圓錐破碎機(jī)腔設(shè)計及優(yōu)化

劉　洋,何宇兵（北方重工集團(tuán)有限公司,沈陽　110141）

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圓錐破碎機(jī)腔設(shè)計及優(yōu)化

劉洋,何宇兵
（北方重工集團(tuán)有限公司,沈陽110141）

摘 要：冶金礦山工業(yè)生產(chǎn)中，圓錐破碎機(jī)是其重要的設(shè)備。其主要作用是將散體物料進(jìn)行粉碎。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，圓錐破碎機(jī)在原有的技術(shù)水平上有了進(jìn)一步的提升。但是由于其設(shè)計目標(biāo)多數(shù)仿制國外的設(shè)計樣式，同時設(shè)計水平多停留在一代或是二代水平上，導(dǎo)致很多破碎機(jī)的外形龐大，設(shè)計比較保守，相對于國外先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備，消耗的能源較多，但是產(chǎn)生的效率卻很低。文章針對目前我國圓錐破碎機(jī)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，找出其中存在的問題，并針對新的圓錐破碎機(jī)，機(jī)腔內(nèi)的新設(shè)計目標(biāo)和優(yōu)化方法提出自身的意見和建議，希望能夠給我國的圓錐破碎機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)和發(fā)展提供一點借鑒。

關(guān)鍵詞：圓錐破碎機(jī)；多目標(biāo)優(yōu)化；腔型結(jié)構(gòu)；產(chǎn)品粒度；生產(chǎn)能力

0　前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展科學(xué)技術(shù)水平的提升，大型機(jī)械設(shè)備不斷應(yīng)用到生產(chǎn)中，大大解放了勞動力，同時提升了生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。在社會大生產(chǎn)過程中采用機(jī)械設(shè)備已經(jīng)成為社會生產(chǎn)發(fā)展的必然。冶金工業(yè)中使用的圓錐破碎機(jī)是我們常見的大型機(jī)械設(shè)備。其主要作用就是，將散體物料進(jìn)行規(guī)定性的粉碎，其用圖在冶金工業(yè)中占有重要作用。圓錐破碎機(jī)生產(chǎn)設(shè)備最初是出現(xiàn)在工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，隨著我國冶金工業(yè)的發(fā)展，我國開始仿制國外的圓錐破碎機(jī)，由于生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的能力有限仿制的水平較低，只能仿制生產(chǎn)出國外比較低端的圓錐破碎機(jī)，這就使得很多圓錐破碎機(jī)的體型比較笨重，設(shè)備生產(chǎn)過程中消耗的能源較大，同時生產(chǎn)出的粉粒物料也很不標(biāo)準(zhǔn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展市場需求的加大，冶金工業(yè)的發(fā)展需要進(jìn)行迅速的改進(jìn)，其中以設(shè)備改進(jìn)為主的改革行動至關(guān)重要。下文就我國生產(chǎn)的圓錐破碎機(jī)的設(shè)計構(gòu)思進(jìn)行研究和分析。同時針對圓錐破碎機(jī)機(jī)腔的設(shè)計結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的設(shè)計改進(jìn)方法，大大提升了我國自主研制的圓錐破碎機(jī)工作運行的性能。

1　圓錐破碎機(jī)腔型研究的現(xiàn)狀

對于圓錐破碎機(jī)來說，其機(jī)腔的工作原理比較簡單主要是由兩個襯板組成的即動錐襯板和定錐襯板。這兩個組件組成了圓錐機(jī)腔的主要設(shè)備空間，同時這也是機(jī)腔內(nèi)部放置物料的主要空間。由于圓錐破碎機(jī)機(jī)腔的形狀關(guān)系到破碎機(jī)的生產(chǎn)效率，因此我們必須要認(rèn)真的了解圓錐破碎機(jī)機(jī)腔的設(shè)計形狀。設(shè)計出合理科學(xué)的圓錐破碎機(jī)機(jī)腔形狀，提供工作效率，降低破損能耗。對于國外發(fā)達(dá)國家很早就進(jìn)行了圓錐破碎機(jī)機(jī)腔形狀的研究，很多發(fā)達(dá)國家的圓錐破碎機(jī)機(jī)腔已經(jīng)實現(xiàn)層壓式破碎腔型，這種形式的腔型能夠很好的將粉料中的小顆粒進(jìn)行破碎。還有一些發(fā)達(dá)國家將圓錐破碎機(jī)的腔型進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計，大大提升了設(shè)備的能效。我國對于圓錐破碎機(jī)的機(jī)腔的設(shè)計也進(jìn)行了大膽的研究和創(chuàng)新，設(shè)計研究的旋回式機(jī)腔運行生產(chǎn)效率剖面圖，能夠比較清晰的分析腔內(nèi)各個截面圓錐破碎機(jī)的工作效率。目前我國圓錐破碎機(jī)在研究的過程中存在很多的不利因素。例如很多學(xué)者的缺乏大膽創(chuàng)新的心態(tài)很多設(shè)計，仍舊沿用傳統(tǒng)的折現(xiàn)形式，腔型的設(shè)計參數(shù)與腔型工作效率沒有進(jìn)行緊密的聯(lián)系。這些都阻礙了圓錐破碎機(jī)機(jī)腔研究的進(jìn)一步發(fā)展。

2　圓錐破碎機(jī)的工作原理

2.1圓錐破碎機(jī)的分類

對于圓錐破碎機(jī)來說其設(shè)計制造的形式主要有三種，一種為懸掛式、一種為托軸式、一種為振動式。按照破碎機(jī)的加工物料的粗細(xì)可以將其分成粗碎和中細(xì)碎兩種。對于加工粗料的圓錐破碎機(jī)來說，由于其加工的物料塊較大，因此破碎機(jī)的進(jìn)料口要求比較寬大，這種破碎機(jī)一般被稱為旋回破碎機(jī)。其動錐是正置的，而其定錐是倒置的。加工細(xì)料的破碎機(jī)主要被稱為常規(guī)破碎機(jī)。其加工的物料塊主要是經(jīng)過粗步粉碎過的。其進(jìn)料口的尺寸也要求不大，但對于卸料口則有要求，在原有的基礎(chǔ)上對卸料口進(jìn)行加大處理，提高生產(chǎn)能力。細(xì)料圓錐破碎機(jī)的定錐和動錐都是正置的。

2.2圓錐破碎機(jī)的工作原理

圓錐破碎機(jī)的工作原理主要是通過定錐和動錐以及進(jìn)動角度相互間的運動共同組成。將物料放進(jìn)機(jī)腔內(nèi)，動錐按照進(jìn)動角度在機(jī)腔與定錐間進(jìn)行擠壓運動，將物料進(jìn)行擠壓。這一運動的規(guī)律是很定的。動錐與定錐的距離也是動錐的額定擺動進(jìn)行周期性的變化。然后通過定錐的振動將物料輸送到出料口。

圓錐破碎機(jī)的性能與機(jī)腔的幾何形狀聯(lián)系密切，一個科學(xué)合理的幾何腔型將會大大提升圓錐破碎機(jī)的工作效率，同時對于腔內(nèi)的參數(shù)以及物料自身的性質(zhì)也存在一定聯(lián)系。通過圓錐破碎機(jī)的腔徑截面我們能夠看到動錐沿著定錐的中心線作懸擺運動。當(dāng)石料被擠壓到應(yīng)力的臨界點時，開始粉碎。進(jìn)而通過動錐的運動產(chǎn)生的振動通過機(jī)腔。

3　圓錐破碎機(jī)破碎腔的優(yōu)化模型

對于機(jī)械來說，他們都是在吸收外部動力的前提進(jìn)行做工。一臺完整的機(jī)械都需要由三部組成主要包括，傳統(tǒng)部分、動力部分、以及做工部分。對于圓錐破碎機(jī)來說其做工部分主要是破碎機(jī)腔。通過機(jī)腔的做工將物料進(jìn)行粉碎。因此破碎機(jī)腔設(shè)計的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的做工效率的大小。另外對于物料的自身特性也存在一定的聯(lián)系。為此我們要想提高設(shè)備的工作效率，提升破碎機(jī)的生產(chǎn)能力就必須對破碎機(jī)的機(jī)腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1破碎腔結(jié)構(gòu)與通過能力的關(guān)系

3.1.1圓錐破碎機(jī)的通過能力

圓錐破碎機(jī)的通過能力是指物料粉碎后在指定區(qū)域的通過量。圓錐破碎機(jī)的物料通過能力與其生產(chǎn)能力的大小息息相關(guān)。良好的物料通過能力是保證其生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。如果某臺圓錐破碎機(jī)的通過能力降低。這就說明圓錐破碎機(jī)的生產(chǎn)能力需要進(jìn)一步提升。對于圓錐破碎機(jī)的機(jī)腔內(nèi)部的參數(shù)也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，保證其機(jī)腔內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)合理。

3.1.2腔型結(jié)構(gòu)與通過能力的關(guān)系

圓錐破碎機(jī)在運行的過程中主要是將破碎機(jī)腔內(nèi)部的礦石進(jìn)行擠壓粉碎，達(dá)到一定的直徑標(biāo)準(zhǔn)顆粒在擠壓完成后通過機(jī)腔。這一過程中腔型的結(jié)構(gòu)與礦石子的通過能力存在密切的聯(lián)系。如果腔型中的兩個區(qū)域的腔型參數(shù)值不同，在一個區(qū)域發(fā)生了物料的阻塞，那么下一區(qū)域的物料就要進(jìn)行等待，這一過程中不僅影響了物料的通過能力，同時也給停滯的物料以過多的擠壓時間導(dǎo)致出現(xiàn)物料的顆粒變小甚至出現(xiàn)碎末現(xiàn)象。在實際的研究中我們發(fā)現(xiàn)設(shè)計一款理想的入口平衡型的機(jī)腔存在極大的困難，首先受到破碎機(jī)高度的限制，其次理想的符合入口平衡型的腔型也是不存在的，因此我們只能試圖設(shè)計出近乎理想型的機(jī)腔腔型。

3.2傳統(tǒng)與現(xiàn)代破碎機(jī)腔型設(shè)計的觀點

（1）傳統(tǒng)的圓錐破碎機(jī)機(jī)腔的設(shè)計多數(shù)是仿制了國外發(fā)達(dá)國家一代，二代圓錐破碎機(jī)機(jī)腔的設(shè)計結(jié)構(gòu)和形式。由于這些機(jī)器的設(shè)計是圓錐破碎機(jī)設(shè)計的探索階段，因此設(shè)計水平較低，使用性能不佳。一般來說傳統(tǒng)的圓錐破碎機(jī)的機(jī)腔內(nèi)部設(shè)計準(zhǔn)則采用單物料進(jìn)行腔內(nèi)破碎，通過這種破碎方式我們生產(chǎn)出的物料形狀多數(shù)是針片狀的形式。同時這種生產(chǎn)模式生產(chǎn)效率極低，在相同的條件下消耗的能源較多。無法滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需要。

現(xiàn)代化的經(jīng)過改進(jìn)后的圓錐破碎機(jī)其工作的效率得到大大的提升。在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行大膽的改進(jìn)，從單物料的擠壓破碎準(zhǔn)則上升到顆粒間的層壓破碎原理。在這一過程中，進(jìn)入機(jī)腔內(nèi)部的物料不僅受到動錐與定錐循環(huán)運動的擠壓，同時物料間也在進(jìn)行擠壓破碎，這就大大提升破碎的效率。這一過程中我們就需要對物料的破碎方式進(jìn)行了解。

（2）產(chǎn)品粒度控制的方式。傳統(tǒng)的圓錐破碎機(jī)的設(shè)計受到實際生產(chǎn)經(jīng)驗的影響，很多設(shè)計受到國外設(shè)計理念的影響。例如，對于產(chǎn)品粒度與粒型的控制主要利用物料通過平行區(qū)進(jìn)行控制。這一過程中傳統(tǒng)圓錐破碎機(jī)采用單物料破碎，這就導(dǎo)致物料在生產(chǎn)中要經(jīng)過平行區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，將不合格的物料進(jìn)行進(jìn)一步的擠壓篩選。這個過程中就增加了平行區(qū)的長度，降低了機(jī)械的生產(chǎn)能力。同時耗費過多的能源。

現(xiàn)代高性能圓錐破碎機(jī)采用層壓破碎原理進(jìn)行物料的擠壓。對于現(xiàn)代圓錐破碎機(jī)來說其工作中的粒度的控制不僅僅取決于平行區(qū)域的長度，破碎腔的排料口也是十分重要的。另外圓錐破碎機(jī)機(jī)腔內(nèi)部的物料間也在進(jìn)行相互的擠壓進(jìn)行破碎作業(yè)。這就保證破碎作業(yè)的效率。增加破碎區(qū)段的參數(shù)可以提升物料破碎的概率，大大提升圓錐破碎機(jī)的生產(chǎn)能力。當(dāng)我們在設(shè)計的過程中認(rèn)識到這一點我們就可以很好的控制產(chǎn)品粒度，提升生產(chǎn)效率。

3.3腔型設(shè)計的多目標(biāo)優(yōu)化模型

3.3.1影響性能的關(guān)鍵因素

（1）破碎機(jī)性能因素。對于破碎機(jī)性能指標(biāo)來說,其生產(chǎn)能力與破碎產(chǎn)品粒度是一對矛盾體。工作性能因素是通過影響破碎機(jī)生產(chǎn)能力進(jìn)而影響破碎機(jī)產(chǎn)品粒度。動錐擺動速度越大,物料通過破碎腔時所受沖擊次數(shù)越大,物料粒度越整齊,但轉(zhuǎn)速過大,物料生產(chǎn)能力下降;動錐擺動速度越小,不但破碎產(chǎn)品粒度變壞,破碎機(jī)生產(chǎn)能力也下降,故動錐擺動速度存在一個最佳值。在破碎機(jī)腔型結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下,進(jìn)動角決定破碎機(jī)偏心距。。進(jìn)動角越大,物料在破碎腔中受到更大沖擊,粉碎效果改善,同時對物料運動學(xué)性能有利,破碎機(jī)生產(chǎn)能力提高。

（2）腔型結(jié)構(gòu)因素。破碎機(jī)結(jié)構(gòu)因素主要是破碎腔型結(jié)構(gòu)參數(shù)。在工作性能參數(shù)確定的前提下,破碎腔型對破碎產(chǎn)品粒度有決定性影響。平行區(qū)長度和排料口尺寸是為檢查物料是否粉碎到用戶要求粒度而設(shè)計的,同時也是影響破碎機(jī)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵因素之一。平行區(qū)越長,產(chǎn)品粒度改善,但破碎機(jī)生產(chǎn)能力下降,平行區(qū)越短,粒度變壞。

（3）破碎機(jī)操作因素。圓錐破碎機(jī)在進(jìn)行操作的過程中受到一定因素的影響。包括給料的狀況，給料粒度分布情況，給料是否充分等等。破碎機(jī)工作時必須滿足充分給料,若給料不充分,則破碎機(jī)會出現(xiàn)待料現(xiàn)象,影響破碎機(jī)的生產(chǎn)能力。給料物料粒度分布均勻可以使破碎機(jī)工作時實現(xiàn)層壓破碎。若給料粒度相差很大,將影響破碎產(chǎn)品的粒度。破碎機(jī)工作時若能滿足均勻給料,則破碎機(jī)破碎力分布合理,襯板磨損均勻,有利于發(fā)揮破碎機(jī)的最大工作性能。

3.4多目標(biāo)優(yōu)化模型

3.4.1主要目標(biāo)法

主要目標(biāo)法的思想是抓住多目標(biāo)優(yōu)化的主要目標(biāo)函數(shù),兼顧其他目標(biāo)要求。本文對多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題的求解可以采用主要目標(biāo)法。求解時從多目標(biāo)函數(shù)中選擇一個最重要的目標(biāo)函數(shù)作為多目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù),而其它目標(biāo)函數(shù)只需要滿足一定要求即可。為此,可將其它目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件,用約束條件的形式來保證其它目標(biāo)不致太差。這樣處理后,就成為單目標(biāo)優(yōu)化問題。

3.4.2統(tǒng)一目標(biāo)法

統(tǒng)一目標(biāo)法又稱綜合目標(biāo)法。它是將原多目標(biāo)優(yōu)化問題,通過一定方法轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)或綜合目標(biāo)函數(shù)作為該多目標(biāo)優(yōu)化問題的評價函數(shù),然后用的單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化方法求解。轉(zhuǎn)化的方法主要有線性加權(quán)和法,極大極小法,理想點法與平方和加權(quán)法,分目標(biāo)乘除法以及功效系數(shù)法。

3.4.3協(xié)調(diào)曲線法

這種方法主要是用來解決設(shè)計目標(biāo)相互矛盾的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計問題,使其得到綜合協(xié)調(diào)的優(yōu)化解?；舅悸肥?作出各設(shè)計目標(biāo)全部最佳方案的調(diào)整曲線作為協(xié)調(diào)曲線,建立衡量設(shè)計方案滿意程度準(zhǔn)則,由此找出協(xié)調(diào)曲線上最滿意的設(shè)計方案點作為原問題優(yōu)化解。

4　結(jié)語

總而言之，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式越來越需要大型的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行密切的配合，保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，提升生產(chǎn)效率為企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)利益。圓錐破碎機(jī)是我國在仿制國外破碎機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計研究的，由于傳統(tǒng)技術(shù)水平較低，傳統(tǒng)的圓錐破碎機(jī)的功效低，消耗的能源較大給企業(yè)的發(fā)展帶來巨大的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)代圓錐破碎機(jī)在傳統(tǒng)的設(shè)計理念下進(jìn)行大膽的創(chuàng)新和研究，在機(jī)腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行系統(tǒng)的分析，找出問題并進(jìn)行了改進(jìn)，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，提升了生產(chǎn)效率為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下了堅實的技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)。

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作者簡介：劉洋（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，本科，工程師，研究方向：礦用球磨機(jī)，破碎機(jī)優(yōu)化設(shè)計對礦山產(chǎn)量影響。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.034