立軸沖擊式破碎機葉輪最大處理量的確定方法及提高途徑

李恒栓

洛陽大華重工科技股份有限公司 河南洛陽 471023

立 軸沖擊式破碎機 (以下簡稱“立軸破”) 是目前機制砂最常用的破碎設備，隨著砂石項目的不斷大型化，立軸破的市場需求量不斷增加，單機最大處理量也同時需要提高。而要提高處理量應首先分析與處理量相關的影響因素，根據各影響因素對立軸破進行優化設計，同時還可以根據各因素的影響程度進行整體考慮，做出最優的設計[1]。

1 立軸破工作原理及處理量的界定

立軸破的工作原理如圖 1 所示，高速旋轉的葉輪將物料顆粒加速到一定速度并拋射出去，利用物料之間的相互撞擊進行破碎，可以通過改變葉輪的轉速來改變破碎效果[2]。

圖1 立軸破工作原理Fig.1 Work principle of vertical-shaft impact rusher

由圖 1 可以看出，物料進入進料斗內分成了兩部分：一部分經限料環流經給料管后進入到葉輪內，經高速旋轉的葉輪加速后拋射出來撞擊到破碎腔周圍；另一部分經進料斗的外腔通道直接落入到破碎腔內。這兩部分物料在破碎腔內發生碰撞而被破碎，立軸破的處理量是兩部分物料的總和，即進入葉輪內物料量與進料斗分流量之和。

進入葉輪內部的物料經高速旋轉的葉輪加速后，帶著動能發射出來是需要消耗能量的；而進料斗分流部分的物料則是自由下落，不需要消耗能量，其分流量的多少可根據實際情況進行調整。筆者只討論進入葉輪內的最大物料處理量，不考慮進料斗的分流量。

2 存在問題

目前各生產廠家立軸破的技術參數差別較大，處理量的范圍寬，這給缺少使用經驗的用戶在設備選型上帶來了很大不便。特別是在制砂設備大型化的今天，一些大型號的立軸破不斷被開發出來，目前市場上已知的最大立軸破裝機功率已達到 1 000 kW。隨著裝機功率的加大，處理能力也隨之增大，但裝機功率與相應處理量的關系，大多還主要依據小型號設備的類比推算出來，缺乏理論計算依據，給大型立軸破的設計選型帶來了諸多困難。

3 處理量計算方法

分析立軸破的破碎工作原理不難看出，物料在葉輪內加速的過程是能量進行轉化的過程，即電動機帶動葉輪旋轉后，將電能轉化為機械能，物料進入高速旋轉的葉輪內加速發射出來，又將機械能轉化為物料的動能。因此，可用動能定理計算葉輪的處理量，即在某一段運動過程中，質點系動能的改變量等于作用在質點系上全部力在這段過程中所作功的代數和，

可假設一個計算模型，在一段時間內 (1 h)，立軸破的驅動功率與葉輪轉速都確定，連續不斷的物料進入高速旋轉的葉輪內被加速，物料的初速度 v1為 0，離開葉輪的瞬間速度為 v2，將該模型看做質點系，1 h 內累計加速的物料顆粒總質量為∑m，則有

式中：W12為 1 h 內用于加速物料顆粒所做的有效功；P 為破碎機的裝機功率；η為效率。

葉輪在實際運轉中由于存在各種能量損失，致使物料顆粒實際獲得的能量低于從原動機得到的輸入能量，用η表示物料顆粒利用的能量效率。葉輪的能量損失包括：

(1) 風阻損失ηh由于葉輪在充滿粉塵顆粒的破碎腔內高速旋轉，這個過程會產生風阻損失，風阻損失與葉輪的幾何形狀、尺寸以及轉速等因素有關。經測試不同直徑的葉輪邊緣不同的線速度 (60～80 m/s)空載運轉時的數據，確定ηh的取值范圍一般為 0.75～0.86。

(2) 摩擦損失ηv物料顆粒在葉輪內的加速過程中，其受力方向與運動方向存在一定的夾角，與積料層之前存在摩擦力并轉化為內能。ηv的取值范圍一般為 0.80～ 0.85。

(3) 機械損失ηm包括動力傳動裝置、軸承、油封之間的摩擦損失。機械損失可用機械效率ηm表示，它與傳動方式的選擇、軸承以及油封數量有關系，一般ηm的取值范圍為 0.88～ 0.94。

由式 (3) 可知，如果能計算出物料的最終拋射徑向速度，則葉輪總處理量∑m 便可確定。對于一個幾何尺寸與轉速已知的葉輪，物料離開速度與葉輪轉速之間的關系是一定的。

根據理論力學知識可知，物料在葉輪內的速度是相對速度與牽連速度二者的合成。選擇旋轉的葉輪為動系，安裝葉輪的機架等部分為定系，物料的相對速度 vr是沿積料層向外運動，牽連速度 ve是隨葉輪的中心軸轉動。所以物料的絕對速度 va是 vr與 ve的速度矢量和，即 va=vr+ve(垂直于積料層方向忽略不計)，如圖 2 所示。

圖2 速度合成Fig.2 Composition of velocity

根據圖 3 受力分析得方程

圖3 受力分析Fig.3 Force analysis

式中：F離為礦石顆粒受到的離心力；μ為物料與積料層的摩擦因數，一般取 0.9～ 1.5；α為離心力與運動方向的夾角；r 為礦石顆粒到旋轉中心的距離。

礦石顆粒離開葉輪的瞬間速度

以目前市場上常用的 PL-1000 立軸破為例，已知葉輪轉速 n=1 340 r/min，μ=1.1，r=0.41 m，α=54°(離開拋料頭時的角度)，物料顆粒離開葉輪時的受力分析如圖 4 所示。

圖4 物料顆粒離開葉輪時的受力分析Fig.4 Force analysis of material particle while leaving impeller

將數值代入式 (6)～ (8)，得 vr=23.2 m/s，ve=57.5 m/s，va=73.6 m/s。根據以上數據便可計算出處理量與功率和轉速的關系。

仍以 PL-1000 為例，裝機功率為 500 kW，葉輪轉速為 1 340 r/min，ηh=0.75，ηv=0.8，ηm=0.9，根據式 (3) 計算得最大處理量為 350.9 t/h。

4 提高處理量的途徑

在實際生產過程中，物料顆粒的速度可根據用途提前確定下來。制砂時，為了盡可能提高成品率，往往采用較高一些的速度；而用于物料整形時，為避免出料中的細顆粒占比過大，可選用偏低的速度。同時一種機型的裝機功率也是確定的，所以提高處理量也只能從提高葉輪的總工作效率入手。

總效率是 3 個效率的乘積，其中摩擦損失是由葉輪的原理結構決定的，同時也與物料顆粒的性質、生產工藝 (如干法或濕法生產) 有關，這部分的損失可優化的空間較小，故只能從風阻損失與機械損失兩方面進行優化設計。

葉輪的風阻損失與其風阻系數、幾何尺寸、速度等因素有關，葉輪應設計為低風阻形狀，幾何尺寸滿足物料顆粒的最大通過量即可，要避免直徑過大、高度過高。在減少機械損失方面，可以選擇傳動效率高的傳動帶，也可以考慮選擇電動機直接驅動的方式。

5 結論

(1) 通過分析立軸破的破碎工作原理，使用動能定理推導出葉輪最大處理量的計算公式。最大處理量與功率 P、能量利用效率η成正比，與物料離開葉輪的合成速度的平方成反比。葉輪的總工作效率η在0.53～ 0.69 之間是比較低的，說明能量在轉化與傳遞過程中的損失比較大。

(2) 通過分析物料在葉輪內部的運動狀態，可知物料的絕對速度是 2 個分速度的合成。以 PL-1000 立軸破的葉輪為例，當裝機功率為 500 kW，葉輪轉速為 1 340 r/min 時，葉輪的最大處理能力為 350.9 t/h。

(3) 綜合分析影響立軸破葉輪處理能力的各種因素，得出提高葉輪處理量應主要從減少風阻損失與機械損失等方面進行優化。