任廷志 黃凱鋒 程加遠(yuǎn) 張子龍 金 昕

燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，066004

0 引言

慣性圓錐破碎機(jī)具有大且可調(diào)的破碎力，是能破碎任何硬度的脆性物料的節(jié)能超細(xì)碎設(shè)備，在物料破碎加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用并產(chǎn)生了極大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益[1]。慣性圓錐破碎機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的巨大不平衡慣性力導(dǎo)致其有較大的振動(dòng)，因此慣性圓錐破碎機(jī)不但需要較為笨重的機(jī)體結(jié)構(gòu)，而且其減振基礎(chǔ)受到十分強(qiáng)烈的交變動(dòng)載荷，增加了慣性圓錐破碎機(jī)的維護(hù)成本。

為解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步提高慣性圓錐破碎機(jī)的工作性能，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。夏曉鷗等[2]對(duì)慣性圓錐破碎機(jī)的隔振系統(tǒng)進(jìn)行了分析與創(chuàng)新，采用二次隔振的方式從隔振的角度對(duì)慣性圓錐破碎機(jī)進(jìn)行研究，取得了一定的成效；王海濤等[3]研制了一種雙激振器動(dòng)平衡式慣性圓錐破碎機(jī)，在主激振器的附近增加了一個(gè)平衡激振器，對(duì)設(shè)備的慣性力進(jìn)行了平衡；BELOTSERKOVSKIY[4]研究了慣性圓錐破碎機(jī)的平衡方法，在驅(qū)動(dòng)軸處增加了2塊用于平衡慣性力和慣性力矩的平衡激振器。以上做法均達(dá)到了一定的效果，但未充分利用增加的激振器所產(chǎn)生的慣性力。

筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，研制了一種新型慣性圓錐破碎機(jī)——反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)，增加1個(gè)激振器并輔以合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小了設(shè)備在工作過(guò)程中受到的不平衡動(dòng)載荷，達(dá)到增大破碎力的目的，理論分析和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。

1 破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

要在不削弱慣性圓錐破碎機(jī)激振效果的前提下，利用副激振器產(chǎn)生的慣性離心力進(jìn)一步增大破碎力，一種可行的方法是在副激振器產(chǎn)生的慣性力不影響主激振器運(yùn)動(dòng)且能削弱整體振動(dòng)的前提下，通過(guò)連桿將副激振器所產(chǎn)生的慣性力部分傳遞給主激振器?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)原則，在慣性圓錐破碎機(jī)上增加一個(gè)可以與主激振器發(fā)生同步旋擺的副激振器，通過(guò)空間連桿機(jī)構(gòu)增大破碎力，研制出反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)。該破碎機(jī)由激振機(jī)構(gòu)、破碎機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)與破碎力增大機(jī)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.定錐組件 2.動(dòng)錐組件 3.破碎主軸 4.球面瓦 5.楔形塊 6.法蘭盤 7.球面環(huán) 8.球面軸承 9.主激振器套筒 10.機(jī)體 11.副激振器套筒 12.關(guān)節(jié)軸承 13.滾珠 14.半聯(lián)軸節(jié) 15.副激振器 16.連桿 17.接軸 18.驅(qū)動(dòng)軸 19.軸承 20.定位環(huán) 21.皮帶輪 22.底座 23.減振器 24.關(guān)節(jié)軸承端蓋 25.主激振器圖1 反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)Fig.1 Inverted double exciter inertial cone crusher

破碎機(jī)機(jī)體和減振器、驅(qū)動(dòng)軸等一并安裝在底座上。安裝在底座上的驅(qū)動(dòng)軸在皮帶輪的帶動(dòng)下繞破碎機(jī)中軸線旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)軸與接軸以球銷副相連，接軸與半聯(lián)軸節(jié)以球銷副與移動(dòng)副相結(jié)合的形式相連，使接軸在驅(qū)動(dòng)軸與半聯(lián)軸節(jié)之間有效傳遞所需要的動(dòng)力。

激振機(jī)構(gòu)的主激振器固定在主激振器套筒上，主激振器套筒與半聯(lián)軸節(jié)固定，法蘭盤與球面環(huán)之間為平面副連接，具有調(diào)心作用，使主激振器最終繞著球面瓦的球心做空間定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

破碎機(jī)構(gòu)的破碎主軸裝入套筒的內(nèi)孔中，動(dòng)錐與破碎主軸固定，放置在球面瓦上并繞球面瓦的球心做空間定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，破碎機(jī)構(gòu)在激振機(jī)構(gòu)的慣性力作用下偏離破碎機(jī)中軸線，對(duì)動(dòng)錐與定錐間的物料進(jìn)行擠壓破碎，如圖2所示。

1.定錐與機(jī)體組件 2.動(dòng)錐組件 3.減振器 4.副激振器組件 5.連桿 6.主激振器與套筒組件圖2 主要機(jī)構(gòu)受力分析Fig.2 Force layout of main mechanism

平衡機(jī)構(gòu)的副激振器與副激振器套筒固定，副激振器套筒固定在關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈上，在工作過(guò)程中繞著關(guān)節(jié)軸承的旋轉(zhuǎn)中心做空間定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。副激振器產(chǎn)生的慣性力與主激振器產(chǎn)生的慣性力方向相反。

副激振器套筒通過(guò)球銷副與連桿相連，連桿與主激振器之間以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)套筒與激振器繞破碎機(jī)豎直中軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，連桿帶動(dòng)副激振器套筒和副激振器一起繞破碎機(jī)豎直中軸線同步旋轉(zhuǎn)，將副激振器的慣性力反饋給破碎機(jī)構(gòu)，增大破碎力。反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件組成了一種空間SRS′S機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)錐壁與物料層之間為圓柱-平面副連接，破碎主軸在套筒內(nèi)的自轉(zhuǎn)并不會(huì)影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可視為局部自由度，根據(jù)空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式可得穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的整機(jī)自由度為1，圖2為主要機(jī)構(gòu)受力分析圖。

2 破碎機(jī)的力學(xué)分析

2.1 破碎機(jī)的等效破碎力

慣性圓錐破碎機(jī)的破碎力主要由激振器產(chǎn)生的離心慣性力決定，由文獻(xiàn)[5-7]可得傳統(tǒng)單激振器慣性圓錐破碎機(jī)的等效破碎力：

Fcr=F′ic+F′ucv

(1)

式中，F(xiàn)cr為慣性圓錐破碎機(jī)的等效破碎力；F′ic為慣性圓錐破碎機(jī)動(dòng)錐旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力在破碎區(qū)域的等效力；F′ucv為慣性圓錐破碎機(jī)激振器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力在破碎區(qū)域的等效力。

反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)與單激振器慣性圓錐破碎機(jī)的最大區(qū)別是副激振器與連桿組成的平衡機(jī)構(gòu)與破碎力增益機(jī)構(gòu)。副激振器產(chǎn)生的慣性力作用在設(shè)備機(jī)體上，與主激振器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力相互平衡，并通過(guò)連桿反饋給破碎機(jī)構(gòu)，對(duì)破碎腔中的物料進(jìn)行破碎。圖2中，O1為動(dòng)錐與主激振器旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心，O2為副激振器的旋轉(zhuǎn)中心。

工作過(guò)程中，動(dòng)錐章動(dòng)角γ很小，一般不超過(guò)2°，在忽略了動(dòng)錐組件的章動(dòng)對(duì)各力的影響后，根據(jù)力的平衡法則可得副激振器通過(guò)連桿傳遞給激振機(jī)構(gòu)的力

(2)

式中，F(xiàn)1為連桿對(duì)激振機(jī)構(gòu)的作用力；Fbec為副激振器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力；l6為副激振器質(zhì)心到副激振器旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離；Gbec為副激振器的重力；e2為副激振器的偏心距離；l7為連桿與副激振器鉸接點(diǎn)與副激振器旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離；β為工作過(guò)程中連桿與水平面的夾角；l8為連桿與副激振器鉸接點(diǎn)與副激振器旋轉(zhuǎn)中心的水平距離。

平衡機(jī)構(gòu)用于平衡機(jī)體振動(dòng)的力為關(guān)節(jié)軸承對(duì)副激振器組件支承力R2的反作用力，其分量形式為

(3)

破碎機(jī)構(gòu)對(duì)物料層產(chǎn)生的等效破碎力為

(4)

式中，l4為主激振器質(zhì)心與動(dòng)錐旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離；l3為動(dòng)錐質(zhì)心與動(dòng)錐旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離；l5為連桿與主激振器的鉸接點(diǎn)與動(dòng)錐旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離；l1為等效破碎力合力作用點(diǎn)與動(dòng)錐旋轉(zhuǎn)中心的水平距離；α為動(dòng)錐的底角；l2為等效破碎力合力作用點(diǎn)與動(dòng)錐旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離。

各激振器及動(dòng)錐組件所產(chǎn)生的慣性力分別為

(5)

式中，mucv為主激振器質(zhì)量；mbec為副激振器質(zhì)量；mic為動(dòng)錐質(zhì)量；e為主激振器的偏心距離；ω為驅(qū)動(dòng)軸的角速度；ωic為動(dòng)錐的角速度。

對(duì)比式(4)與式(1)可知，與單激振器慣性圓錐破碎機(jī)相比，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的等效破碎力增加了由副激振器慣性力提供、通過(guò)連桿傳遞的增益力，因此可以使用2個(gè)小質(zhì)量的激振器來(lái)提供破碎機(jī)在破碎物料過(guò)程中所需要的破碎力，達(dá)到平衡設(shè)備振動(dòng)的目的。相較于已有的動(dòng)平衡式慣性圓錐破碎機(jī)，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)具有更小的質(zhì)量。

2.2 破碎機(jī)的振動(dòng)

反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)在工作過(guò)程中，機(jī)體受到破碎機(jī)構(gòu)通過(guò)物料層傳遞給機(jī)體的破碎力的影響，還受到破碎機(jī)構(gòu)與激振機(jī)構(gòu)通過(guò)球面支承傳遞給機(jī)體的作用力。這些力成為主激振器的慣性離心力Fucv、動(dòng)錐產(chǎn)生的慣性離心力Fic、平衡機(jī)構(gòu)通過(guò)連桿傳遞給破碎機(jī)構(gòu)的增益力F1的合力，平衡機(jī)構(gòu)通過(guò)球面支承傳遞給機(jī)體的平衡力如式(3)所示。與單激振器慣性圓錐破碎機(jī)一樣，動(dòng)錐實(shí)際工作時(shí)的旋擺和振動(dòng)頻率均非常高，物料在破碎腔內(nèi)被破碎幾十次，機(jī)體、動(dòng)錐的動(dòng)力學(xué)行為受物料的性質(zhì)和填充情況的影響。工作時(shí)，機(jī)體存在6個(gè)方向的振動(dòng)自由度，其中，水平面內(nèi)的圓振動(dòng)為設(shè)備的主振動(dòng)，其他方向的振動(dòng)較小。此處僅對(duì)水平面內(nèi)的圓振動(dòng)進(jìn)行分析。

考慮破碎腔中物料滯回力的影響，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的物料參振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。忽略系統(tǒng)中的阻尼，并對(duì)破碎過(guò)程中物料的滯回力等效線性化后，得到反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)水平圓周振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程[8-11]：

(6)

P1=Fucv+Fic+F1cosβP2=R′2x

式中，m1為破碎機(jī)工作機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量；m2為破碎機(jī)機(jī)體的總質(zhì)量；ke為散體破碎物料的等效線性化剛度；k2為破碎機(jī)隔振彈簧的剛度。

圖3 反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Kinetic model of inverted double exciter inertia cone crusher

式(6)為一個(gè)典型的雙自由度振動(dòng)微分方程，設(shè)該方程的穩(wěn)態(tài)解為[11-12]

(7)

將式(6)代入式(5)可得

(8)

(9)

由式(8)可知，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)機(jī)體的振幅在副激振器慣性力的影響下有所減小。

3 破碎機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)

為對(duì)減振與破碎力增益進(jìn)行驗(yàn)證，拆除反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的副激振器，并增加主激振器的質(zhì)量，使之具有與原反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)相同的等效破碎力，2個(gè)試驗(yàn)樣機(jī)的主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)主要部件參數(shù)Tab.1 Main components parameters of experimental prototype

注：1.反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)；2.單激振器慣性圓錐破碎機(jī)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)后可得轉(zhuǎn)速476r/min下，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)與傳統(tǒng)單激振器慣性圓錐破碎機(jī)的等效破碎力Fcr1、Fcr2分別為110.690 N、102.991 N，振幅分別為0.39 mm、1.21 mm。強(qiáng)迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)隨時(shí)間的變化如圖4所示。理論計(jì)算結(jié)果表明，與單激振器慣性圓錐破碎機(jī)相比，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的等效破碎力增大了7.48%，穩(wěn)態(tài)振幅減小了67.77%。

1.反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī) 2.對(duì)照用單激振器慣性圓錐破碎機(jī)圖4 破碎機(jī)水平方向的振動(dòng)理論位移Fig.4 Theoretical vibraton displacement of crushers in horizontal direction

使用5E107電渦流位移傳感器對(duì)樣機(jī)機(jī)殼上一點(diǎn)的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)測(cè)試裝置如圖5所示。

圖5 反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.5 Inverting double exciter inertia cone crusher vibration experiment

采用東華測(cè)試系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速476 r/min下的試驗(yàn)樣機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，舍棄最開始不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，得到樣機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的振動(dòng)位移，如圖6所示。去掉平衡機(jī)構(gòu)的單激振器慣性圓錐破碎機(jī)的振動(dòng)幅值為1.3 mm，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的振動(dòng)幅值為0.43 mm，機(jī)殼水平振幅減小了66.92%，與理論計(jì)算的基本相符。兩者的破碎產(chǎn)物如圖7所示，圖7a中沒(méi)有太多的粗顆粒，破碎產(chǎn)物的粒度較為均勻，破碎效果好；圖7b中的破碎產(chǎn)物粗粒較多且粒徑更大。這佐證了反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)可在提高破碎效率的同時(shí)降低機(jī)體振動(dòng)，與理論計(jì)算結(jié)果基本符合。

1.反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī) 2.單激振器慣性圓錐破碎機(jī)圖6 水平方向不同破碎機(jī)的振動(dòng)實(shí)測(cè)位移Fig.6 Experimental vibration displacement of different crushers in horizontal direction

圖7 不同破碎機(jī)的破碎產(chǎn)物Fig.7 Crushing products under different crushers

相同的轉(zhuǎn)速下，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)可以利用2塊質(zhì)量更小的偏心塊達(dá)到比單激振器慣性圓錐破碎機(jī)更佳的效果，且大幅度降低了機(jī)體的振動(dòng)幅度，取得了更好的動(dòng)力學(xué)性能。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)與改進(jìn)能進(jìn)一步減小機(jī)體振幅，使反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)具有更小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)慣性圓錐破碎機(jī)的輕量化，提高破碎作業(yè)加工效率。

4 結(jié)論

(1)研制了一種可增大破碎力并實(shí)現(xiàn)總體動(dòng)平衡的反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)，使用2個(gè)質(zhì)量更小的激振器來(lái)達(dá)到需要的破碎效果，樣機(jī)試驗(yàn)證明反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)具有更高的破碎效率。

(2)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的工作性能。與單激振器慣性圓錐破碎機(jī)相比，在具有大體相同的等效破碎力的前提下，反相雙激振器慣性圓錐破碎機(jī)的水平圓周振動(dòng)振幅減小了66.93%，且具有更好的破碎效果。