圓錐破碎機襯板耐磨性的工業(yè)試驗研究

王躍輝，吳佳佳，賈進峰，郭 雷

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

圓錐破碎機在礦山、建材、骨料等行業(yè)應用廣泛，僅以礦山行業(yè)為例，在選礦碎磨工藝流程中，圓錐破碎機可承擔三段破碎回路的二段和三段破碎作業(yè)，在半自磨/自磨回路中可承擔頑石破碎作業(yè)。作為選礦碎磨工藝環(huán)節(jié)的重要組成部分，圓錐破碎機的生產(chǎn)能力直接影響到整個作業(yè)流程的生產(chǎn)能力，而破碎機襯板的服務周期對破碎機的生產(chǎn)能力有著重要影響[1-4]。

圓錐破碎機雖然應用廣泛，但其襯板的使用壽命較短，礦用中碎圓錐破碎機的襯板壽命通常只有 30 d左右，而細碎圓錐破碎機的襯板壽命通常只有 15～20 d 左右[3-4]。破碎機襯板消耗量大，頻繁更換襯板耗費大量的人工成本，而且對整條生產(chǎn)線的作業(yè)率產(chǎn)生負面影響。

1 襯板耐磨性評價指標

很多礦山和襯板供應商為了延長襯板的使用壽命做了大量的工作，但是由于眾多因素都能夠對襯板壽命產(chǎn)生影響，對于襯板的耐磨性評價尚不能達成一致意見，缺乏相對客觀、可比照的評價標準。目前圓錐破碎機襯板更換的最佳周期主要依賴操作者的經(jīng)驗[5]，從可操作性上講需要相對簡化的考核指標，比如目前廣泛采用襯板累計破礦噸位[6]、累計破礦小時數(shù)[3-4,6-8]對襯板的壽命進行衡量和評價。這些指標盡管被廣泛采用，但客觀情況是不同的工況條件和工藝參數(shù)對它們的影響是巨大的，其適用性和客觀性也頗受質疑。

為了選擇更加合理的襯板耐磨性評價指標，首先要研究襯板使用結果的差異性與諸多工況條件、工藝參數(shù)之間的關聯(lián)關系。E.M.Tитивский[1]為了對影響破碎機襯板磨損諸因素進行量化評價，將礦石硬度、研磨性(二氧化硅含量)、原礦粒度、含水率及破碎機的小時處理量作為自變量，襯板的平均壽命(千噸)作為因變量，采用多重相關回歸分析法建立了襯板的磨損量回歸模型。工業(yè)試驗結論認為，對襯板磨損影響最大的是礦石研磨性，其次是礦石硬度，然后是生產(chǎn)能力，粒度和含水率也產(chǎn)生影響，但弱于前面幾個因素。張文友[7]的試驗結果則認為，襯板耐磨性的主要影響因素不是礦石硬度，而是礦石整體的耐壓強度。上述結論的矛盾凸顯出襯板耐磨性研究過程中存在的問題。由于能夠產(chǎn)生影響的因素太多，不論是仿真還是工藝試驗能夠控制的因素有限，使得襯板壽命的模型研究具有一定的“灰箱”特點[9]。

由于襯板壽命分析和評價模型的復雜性，僅憑理論分析或有限的原型試驗得出一些定性指導結論，已經(jīng)不能為礦山企業(yè)和襯板供應廠商提供有效的決策參考，有必要進行相對浩大的工業(yè)試驗，收集大量的工業(yè)運行數(shù)據(jù)進行對比性試驗[10]。而進行這樣的試驗，對樣本的數(shù)量、有效性和準確性提出了較高要求，并且需要有深入專業(yè)背景知識的技術人員對采集的數(shù)據(jù)進行專業(yè)分析。樣本的準確性不言而喻，樣本的數(shù)量主要與礦山規(guī)模、試驗時間有關，而樣本的有效性則需要相對較長的采集周期，按照統(tǒng)一的規(guī)程、規(guī)范對數(shù)據(jù)進行采集和處理，這樣的工業(yè)試驗數(shù)據(jù)極其寶貴，有時為了攢夠一定數(shù)量的樣本，需要把不同礦山的襯板應用數(shù)據(jù)集中起來進行分析。公開的文獻中E.M.Tитивский 等人[1]將 5 個不同礦山的圓錐破碎機集中在一起進行了統(tǒng)計回歸分析，張文友等人[7]則集中了 2 個礦山 2 種不同材質的 5 組襯板進行了組合工業(yè)試驗。

2 襯板耐磨性評價現(xiàn)狀

長期以來襯板的耐磨性缺乏規(guī)范的評價標準，往往只存在于襯板供應方和需求方的合同約定中，在需方市場的現(xiàn)實背景下主要由需求方制定。合理的襯板耐磨性評價體系應具有穩(wěn)定性(當前條件下的確定性和同等條件下的可預測性)，同時應能體現(xiàn)差別性。

早期的襯板質量評價指標非常簡單，直接采用襯板累計裝機時長[7]進行評價，這種方法實際忽略了設備運轉率的問題。后來又把設備有效的運行時間[8]作為參考指標，但仍忽略了設備實際的運行負荷(在整個襯板生命周期)的差異。目前為業(yè)界廣泛采用的是累計破礦量[1,6]，雖然較之前的評價方法有所進步，但仍不能把類似排礦口、最終磨損率這些關鍵指標考慮在內。即使襯板耐磨性相同，這些指標也會得到不同的評價結果，理論上的“確定性”都得不到保證。

可預測性(互換性)主要是指調整工況條件下襯板壽命可預期，指相同質量的襯板，比如同一廠家、同一批次、同一爐澆注、性能非常接近的襯板，在相似條件下表現(xiàn)出相同的使用性能。即使用在不同的破碎機上，但破碎機的工藝參數(shù)和設備規(guī)格、物料情況都相同，同樣的襯板應有相同的性能表現(xiàn)(下文的“相同”均包含可接受的誤差范圍，不再贅述)。

影響到襯板最終壽命的因素有很多，其中最重要的因素包括襯板質量、礦石性質、給料粒度分布和產(chǎn)品粒度控制。襯板質量包括襯板的材質、鑄件質量和襯板的腔型曲線；礦石性質包括礦石的耐沖擊性、耐磨性、礦石的預處理狀態(tài)(指礦石開采后經(jīng)過的擠壓破碎次數(shù)和破碎程度)；礦石的給料粒度分布和襯板的腔型匹配相關并相互影響；襯板的粒度控制主要是針對下一級設備或最終產(chǎn)品的需求，體現(xiàn)在排礦口這個參數(shù)上。由于可能產(chǎn)生影響的因素眾多，并且以上因素往往同時產(chǎn)生作用，建立襯板壽命的評價模型時需要把影響顯著的因素盡可能考慮在內，或者在這些因素較為一致的條件下進行衡量。

進行工業(yè)試驗時，由于客觀原因任何 2 套襯板都不可能具備完全相同的工況條件，即使條件相似，如果樣本數(shù)量不足，對比的結果也不具可靠性。和許多其他的工業(yè)試驗一樣，樣本的數(shù)量對結論的準確性起著決定性的影響，而客觀上每個現(xiàn)場的破碎機數(shù)量、每年使用的襯板數(shù)量有限，通過工業(yè)試驗總結出比較實用的評價指標難度較大。

3 襯板耐磨性工業(yè)試驗

澳大利亞某特大型礦山采用自磨+頑石破碎的磨選工藝，每條生產(chǎn)線使用 2 臺圓錐破碎機作為頑石破碎機，整個礦山擁有 8 臺相同的破碎機，便于對比分析。該破碎機裝機功率為 800 kW，襯板腔型為短頭、中碎腔型，設計排礦口為 16 mm，實際排礦口為13～30 mm。筆者以 2017 年全年有完整記錄的 80 套襯板為樣本進行研究。

結合試驗目的，在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)的情況下主要進行了下面幾組試驗研究：一是不同排礦口下，相同破碎機、相同廠家襯板的耐磨性比較，研究排礦口這一關鍵工藝參數(shù)對襯板耐磨性的影響；二是相同排礦口下，不同破碎機、相同廠家襯板的耐磨性比較，研究排礦口外其他工藝參數(shù)對襯板耐磨性的影響；三是相同排礦口下，相同破碎機、不同廠家襯板的耐磨性比較，研究襯板自身差異在各運行指標中的反映情況。最后對該年度所有用到襯板的運行數(shù)據(jù)進行分析，研究相關因素之間的相互影響關系，找出其中的規(guī)律性。

4 襯板磨損過程運行指標變化規(guī)律

破碎機運行過程中襯板的磨損是不可避免的，排礦口隨著襯板的磨損實時發(fā)生變化，襯板磨損后，破碎機排礦口變大，產(chǎn)品粒度變粗，功率下降，破碎效果變差。為了使最終的破碎產(chǎn)品粒度保持在一個均勻的水平，需要定期對排礦口進行標定，以盡可能保持排礦口恒定。而排礦口的標定間隔受到工作班制、工人工作習慣等的影響，使得襯板生命周期內排礦口不斷變化[9]，不同襯板之間的平均排礦口處于不同水平；同時，排礦口的變化影響破碎產(chǎn)品粒度、破碎機自身運行功率和處理量等。因此，破碎機排礦口的變化反映了襯板磨損程度的變化，有必要對襯板生命周期內各項運行指標的變化規(guī)律進行分析，特別是它們相對于破碎機排礦口變化的規(guī)律進行研究。

4.1 單位功耗的變化規(guī)律

破碎機的單位功耗反映破碎每噸礦石所消耗的電能。襯板平均單位功耗與排礦口的關系如圖 1 所示。

根據(jù)試驗結果，襯板的單位功耗隨排礦口的增大呈現(xiàn)出整體下降的趨勢，下降速度在小于等于設計排礦口時較快，但隨著排礦口的繼續(xù)增大，下降速度逐漸放緩。排礦口越小，設備實際承擔的負荷越重；排礦口越大，設備實際做功量降低；而當排礦口明顯大于設計排礦口時不能形成層壓破碎，雖然破碎的通過量持續(xù)增加，但實際發(fā)生的有效破碎減少，破碎效果變差。

4.2 處理量的變化規(guī)律

破碎機的小時通過量反映破碎機的生產(chǎn)能力，它與破碎產(chǎn)品的粒度負相關，排礦口越小，粒度越小，產(chǎn)能越低。襯板平均處理量與排礦口的關系如圖 2 所示。

圖2 平均處理量與排礦口的關系曲線Fig.2 Curve of relationship between average throughput and CSS

從圖 2 可以看出，隨著排礦口的增大，在整個排礦口范圍內設備通過能力表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，這與圓錐破碎機的運行規(guī)律是相符的。但是也能明顯看出，排礦口小于設計排礦口時襯板處理量下降較快，而正常運行時(大于等于排礦口)時處理量變化非常緩慢。

4.3 A 值的變化規(guī)律

A值反映動、定錐襯板相對高度的實時變化情況(補償磨損量)，是襯板磨損情況的主要監(jiān)控指標。A值與磨損率的關系如圖 3 所示。從圖 3 可以看出，A值和磨損率表現(xiàn)出完全線性關系，可見通過A值對襯板磨損程度進行直觀檢測是合理的。

4.4 運轉功率的變化規(guī)律

運轉功率與排礦口的關系如圖 4 所示，從圖 4 可以看出，平均運轉功率表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，僅在排礦口明顯放大時略有下降。按照圓錐破碎機的運行規(guī)律，隨著排礦口的增大，在整個排礦口范圍內運轉功率都應表現(xiàn)出下降的趨勢，但實際上破碎機的運轉功率與破碎機和自磨機之間料倉的料位是連鎖控制的，破碎機的給料速度對破碎機的平均運轉功率產(chǎn)生了重要影響，這也糾正了理論分析的一些誤區(qū)。

圖3 A 值與磨損率的關系曲線Fig.3 Curve of relationship between value of A and wear rate

圖4 平均運轉功率與排礦口的關系曲線Fig.4 Curve of relationship between average operating power and CSS

4.5 累計破礦量的變化規(guī)律

累計破礦量是目前大型礦山的主流襯板評價指標，行業(yè)內對于排礦口與小時處理量的關系較為明確，但對于累計破礦量常常進入一個誤區(qū)：認為襯板的質量和累計破礦量是簡單對應的，累計破礦量高，襯板的質量好，累計破礦量低，襯板的質量就差，這與圖 5 結果顯然不符。這種評價沒有估計或沒有充分估計到排礦口對襯板累計破礦量的巨大影響，另外也沒有考慮到襯板拆卸時其磨損率(最終磨損率)是否相同。

4.6 相同磨損率下累計破礦量的變化規(guī)律

累計破礦量與襯板磨損拆卸的標準有關，由于缺乏統(tǒng)一的預防性維護標準及操作習慣的影響，有的襯板拆得早，有的襯板拆得晚，導致最后的累計破礦量不同，但這是由于操作因素造成的，與襯板本身的耐磨性無關。為了聚焦襯板耐磨性這一因素的影響，在相同的最終磨損率下，對累計破礦量進行修正后，結果如圖 6 所示。即使經(jīng)過修正，累計破礦量仍受到排礦口的影響而表現(xiàn)出較大差異。基于此，筆者提出在相同排礦口情況下，以單位磨損率的破礦量作為襯板耐磨性的評價指標。

圖5 累計破礦量與排礦口的關系曲線Fig.5 Curve of relationship between accumulated throughput and CSS

圖6 相同磨損率下累計破礦量與排礦口的關系曲線Fig.6 Curve of relationship between accumulated throughput and CSS at same wear rate

4.7 累計運行時間的變化規(guī)律

累計運行時間與排礦口的關系如圖 7 所示，累計運行時間和累計破礦量一樣，雖然經(jīng)常被使用，卻不具科學性。

圖7 累計運行時間與排礦口的關系曲線Fig.7 Curve of relationship between accumulated operating time and CSS

4.8 分析總結

從以上分析可以看出，以累計運行時間和累計破礦量作為襯板的評價指標是不可靠的，排礦口和磨損率都會對結果產(chǎn)生明顯影響，在制定評價指標時應當把這 2 個因素考慮在內。同時排礦口對破碎機運行的影響是全面的，也不建議采用修正的排礦口，或者以排礦口、磨損率結合累計破礦量或累計運行時間的多維分析工具對襯板的磨損規(guī)律進行評價。下一章節(jié)將以相同排礦口、單位磨損率的累計破礦量為分析工具，研究對襯板的磨損特性進行評價的可行性。

另外將單位功耗和平均運轉功率作為襯板耐磨性的評價指標也是不可靠的。由于對不同排礦口下的數(shù)據(jù)進行了平均，磨損率的因素已經(jīng)有所體現(xiàn)，卻沒有在評價時將排礦口的影響考慮在內。

5 單位磨損率的累計破礦量

根據(jù)前面的分析，在指定排礦口下，將單位磨損率的累計破礦量作為關鍵指標進行考察，主要從 2 個角度進行分析：一是在所有外在條件相同時，該指標是否具有一定的穩(wěn)定性；二是改變某些關鍵因素，以測試該指標是否發(fā)生明顯變化。

5.1 確定性

選擇同一廠家同型號破碎機(402)、相同排礦口(～20 mm)的 2 套襯板(1 號、2 號)，研究這 2 套襯板是否呈現(xiàn)相似的規(guī)律性。2 套襯板累計破礦量與磨損率的關系如圖 8 所示。

圖8 2 套襯板累計破礦量與磨損率的關系曲線Fig.8 Curve of relationship between accumulated throughput and wear rate of two sets of liner

由圖 8 可以看出，在排礦口接近的情況下，2 套襯板的曲線近乎重合，可以認為這 2 套襯板的質量是相同的。相同質量的襯板在工況條件和設備運行參數(shù)等條件相同的情況下體現(xiàn)了穩(wěn)定性原則，用該工具進行襯板質量的衡量是有價值的。

5.2 各運行參數(shù)的影響

在確定相同襯板具有一定規(guī)律性的基礎上，選擇不同的操作參數(shù)，以確定使用該指標的靈敏性，是否能凸顯不同條件襯板的差別性。

對相同排礦口(20 mm)不同廠家襯板的應用情況進行對比。累計破礦量與磨損率的關系如圖 9 所示。可見同一生產(chǎn)線上，裝在 401 破碎機的襯板明顯不如402 破碎機的襯板。

圖9 累計破礦量與磨損率的關系曲線Fig.9 Curve of relationship between accumulated throughput and wear rate

5.3 襯板不同磨損階段磨損特性分析

從上述分析可以看出，單位磨損率的破礦量不僅反映了不同襯板之間耐磨性的差異，在服役周期的不同階段，不同襯板的耐磨性也各不相同。圖 10 所示為襯板全生命周期內磨損特性的變化情況。

圖10 襯板全生命周期內累計破礦量與磨損率的關系曲線Fig.10 Curve of relationship between accumulated throughput and wear rate during whole lifespan of liner

從圖 10 可以看出，302 破碎機的襯板自始至終其磨損率近乎呈線性，說明襯板從表層到內里表現(xiàn)出相似的磨損規(guī)律，襯板的鑄造質量比較穩(wěn)定且均勻；而 401 破碎機襯板在不同的應用階段其磨損并不均勻。

6 討論

雖然本次研究已經(jīng)將盡可能多的因素考慮在內，并采集了盡可能多的樣本數(shù)據(jù)，但是為了研究主要參數(shù)的影響規(guī)律，仍不可避免地忽略了一些潛在的可能影響到試驗結果的因素：如假定同一廠家、同一批次的襯板質量是相同的，但客觀上，因為鑄造水平的差異，可能與實際情況仍存一定的偏差；沒有考慮到進出料粒度分布的影響，假定它們是一樣的；每套襯板在運行初期和后期的幾何形狀也有一定的差異，本次研究沒有考慮在內；本次研究跨距一年，假定物料的物理特性變化并不明顯。這些還需要在后續(xù)的研究中進一步跟蹤和分析。

7 結論

基于本次工業(yè)試驗研究結論，將現(xiàn)場后期的襯板質量評定規(guī)則重新進行了修訂，按照不同排礦口范圍分段指標評定的方法，取得了礦山用戶和襯板供應商的一致認可，獲得了良好的社會效益。通過本次研究可以得到如下結論。

(1)任何的襯板質量評價體系都必須建立在相同排礦口的前提下，脫離排礦口建立的指標體系都是沒有意義的。不僅如此，排礦口作為一個關鍵指標對破碎機的性能和襯板的耐磨性影響是全面和復雜的，也不建議采用對不同排礦口進行修正的方法進行比較。

(2)在給定排礦口的情況下，單位磨損率的累計破礦量跟襯板質量的關系密切，將單位磨損率的累計破礦量作為襯板質量的評價標準是可行的。不同廠家、不同質量或不同材質的襯板能夠體現(xiàn)差異性；相同廠家、相同批次的襯板在相同的物料和運行參數(shù)下表現(xiàn)出相同的性能指標，體現(xiàn)出確定性；在不同的破碎機和生產(chǎn)線，該指標表現(xiàn)出可互換性。

(3)單位磨損率的累計破礦量不僅能對襯板的整體性能進行評價，還能反映襯板整個生命周期內耐磨性的變化情況。