破碎齒與滾體的夾角。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)破碎機上的破碎齒破碎能力不足、且容易損壞，本文設(shè)計一種擁有較長壽命的子彈型破碎齒，詳細(xì)介紹了破碎齒的齒形和安裝結(jié)構(gòu)，并說明相對于其他類型的破碎齒本文設(shè)計的新型破碎齒具有破碎能力強、壽命長、耐磨等優(yōu)點。最后給出了齒尖疲勞壽命和齒根彎曲疲勞壽命的計算公式。我將在未來潛心研究破碎機械，了解各種類型的破碎機工作原理，借鑒前人經(jīng)驗并結(jié)合自身能力設(shè)計出更加優(yōu)秀的破碎齒，進行更為精密的理論分析和仿真模擬。

參考文獻：

[1]王進軍，穆曉梅.分級破碎機的設(shè)計研究[J].煤礦機械，2006（11）：7-8.

[2]李朋.粗碎型齒輥破碎機的設(shè)計與應(yīng)用[J].煤礦機械，2019，40（01）：130-131.

[3]毛瑞，崔達，李光，冉翌正.輥齒結(jié)構(gòu)及布置形式對雙齒輥破碎機性能的影響[J].礦山機械，2018，46（02）：44-49.

[4]王健.雙齒輥破碎機改進研究[J].煤礦機械，2013，34（08）：207-208.

[5]李泓序.單齒輥破碎機破碎齒的疲勞研究與等壽命優(yōu)化[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

基金項目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（項目編號：xcx2019041）

作者簡介：杜長興，男，漢族，江蘇徐州人，共青團員，學(xué)生，研究方向：機械設(shè)計，應(yīng)用數(shù)學(xué)。

指導(dǎo)老師：石榮玲，研究員。

*通訊作者：杜長興。