圓錐破碎機研究現狀及發(fā)展趨勢

馬立峰，吳鳳彪，潘偉橋，趙廣輝，張 健

(太原科技大學 重型機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國家經濟、國防建設和人民日常生活都具有極其重要的戰(zhàn)略意義。圓錐破碎機作為礦山物料破碎中的關鍵設備，主要用于礦石的中、細碎階段，隨著“以破代磨”的不斷提倡，使得圓錐破碎機的應用更加廣泛。由于圓錐破碎機工作環(huán)境惡劣，工況復雜，產品可靠性較低，因此，為了提高設備質量，降低生產能耗，國內外研究人員進行了大量的科學理論探索與研究，通過對設備優(yōu)化，理論不斷完善，在提高生產率、降低能耗、節(jié)約企業(yè)成本等方面取得了重大進展[1-3]。

1 圓錐破碎機的分類及工作原理

1.1 彈簧圓錐破碎機

世界上第一臺圓錐破碎機專利的公布就是關于彈簧圓錐破碎機，該類型破碎機最初是由美國西蒙斯兄弟二人設計[4]。隨著人們對破碎機的研究不斷深入，彈簧圓錐破碎機的結構也逐步完善，性能更加穩(wěn)定。我國以蘇聯(lián)1650和2100兩個型號的彈簧圓錐破碎機為依托，經過不斷改進和探索，最終設計出了1200型彈簧圓錐破碎機，雖其性能與國外還存在較大差距，但經過多年的探索研究與改進，現階段我國的圓錐破碎機在性能與可靠性上與國外的差距越來越小。

彈簧圓錐破碎機的結構原理如圖1所示。主要由動定錐、偏心套、機架、傳動系統(tǒng)等幾部分組成。該類型破碎機的特點是在定錐周圍采用了螺旋彈簧來作為保險調節(jié)裝置，當破碎機在工作過程中遇到不能破碎的物料時，通過周圍的螺旋彈簧調節(jié)排料間隙，從而保護整臺設備。由于結構上的缺陷, 造成破碎產品粒度較粗。

圖1 彈簧圓錐破碎機結構示意圖

1.2 液壓圓錐破碎機

19世紀50年代，隨著液壓技術的發(fā)展，圓錐破碎機開始由彈簧調節(jié)排料口間隙和過鐵保護轉向采用液壓調節(jié)，圓錐破碎機開始由彈簧式向液壓式過渡發(fā)展[5]。

1948年美國阿利斯-卡爾默斯公司首先生產了該型破碎機，相較于彈簧式來說，結構上更加簡單，成本也相對降低，且液壓控制穩(wěn)定，反應靈敏，過鐵保護性能優(yōu)越，破碎產品質量有了很大的提高。液壓式圓錐破碎機結構原理如圖2所示。其工作原理與彈簧式圓錐破碎機基本一致，主要區(qū)別就是排礦口與過載保護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結構示意圖

1.3 慣性圓錐破碎機

慣性圓錐破碎機由蘇聯(lián)研發(fā)，由于其獨特的結構，一經問世，很快占領了一定的市場份額。與傳統(tǒng)圓錐破碎機結構原理不同，其傳動系統(tǒng)與定錐間不是剛性連接，因此即使腔內出現不可破碎物料，也無需采用過載保護。采用層壓破碎原理產品破碎質量較高，破碎比可以達到4～30。由于內部采用的不是剛性連接，整機運行平穩(wěn)，功耗相較于液壓圓錐破碎機低40%左右[6]。

慣性圓錐破碎機結構原理如圖3所示。慣性圓錐破碎機的運動狀態(tài)比較特殊，動錐在旋轉的同時還伴隨著自身強烈的脈沖振動，頻率可達每旋轉一周振動100多次，正是由于這強烈的振動，使得物料破碎會更加充分，破碎產品質量更高。慣性圓錐破碎機的破碎力，由激振器和動錐產生的離心力所組成，與被破碎物料的硬度、破碎腔內物料填充程度無關。調整激振器的偏心塊質量、改變偏心距、改變激振器的轉速，得到針對任何工作條件所需要的破碎力。

圖3 慣性圓錐破碎機結構示意圖

2 圓錐破碎機性能研究現狀

2.1 圓錐破碎機能耗預測研究

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

早期，科研人員將三大經典破碎理論作為能耗研究的基礎，Rittnger表明物料破碎增加的表面積與破碎能耗成正比關系，Kick表明物料破碎后的體積總和大小與破碎能耗成正比關系，Bond表明物料的裂隙長度與破碎能耗成正比關系，1975年，Hukki以實驗的形式證明了該三個理論的局限性和適用范圍。之后，Morrell也對該三個理論做了進一步發(fā)展，雖然考慮了物料硬度和抗壓強度等因素，但仍然對能耗的研究不夠準確，主要原因是未考慮物料破碎粒度的分布情況。

對此，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學模型，得到了業(yè)界的認可，國內北京科技大學劉瑞月[1]博士、上海交通大學馬彥軍[14]博士等以此為基礎，在實驗室以某一礦石為例，利用數學回歸方法，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多缸破碎機的應用中得到了驗證。

但是目前的研究成果是基于實驗室模擬層壓破碎取得的，與破碎機實際中層壓破碎工況有一定的差距，粒度分布系數計算不夠準確，需結合現場開展進一步的研究。

2.2 襯板磨損預測研究

動錐的高速旋擺運動使得物料不斷受到動錐和定錐襯板的擠壓，同時，動錐繞其自身主軸有一定的旋轉，造成物料沿著襯板表面有一定的滑動，擠壓和滑動共同引起襯板的磨損消耗。磨損不僅引起襯板的更換頻率，同時增加了破碎機更換襯板時的停機時間，給生產企業(yè)帶來很大的經濟損失，對此，國內外科研人員針對提高襯板壽命，進行襯板磨損預測等方面進行了大量的研究。

Lindqvist、Terva.J、Bengtsson.M、Moshgbar.M、Hulthen.E等國外科研人員研究了破碎機排礦口css、進動角、轉速等參數對磨損的影響，并對現場數據進行數學回歸，建立相應模型，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、不同的工作參數所產生的擠壓力變化規(guī)律，以及壓力分布與襯板磨損之間的關系，對襯板磨損進行了預測[10-12]。國內方杰等利用ANSYS仿真，結合實際工況，分析了襯板表面磨損微觀組織變化，證明了各種磨損機制的權重。燕山大學張子龍[5]博士通過數值模擬提出了破碎腔恒定磨損準則。

以上研究建立了不少的磨損模型，但對考慮襯板的磨損引起腔型的變化研究不夠深入，以及只是應用仿真軟件對腔型變化對破碎產品質量的影響進行了模擬，在實際生產中沒有得到有效驗證，需加強進一步的研究。

2.3 破碎產品粒度研究

破碎產品粒度質量是反映破碎機性能的關鍵指標，直接影響后續(xù)碎磨工藝和企業(yè)效益。學者Broadbent在關于“煤的破碎過程”研究中首先提出，后經更多學者的不斷完善，基于總體平衡理論，引入選擇、破碎、分級函數的概念，逐漸形成表征破碎事件物料的產品粒度模型，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，曬干。主要分布于遼寧、河北、內蒙古、山東、山西、陜西、甘肅、寧夏等。

(1)

式中，Si為選擇函數；Bi為破碎函數；K0為物料所受到的總破碎次數；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、破碎函數的關系，以及給料粒度、緊邊排礦口ccs對針片率的影響，實現了破碎與針片預測的有效結合。黃冬明[13]、馬彥軍[14]、張子龍[5]都對物料針片率從不同角度進行了研究，得到了針片物料的選擇、破碎函數，并考慮層壓過程中方粒型與針片型的轉化行為，對國外人員的研究進行了深化，取得了較大突破。

實際中，物料的粒度質量還與破碎機的進動角、動錐轉速、動錐底角等參數有很大的關系，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是通過實驗室測試而得，并不能有效指導工業(yè)生產。

2.4 圓錐破碎機腔型優(yōu)化研究

圓錐破碎機腔型是物料破碎的場所，由動錐襯和定錐形成的工作空間，提高破碎的生產率、產品粒度質量及實現襯板均勻磨損等，都是通過優(yōu)化破碎機腔型實現的，因此，國內外科研人員對腔型的優(yōu)化研究最多。

隨著計算機技術和先進算法的發(fā)展，結合實驗，國內外都進行了建立以破碎機生產率、產品粒度、襯板磨損、破碎能耗為目標函數，破碎機轉速、動錐底角、平行區(qū)長度、進動角、緊邊排礦口css等參數及范圍作為設計變量和約束條件，采用KT方程的系列二次規(guī)劃算法、罰函數法、fmincon函數、復合形法等算法進行多目標優(yōu)化，獲取最優(yōu)腔型結構參數。國外Quist博士等在Metso公司H系列破碎機進行了實驗，國內劉瑞月[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型圓錐破碎機和河北唐山某型號破碎進行了驗證，取得了較為滿意的結構。

以上對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破碎過程中，需要對目前的模型做進一步的修正，并且在實際中并不能做到對襯板的有效均勻磨損，在破碎腔內堵塞層的磨損更為嚴重，對于不同的礦石，產品針片率差別較大，所以對于腔型的優(yōu)化工作任重而道遠。

3 國內產品存在的問題及未來發(fā)展趨勢

3.1 存在的問題

目前國外破碎機領先的企業(yè)主要有瑞典山特維克、芬蘭美卓、德國蒂森克虜伯等，國內主要中信重工和北方重工。國內產品與國外相比，現有的圓錐破碎機存在著噪聲大、振動突出、破碎效率低、襯板使用壽命短、產品粒度不均勻、關鍵零部件的結構設計不合理等問題，造成的原因主要歸結為以下幾個問題：

(2)產品設計缺乏理論指導。主要表現為產品設計主要依靠經驗或對外國產品尺寸測繪，缺乏理論設計依據，從而導致產品的可靠性較低。

(3)高端不足，低端過剩。主要表現為國內除以上兩個領頭羊企業(yè)之外，生產圓錐破碎機的小企業(yè)比較多，造成惡性競爭，導致領頭羊企業(yè)疲于市場份額爭奪，而減少了投入科研的精力。

3.2 未來發(fā)展趨勢

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

(1)大型化。隨著破碎物料需求的增大，產品處理量已經從每小時幾十噸增加到2 500噸左右，但大型化對傳動軸、電機等關鍵部件提出更高的要求，所以提高部件的可靠性才能實現進一步的大型化。

(2)高效化。單機裝機功率已經從幾十千瓦達到800千瓦，在當前節(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。目前國內破碎機產品也通過監(jiān)測電機電流、襯板間距等基本實現了智能管理，但是對于采集的數據只能進行簡單的處理，不能做到智能分析，今后需重點開發(fā)智能分析診斷軟件，實現實時在線監(jiān)測、控制等健康管理。

(4)綠色化?，F有圓錐破碎機存在振動噪音大、破碎粉塵多等問題，對一線人員的身心健康造成一定傷害，今后需降低設備振動，提高產品穩(wěn)定性，做好防塵處理措施，提供良好工作環(huán)境。