鋁屑沖擊粉碎機關鍵技術研究與應用

汪建新， 郝靜

（內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

鋁屑粉碎多采用立式粉碎機。粉碎機結構簡單，粉碎效率較高，但粉碎顆粒往往較大，不能滿足部分生產使用。針對以上情況，開發一種結構簡單、產能高、粉碎效果好、造價低廉的鋁屑沖擊式粉碎機，可用于廢棄鋁屑的回收利用。基于我國鋁屑粉碎的實際情況，該機可實現鋁屑的高效粉碎。在結構方面，根據鋁屑顆粒在工作中的受力，設計刀片的結構形式，通過沖擊力的分析確定轉子系統的主軸轉速。刀片的對稱組合結構解決了因主軸轉速過高產生的不平衡現象。軸承潤滑采用浸油潤滑的方式，潤滑軸承的同時還能降低軸承的溫度，可保證主軸的高速旋轉。

1 鋁屑粉碎機工作原理

粉碎機主軸帶動刀片在粉碎腔內做回轉運動，鋁屑進入粉碎腔后，受到腔內氣流影響[1]，物料之間發生碰撞，刀片可通過風扇葉片氣流原理使粉碎腔內產生氣流流動，增加物料的降落速度，提高粉碎過程中的粉碎效率。鋁屑高速沖擊粉碎機的工作原理如圖1所示。

圖1 鋁屑沖擊粉碎機工作原理圖

通過壓板將刀片固定在主軸上，壓板與主軸之間通過螺釘連接，串聯鋼絲防止螺紋松動。電動機帶動大帶輪高速轉動，大帶輪與小帶輪形成加速器，小帶輪帶動主軸做高速回轉運動。為了避免皮帶輪在工作過程中初拉力消失，設計安裝張緊輪定期張緊，保證皮帶輪正常運轉。主軸帶動刀片做高速回轉運動，刀片和物料產生高速的相對運動并對鋁屑進行沖擊粉碎，粉碎后的物料落到卸料板上，物料在卸料板的斜度作用下滑落至出料口排出。排出的物料經過振動篩分機，根據提前設置好的篩板的篩孔大小來篩分出想要得到的顆粒粒度的大小[2]。顆粒粒度大小不合格的鋁屑由輸送機螺旋輸送到粉碎機的入料口，將再一次通過粉碎機與新加入的鋁屑一起進行二次粉碎，再重復此運動過程。

2 鋁屑沖擊粉碎機的主要參數

對于粉碎機而言，主軸速度的高低決定粉碎顆粒的大小，同時也決定著沖擊速度的大小。要得到滿意的顆粒粒度，參數的確定至關重要。

2.1 鋁屑粉碎力的分析

根據基克的體積功耗理論可知：

式中：σ為鋁屑密度，2.7 g/cm3；δ為鋁屑破碎強度，370 MPa；E為鋁屑彈性模量，72 GPa。

得到顆粒的沖擊速度為16.542 m/s，刀片的線速度大于鋁屑沖擊速度，就可將鋁屑沖擊粉碎。

刀片最遠點的線速度V的計算過程為

式中：l為刀片最遠一點（刀片最近一點）到主軸中心的距離；n為主軸轉速。

刀片最近點的線速度V的計算過程為

由此可得刀片的線速度足以將鋁屑粉碎。

由于刀片每一點的線速度不相同，則沖擊速度也不同，對于鋁屑的沖擊力大小也會有所不同[3]。

鋁屑的質量的計算過程為

鋁屑受到沖擊時，可將鋁屑的受力理想化為平面切割矩形物體[4]。刀片粉碎鋁屑，在理想狀態下，沖擊通過鋁屑顆粒的末速度為0，鋁屑所需的沖擊力剛好能將其沖斷，則有

式中：s為5 mm；V0為初速度；V為末速度；a為加速度。

鋁屑的質量為4×10-4kg，刀片的初速度計算公式為

得到刀片的初速度v=39 m/s。

由此可見，在末端的速度169 m/s足以滿足粉碎的條件[5]。一次切削可以需要的切削速度，理想化的顆粒模擬每經過一次切削，物體的質量在原本的基礎上減少一半，依次類推直到得到需求的粉碎顆粒為止。粉碎力的大小與物料質量不可分，質量越小，所需求的粉碎力就越大。

2.2 轉子轉速的確定

轉子的轉速對于粉碎機來說也是一個重要的參數，轉速過低不能夠使鋁屑得到徹底的切削，轉速過高又浪費了機械所產生的動能[7]。轉子的轉速與切削速度密不可分，轉子的最低轉速公式為

主軸在高速旋轉的過程中，不可避免地要產生周期性的離心載荷，這種周期性載荷頻率直接與主軸轉速相關，因此要對回轉軸做振動性分析，計算主軸的臨界轉速，使得軸的振動頻率與載荷頻率相交避開。避免機器發生共振現象，根據雷利（Rayleigh）公式得知其第一臨界轉速公式為

式中：g為重力加速度；mi為軸上第i個圓盤的質量；yi為軸上圓盤在mi處的靜撓度。

根據如上所述，主軸的轉速必須滿足如下條件：

雷利公式的使用原則就是將主軸和刀片等效為圓盤的離心運動[8]，根據材料的特性選取合理的剛度、強度系數，在本課題中，主軸轉速能滿足切削條件為主要內容，為此確定主軸轉速為7500 r/min，可滿足沖擊粉碎的要求，與最低要求的轉速相差較小[9]。

3 鋁屑沖擊粉碎機結構設計

3.1 刀片結構設計

在實際的生產過程中，鋁屑廢料中還容易混雜其他類型的硬度高于鋁屑的雜質。那么刀片在旋轉過程中，沖擊到高硬度的雜質可能會損傷刀片的刃部，降低刀片的使用壽命[10]。為此在刀片部分做鉸接結構，在高速旋轉時，刀片碰撞到高硬度雜質可將其避開。在保證鋁屑切削的同時，還可有效躲避物料雜質。

為此，對刀片與鉸接部分的圓柱銷做了計算分析。刀片質量m的計算公式為

式中：V為刀片體積，V=0.48×10-4m3；σ為刀片密度，σ=13 g/cm3。求得刀片的質量m=0.7 kg。

刀片開始旋轉時所受到的離心力計算公式為

在刀片旋轉過程中，刀片作為一個整體運動。將刀片看作一個質點，為此對不規則的刀片的質心進行計算，如圖2所示。對于一個不規則的物體，找質心的方法有很多種，大多屬于物理方法，需要實物來確定。對于設計圖來說，在CAD中捕捉物體的質心，根據質心確定旋轉物體的半徑為70 mm。

圖2 刀片位置圖

則刀片質心處的線速度的計算公式為V=2πln/（60×1000）=55 m/s。圓柱銷的受力F=mv2/r=30250 N。刀片的材料選用YG8N，材料的許用應力［τ］=σs/s=334 MPa。鎢鋼的實際理論應力τ=F/A=F/［（π/2）2d2Z］=4F/（2πd2Z）=75 MPa＜［τ］。根據計算可知銷釘的大小滿足許用應力的要求，在實際的生產中可以滿足力的剪切強度。連接刀片與主軸的銷釘的應力σ=F/A=1080÷5.6 =192 MPa ＜334 MPa，因此鉸接的圓柱銷釘選用d16滿足設計要求。

3.2 主軸結構設計

提高主軸轉速，便提高沖擊力的大小。轉子系統的動力提供主要依靠傳動機構與電動機的布置，本設計采用一端固定、一端游動的安裝方式，將主軸立式安裝，分為上、下兩個軸承，下軸承端是固定的，采用能夠承受軸向推力的軸承——深溝球軸承，裝配方式如圖3所示。

圖3 角接觸球軸承的布置

下軸承裝配過程中，將底板與粉碎機底部裝配，將底板與軸承端蓋之間形成的空隙作為液壓油的油箱，軸承外端與底板固定，并在與軸承接觸的位置設計機加平面，方便零件的加工[11]。軸承的內圈采用軸肩固定的方式，軸承端蓋設計端蓋位置較長，利用端蓋與軸承間的空隙形成液壓油箱，端蓋與軸承之間采用氈圈油封。軸承端蓋與底板之間采用螺釘固定。左側底板處設計有油口，方便液壓油的添加及更換。按照軸的直徑選擇軸段擋圈，用于軸的軸向固定。底板與機架相連接固定，設計為一體。

在上軸承的結構中，為了確保軸承能夠采用浸油潤滑的方式，將軸套用平鍵的聯接方式與主軸聯接，將軸套設計為圖4所示的形狀，軸套下端采用下方軸段的軸肩進行固定[12]，上端與小帶輪輪轂連接，小帶輪所連接的軸段則采用軸段擋圈的方式進行固定，這樣便實現了軸套的軸向固定和周向固定。軸承外圈與軸套內側固定，同下軸承一樣，在與軸承接觸部分采用機加工平面接觸。

圖4 深溝球軸承結構示意圖

如圖5所示，刀片在粉碎過程中受到主軸離心力的作用，首先刀片與主軸采用鉸接的方式固定，在粉碎過程中，難免會出現硬度較大的顆粒物質，鎢鋼硬度雖高，但長期處于沖擊粉碎的工作狀態之下，若碰到硬質顆粒，也會降低刀片的使用壽命，頻繁更換刀片會降低粉碎機的粉碎效率。

圖5 刀片安裝示意圖

為了使粉碎腔中產生氣流，將刀片的形狀設計為風扇葉片的形狀，利用風扇原理產生氣流，提高沖擊粉碎生產效率。圖6所示為氣流流動刀片三維圖。

圖6 刀片結構示意圖

刀片采用Geomagic Design-X風扇面片擬合的原理，采用風扇葉片表面面片作為實體的剪切曲面，利用刀片輪廓與上下曲面形成實體，設計刀片[13]。第一、二層葉片與風扇葉片擬合相同的曲率，這就保證刀片在高速運動的過程中會使粉碎腔內產生氣流，從而提高粉碎機的生產效率[14]。

4 結論

本文以節能減排、提高廢鋁回收為目的，以鋁屑物料作為粉碎對象，根據鋁屑的性能特點提出總體設計方案。根據鋁屑粉碎前顆粒粒度的大小，增大沖擊速度以減小粉碎粒度，解決了沖擊粉碎機出料粒度較大、維修較困難的問題，提高了工作效率，得到了理想的出料粒度。所做工作和取得的成果如下：1）針對現有鋁屑粉碎機在作業過程中出現的工作效率低下、工作刀片易磨損等問題，結合國內外粉碎機構的原理和特點，提出一種主軸高速旋轉的切削結構，完成對鋁屑顆粒的切削；2）為解決現有沖擊式粉碎機粉碎腔內物料不易下降的問題，采用軸流式風扇的工作原理，設計了一種扇葉促進鋁屑下降；3）刀片與壓板連接處鉸接的結構形式可以能使刀片在切削時避開硬質粉碎顆粒，實現小角度偏轉，這種結構設計增加了物料性態的適應性，提高刀片的使用壽命；4）提出了一種實現軸承浸油潤滑的結構方式，能夠保證軸承在主軸的高速回轉中實現浸油潤滑；5）現有的鋁屑粉碎機大多數采用剪切、撕碎的粉碎方式，而鋁屑沖擊粉碎機采用刀片打擊粉碎的方式對鋁屑進行沖擊粉碎。