立軸沖擊式破碎機的分料錐磨損規律研究

施進發，馮飛飛，楊 杰，馬軍旭

（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045）

1 引言

立軸沖擊式破碎機的零部件被外界物料撞擊時，會受到不同程度的磨損。分料錐直接承受物料的沖擊，屬于易損件之一，若不及時更換，則會影響物料的分流效果，使各個導流板之間物料的質量不均勻，從而影響轉子的動平衡和破碎機的制砂效果[1?2]。文獻[3]通過對材料的精心選擇、磨損部位幾何形狀的設計和固定方法的研究，使易損件的壽命得到明顯改善。文獻[4]利用離散單元法，對反擊式破碎機模型進行了仿真分析。通過仿真分析顆粒間粘結鍵斷裂的數量，對反擊式破碎機的參數進行優化。文獻[5]利用離散元軟件EDEM對轉子加速板的模型進行仿真分析，得到轉子不同的結構參數和生產參數對轉子加速板的磨損規律。當導流板的安裝角度為90°、導流板的圓弧半徑為2000mm以及分料錐的高度為125mm時，導流板的磨損最小；導流板的磨損隨著入料量、轉子的轉速和入料高度的減小而減小。文獻[6]分析了轉子錘頭的主要磨損形式為沖擊磨損；選取生產參數（轉子尖端線速度、入料量和入料高度）和轉子的結構參數（喂料環內徑、分料錐高度、分料錐角度、流道板長度、流道板角度和錘頭夾角），借助于離散元軟件對其進行單一試驗，得到減輕錘頭磨損的各因素最優參數；再設計正交試驗，確定各個因素對錘頭磨損的影響順序為：錘頭夾角、流道板長度、喂料環內徑、流道板角度、分料錐高度、分料錐角度。文獻[7]利用離散單元法分析了在不同工況下轉子耐磨件的磨損形式和磨損特性，但并未探究轉子的結構參數和生產參數對轉子分料錐的磨損規律。

為了探究生產參數和轉子的結構參數對分料錐的磨損的影響規律，采用離散單元法進行建模仿真，分析分料錐的主要磨損區域。并對轉子進行優化設計，提高轉子的耐磨性能。

2 轉子模型的建立和仿真參數的設定

2.1 分料錐磨損模型的建立

轉子的模型，如圖1所示。轉子是立軸沖擊式破碎機的核心部件，主要由喂料環、分料錐、導流板、錘頭、上下耐磨板組成[8]。其中分料錐位于轉子的中心，由給料斗給料后，通過喂料環進入轉子內部，分料錐將物料均勻地分流到導流板兩側。然后物料在導流板中加速、碰撞、研磨，并在離心力的作用離開轉子，與破碎腔的襯板或物料層進行碰撞等實現物料的破碎。

圖1 轉子三維模型Fig.1 Three?Dimensional Model of Rotor

分料錐是物料進入轉子首要接觸的部件，而導流板的安裝角度θ以及安裝個數直接影響分料錐底面堆積物料的多少。如圖2所示，導流板的安裝角度為θ以及安裝數目為4時分料錐的結構參數。

圖2 分料錐的結構參數Fig.2 The Structural Parameters of the Split Cone

2.2 分料錐的磨損模型

在設置仿真接觸模型時，由于在實際制砂過程中，石灰石顆粒與轉子之間存在滑動，因此石灰石物料顆粒與轉子的接觸模型選用Hertz?Mindlin with Archard Wear 模型[9]。即從轉子表面移除的質量與粒子在表面上移動所做的摩擦功成正比。該方程為：

式中：Q—被移除的材料體積；Fn—材料所受的法向載荷；dt—被移走的切向距離；W—原磨損常數。

式中：K—無量綱常數；H—材料最軟表面的硬度度量。

因此每個單元的磨損深度h：

式中：A—接觸面積。

整個分料錐的深度H：

式中：n—分料錐劃分的單元格數。

2.3 石灰石的顆粒模型

離散單元法的顆粒模型大多以球形為主，雖然在一定程度上能夠節約仿真時間，但有一定的缺陷。在實際制砂過程中，物料的顆粒外形尺寸多變，級配還具有一定的連續性。為了使仿真更加接近現實，這里建立了幾種不同形狀的物料顆粒。三種不同粒度的物料顆粒，如圖3所示。粒度大小分別為4mm，8mm，12mm。仿真時，這三種物料顆粒按一定的比例混合，分別占25%，50%，25%，仿真時間設為10s。

圖3 石灰石顆粒模型Fig.3 Limestone Particle Model

2.4 仿真參數的設定

對該轉子分料錐進行磨損仿真分析時，顆粒的材料為石灰石，轉子的材料選用鋼。在離散元軟件EDEM中設置接觸模型，顆粒之間采用Hertz?mindlin（no slip）接觸模型，顆粒和轉子之間采用Hertz?mindlin with Archard Wear模型，顆粒與轉子的材料屬性，如表1所示。顆粒與轉子之間的接觸參數，如表2所示。磨損常數為1× 10?10。

表1 材料屬性表Tab.1 Material Property Sheet

表2 接觸參數表Tab.2 Contact Parameter Table

3 分料錐的磨損分析

選取入料量為10t∕h、轉子的轉速為2000r∕min、物料進入轉子的初始速度為2m∕s、導流板的安裝數目為4以及安裝角度為0°時仿真后分料錐的磨損結果，如圖4所示。

圖4 分料錐的磨損模型Fig.4 Wear Model of the Split Cone

由圖可知，分料錐的磨損程度并不是均勻分布的，而是越靠近導流板的位置磨損越嚴重。分析顆粒在分料錐上方的運動狀態可知，距離導流板入口的較近位置，這些顆粒會首先與導流板接觸并被導流板加速拋出，從而使得導流板附近的顆粒較少。隨著顆粒持續進入轉子，由于顆粒間的擠壓、排擠的作用，分料錐上顆粒就會從顆粒含量多的區域向顆粒含量少的區域流動。由此可見，導流板入口周圍顆粒的流量大于其他區域，所以此區域的顆粒發生碰撞、摩擦的頻率較大，從而導致該區域的磨損也較大。

4 轉子結構參數對分料錐磨損的影響

分料錐的磨損程度隨著轉子結構參數的不同而不同。在分料錐尺寸不變的情況下，研究導流板的安裝角度θ以及導流板的安裝數目對分料錐磨損的影響。

4.1 導流板的安裝角度對分料錐磨損的影響

對于閉式轉子而言，為了使顆粒在被轉子拋出時具有足夠大的動能，導流板通常采用前向式安裝方式[1]，即導流板的安裝角度為正。同時導流板的安裝角度不宜過大，物料離開轉子后，過大的安裝角度不僅增加了物料與破碎腔之間的沖擊距離，造成物料破碎不徹底，還會加劇導流板的磨損。經與合作企業交流，為了探究導流板的安裝角度對分料錐磨損的影響，保持其他參數不變，選取安裝角度θ分別為?30°、?15°、0°、15°、30°、45°進行仿真。在仿真結束后，由前文式（3）、式（4）可知每個單元格以及整個分料錐的磨損值，將其數據導出并進行整理，進而得到分料錐的整體磨損值和磨損均方差，由此可知分料錐的磨損程度和磨損均勻性。磨損值和均方差越小，則分料錐磨損程度越小、磨損均勻性越好。

導流板的安裝角度從（?30～?15）°時，分料錐的磨損值增加；而安裝角度從（?15～0）°時，磨損值降到最小；安裝角度從0°增加到15°時，磨損值又達到最大；從（15～30）°開始，磨損值又大幅度減少，如圖5所示。安裝角度從（30～45）°時，磨損值又稍微增加。從磨損均勻方面來看，導流板的安裝角度從（?30～0）°時，分料錐的磨損均勻性變好；安裝角度從（0～15）°時，分料錐的磨損均勻性變差；安裝角度從（15～45）°時，分料錐的磨損均勻性稍微變好。仿真時間在5s時，物料在轉子內部的流動基本穩定，通過比較此時不同的導流板安裝角度下，轉子內部顆粒的總質量可知，導流板的安裝角度為0°時，轉子內部的顆粒總質量最小。分析表明單位時間內顆粒能夠盡快離開轉子，所以顆粒與分料錐接觸的次數相對較少，分料錐的磨損值較小以及磨損均勻性也較好。所以如果不考慮生產率以及破碎效果等因素，僅考慮分料錐的磨損這一因素，導流板的安裝角度為0°時最優。

圖5 導流板的安裝角度對分料錐磨損的影響Fig.5 Effect of Installation Angle of Guide Plates on the Wear of the Split Cone

4.2 導流板的安裝數目對分料錐磨損的影響

導流板的安裝數目不同，物料在轉子內部的流動性也不同。導流板的數目直接影響破碎機的生產率，經與合作企業交流，在保持其他參數不變的情況下，選取導流板的安裝數目分別為3、4、5、6進行仿真分析，得到導流板的安裝數目對分料錐磨損的影響。

導流板的安裝數目從（3～4）時，分料錐的磨損減小，并達到最小值；而安裝數目從（4～6）時，分料錐的磨損逐漸增加，如圖6所示。

圖6 導流板的安裝數目對分料錐磨損的影響Fig.6 Effect of the Number of Guide Plates on the Wear of the Split Cone

當仿真時間為5s時，記錄導流板不同的安裝數目下，轉子內部顆粒的總質量。導流板的安裝數目為3時，轉子內部顆粒的總質量最小，表明此時轉子內部顆粒的流動性最好，分料錐的磨損也最小。而磨損均勻性隨著導流板的安裝數目從3個增加到6個先變差后變好；在導流板安裝數目為5時磨損均勻性最差，而在安裝數目為3時均勻性最好。所以綜合考慮分析，選取導流板的安裝數目為4，此時分料錐的磨損值最小，而磨損均勻性也相對較好。

5 生產參數對分料錐磨損的影響

影響分料錐磨損的生產因素很多，例如物料顆粒的粒形和粒徑的大小，轉子的轉速，物料入料量，物料進入轉子的初始速度等。主要就轉子的轉速n、物料入料量T、物料剛進入轉子的初始速度v對分料錐的磨損進行仿真分析。

5.1 轉子轉速對分料錐磨損的影響

在保持其他參數不變的情況下，選取轉子的轉速n分別為1600r∕min、2000r∕min、2400r∕min、2800r∕min、3200r∕min 進 行 仿真分析，得到轉子轉速對分料錐磨損的影響，仿真結果，如圖6所示。

圖7 轉子轉速對分料錐磨損的影響Fig.7 Effect of Rotor Speed on the Wear of the Split Cone

分料錐的總磨損值和磨損均勻性隨著轉子轉速的增加，其變化規律基本一致，但并不是隨著轉速的提高而單一增加。當轉子轉速較低時，分料錐的總磨損值和磨損均勻性都較低。當轉子轉速從1600r∕min增加到2800r∕min時，由于來自顆粒的沖擊力隨著轉速的增加也增加，再加上轉子內部顆粒之間的擠壓、排擠等作用，相應的也增大了分料錐的磨損。

而當轉速從2800r∕min到3200r∕min時，分料錐的總磨損值和磨損均勻性卻大幅度減小了。通過分析仿真過程可以知道，較大的轉速使轉子內部的顆粒能夠快速地離開轉子，雖然顆粒的沖擊力增大了，但相應地減少了顆粒對分料錐的沖擊次數，所以此時的分料錐磨損較低。但是隨著轉速的繼續增加，轉子內部的顆粒雖然能夠快速地離開轉子，由于顆粒的沖擊力過大，所以分料錐的磨損也逐漸增大。綜合考慮分析，轉子的轉速應選擇2800r∕min。

5.2 物料入料量對分料錐磨損的影響

在保持其他參數不變的情況下，選取物料的入料量T分別為10t∕h、20t∕h、30t∕h、40t∕h、50t∕h進行仿真分析，得到物料入料量對分料錐磨損的影響，如圖8所示。

圖8 入料量對分料錐磨損的影響Fig.8 Effect of Feed Volume on the Wear of the Split Cone

入料量從（10～30）t∕h時，分料錐的磨損值急劇增加；但入料量從（30～50）t∕h時，分料錐的磨損值的增加量開始逐漸減小。而分料錐的磨損均勻性隨著入料量的增加而變差。

這是由于隨著入料量的增加，單位時間通過分料錐的物料顆粒逐漸增加，但是物料堆積在分料錐的量具有一個頂峰，如果此時繼續增加入料量，對分料錐上方的堆積量的影響較小，所以對分料錐的磨損影響也較小。但分料錐的磨損均勻性隨著入料量的增加而變差。因此，入料量的選擇應根據實際生產需要，在滿足生產需求的前提下，盡量減小入料量，從而減輕分料錐的磨損。

5.3 物料進入轉子的初始速度對分料錐磨損的影響

在保持其他參數不變的情況下，選取初始速度v分別為2m∕s、4m∕s、6m∕s、8m∕s進行仿真分析，得到轉初始速度對分料錐磨損的影響，如圖9所示。

圖9 物料初始速度對分料錐磨損的影響Fig.9 Effect of Initial Material Velocity on the Wear of the Split Cone

隨著物料初始速度的增加，分料錐的磨損也越來越嚴重，同時磨損均勻性也隨之變差。這是因為隨著物料進入轉子的初始速度的增加，物料在接觸分料錐的速度也變大了，而物料動能的增加導致物料撞擊分料錐的沖量增加，對分料錐的磨損也越來越嚴重。因此，我們應選取較小的給料高度，從而減小物料對分料錐的沖量，以此來減小分料錐的磨損。

6 結論

運用離散單元法，在三維軟件solidworks中構建轉子的三維模型，通過改變轉子導流板的數目和安裝角度這兩項結構參數以及轉子的入料量、物料的初始速度和轉子的轉速這三項生產參數，以此進行仿真分析，探究這些因素對分料錐磨損的影響。通過分析仿真結果，得到如下結論：

（1）通過在離散元軟件中對轉子的分料錐進行仿真分析，得到分料錐的主要磨損部位。

（2）從生產參數和轉子的結構參數兩個方面對分料錐的磨損規律進行探究，導流板的安裝角度為0°導流板的安裝數目為4轉子的轉速為2800r∕min時，分料錐的磨損性能最優；同時應盡量選取較小的入料量和較小的物料初始速度，以減小分料錐的磨損，從而使分料錐獲得良好的耐磨性能。