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分类号TD4 密级 ＵＤＣ621 编号 工程硕士学位论文 基于层压破碎理论的颚式破碎机性 能参数优化及其功率计算 硕士研究生 张玉松 指导教师 郭虹 副教授 学科、专业 机械工程 沈阳理工大学 2020 年 3 月 万方数据 分类号TD4 密级 U D C 621 编号 工程硕士学位论文 基于层压破碎理论的颚式破碎机性 能参数优化及其功率计算 硕士研究生 张玉松 指导教师 郭虹副教授 学位级别 工程硕士 学科、专业 机械工程 所在单位 机械工程学院 论文提交日期2019 年 12 月 3 日 论文答辩日期2020 年 3 月 15 日 学位授予单位沈阳理工大学 万方数据 Classification IndexTD4 U.D.C621 A Thesis for the Master Degree of Science in Engineering Perance parameter optimization and power calculation of jaw crusher based on the theory of laminated crushing Candidate Zhang Yusong Supervisor Prof. Guo Hong Academic Degree Applied for Master of Science in Engineering Speciality Mechanical Engineering Date of Submission December 3, 2019 Date of Examination March 15, 2020 University Shenyang Ligong University 万方数据 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） 日 期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名 指导教师签名 日 期 日 期 万方数据 摘 要 颚式破碎机运动参数和几何参数与破碎腔的结构、生产能力、产品粒度、破 碎耗能关系密切，本文对破碎腔进行了分层，以特定粒径的产品产量最大为目标 进行了优化， 计算了各破碎层的破碎功耗， 并对机架水平振动力最小进行了优化。 以760 1000PEF复摆颚式破碎机为例，建立了破碎腔的数学模型，分析了物 料及动颚的运动方式及物料的迟滞， 并用实时仿真的方法， 进行了破碎腔的分层。 在主轴转速为240 / minr时，破碎腔可分为19层。基于软件SPSSModeler分析了影 响分层的运动参数和几何参数，发现主轴转速对分层影响最大，转速增加破碎层 随之增加， 影响因子高达0.46； 四连杆机构尺寸的影响因子相对较大为0.080.13； 动颚的结构尺寸的影响因子相对较小为0.030.06。 构建选择函数和破碎函数，建立物料的流动模型。结合产品粒度分析和利温 生功率计算公式，得到各破碎层的破碎功率，逐层累加，得到物料破碎消耗功率 为46.162kW。 分别以小粒径（4070mm）,中粒径（6090mm）和大粒径（80110mm） 产品产量最大为目标函数，对破碎机的几何参数和运动参数进行优化。小粒径产 品优化前占比51.88，优化后占比54.02，提升2.14；中粒径产品优化前占比 34.59，优化后占比42.68，提升8.09；大粒径产品优化前占比14.68，优化 后占比35.58，提升20.09。排料口尺寸对产品粒径影响最大，随着需求粒径的 提升，应增大排料口尺寸、减小主轴转速。 以机架水平振动力最小为目标函数，对破碎机进行整机平衡分析，优化安装 在飞轮上的各配重的质量与位置。在不限制飞轮减重孔与主配重对称轴位置关系 时，得到主配重为132kg，辅助配重 1 为15kg，辅助配重 2 为46kg时，最大水平 振动力为6561.32N，与不加配重的最大水平振动力相比减小了75.86，该结果优 于行业内常规做法。 关键词颚式破碎机；层压破碎理论；产品粒度；功率；优化设计 万方数据 Abstract Jaw crusher movement parameters and geometric parameters and the structure of the crushing cavity, production capacity, product size, crushing is closely related to energy consumption, in this paper, the hierarchical crushing cavity, in a particular size of product yield maximum target is optimized, calculated the broken power consumption of each breaking layer and the frame vibration level minimum is optimized. Taking the PEF100X760 compound pendulum jaw crusher as an example, the mathematical model of the crushing chamber was established, and the movement mode of the material and the moving jaw and the hysteresis of the material were analyzed.When the spindle speed is 240r/min, the crushing chamber can be divided into 19 layers.Based on the software SPSS Modeler, the motion parameters and geometric parameters that affect the stratification were analyzed, and it was found that the spindle speed had the greatest influence on the stratification. As the speed increased, the crushing layer increased, and the influence factor was as high as 0.46.The influence factor of the size of four-bar linkage is 0.08-0.13.The influence factor of the structure size of movable jaw is relatively small 0.03-0.06. The selection function and crushing function are constructed, and the material flow model is established. Combined with the product particle size analysis and the calculation ula of liwen-generated power, the crushing power of each crushing layer is obtained, and the cumulative power of each crushing layer is obtained, and the consumption power of material crushing is 46.162kw. The geometric parameters and motion parameters of the crusher were optimized by taking the maximum output of products with small particle size 40-70mm, medium particle size 60-80mm and large particle size 80-110mm as the objective function. The proportion of small-size products before optimization was 51.88, and the proportion after optimization was 54.02, an increase of 2.14.The proportion of particle size products before optimization was 34.59, and the proportion after optimization was 42.68, an increase of 8.09.The proportion of large-size products before optimization was 14.68, and the proportion after optimization was 35.58, an increase of 20.9. It can be seen that the size of the discharge port has the greatest influence on the particle size of the product. With the increase of the required particle 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 size, the size of the discharge port should be increased and the spindle speed should be reduced. Taking the minimum horizontal vibration force of the frame as the objective function, the balance analysis of the whole crusher was carried out to optimize the mass and position of each counterweight installed on the flywheel. When the relationship between the flywheel weight reduction hole and the symmetry axis of the main balance weight is not restricted, the maximum horizontal vibration power is 6561.32n when the main balance weight is 132kg, the auxiliary balance weight is 15kg and the auxiliary balance weight is 46kg. Compared with the maximum horizontal vibration power without the balance weight, the result is 75.86 lower, which is better than the conventional practice in the industry. Key words Jaw crusher; Theory of laminated crushing; Product size distribution; Power; Optimized design 万方数据 目 录 第 1 章 绪论................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景和来源.................................................................................... 1 1.2 课题研究的目的和意义.................................................................................... 2 1.3 颚式破碎机国内外研究现状与进展................................................................ 3 1.3.1 颚式破碎机国外研究现状..................................................................... 3 1.3.2 颚式破碎机国内研究现状..................................................................... 5 1.4 课题的研究的内容............................................................................................ 6 1.5 本章小结............................................................................................................ 7 第 2 章 颚式破碎机运动模型的建立........................................................................... 8 2.1 颚式破碎机工作原理........................................................................................ 8 2.2 颚式破碎机的运动学分析及破碎腔的建立.................................................... 8 2.2.1 四杆机构的运动分析............................................................................. 9 2.2.2 颚式破碎机运动学分析....................................................................... 11 2.2.3 定颚位置的确定及破碎腔的建立....................................................... 13 2.3 动颚给料口、中点及排料口位置速度加速度分析...................................... 15 2.4 本章小结.......................................................................................................... 17 第 3 章 破碎腔的分层及影响分层因素的分析......................................................... 18 3.1 分层理论阐述.................................................................................................. 18 3.2 物料的运动分析.............................................................................................. 19 3.3 基于实时仿真的破碎腔分层.......................................................................... 20 3.3.1 物料两种下落方式的实时仿真........................................................... 20 3.3.2 基于黄金分割法搜索动颚分界点....................................................... 23 3.3.3 分层模型的建立................................................................................... 25 3.4 物料迟滞角度分析.......................................................................................... 28 3.5 影响破碎腔分层的参数分析........................................................................ 30 3.5.1 影响破碎腔分层的运动参数和几何参数........................................... 30 3.5.2 基于 SPSS Modeler 对影响分层各因素的权重分析 ......................... 33 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 3.6 本章小结 .......................................................................................................... 36 第 4 章 产品粒度分析及破碎功率计算 ..................................................................... 37 4.1 物料破碎过程整体分析 ................................................................................... 37 4.2 破碎函数及选择函数的构建 .......................................................................... 39 4.2.1 压缩比 ................................................................................................... 39 4.2.2 选择函数 ............................................................................................... 41 4.2.3 破碎函数 ............................................................................................... 43 4.3 给料和产品粒度的分析 .................................................................................. 46 4.3.1 给料分析 ............................................................................................... 46 4.3.2 产品粒度分析 ....................................................................................... 47 4.4 物料破碎功率的研究 ....................................................................................... 49 4.5 破碎机功率计算 APP 设计............................................................................. 52 4.6 本章小结 .......................................................................................................... 55 第 5 章 某一粒径产品产量最大的优化 ..................................................................... 56 5.1 影响粒度分布因素 .......................................................................................... 56 5.2 某一粒径范围内物料产量最大优化 .............................................................. 57 5.2.1 设计变量 ............................................................................................... 57 5.2.2 约束函数 ............................................................................................... 57 5.2.3 目标函数 ............................................................................................... 59 5.2.4 优化方法 ............................................................................................... 60 5.2.5 产品粒径范围 40-70mm的优化结果 ................................................. 61 5.2.5 产品粒径范围 60-90mm的优化结果 ................................................. 63 5.2.6 产品粒径范围 80-110mm 的优化结果 ............................................... 66 5.3 排料口尺寸和主轴转速对某一粒径产量最大的影响 ................................... 68 5.4 本章小结 .......................................................................................................... 70 第 6 章 颚式破碎机的整机平衡 ................................................................................. 72 6.1 水平振动力数学模型建立 .............................................................................. 72 6.2 配重不同布置方式下机架水平振动力优化 ................................................... 75 6.2.1 不限制飞轮减重孔与主配重对称轴位置的优化 ................................ 75 万方数据 目录 6.2.2 飞轮减重孔 Y 轴对称下机架水平振动力的优化.............................. 79 6.2.3 机架水平振动力 APP 设计 ................................................................. 81 6.3 本章小结.......................................................................................................... 84 结 论......................................................................................................................... 85 参考文献......................................................................................................................... 87 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科学成果..................................................... 91 致 谢......................................................................................................................... 92 万方数据 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景和来源 PEF 颚式破碎机俗称颚破广泛用于矿业、铁路、公路等行业[1]，用于破碎各种 硬度较高的物料，其破碎强度最高可达 320MPa。国内目前约有 100 家生产颚式破 碎机的厂家，大部分生产制造水平与国外厂家的相差较大，仅有为数不多生产厂 家可达世界一流水平。 颚式破碎机有简摆式[2]，复摆式[3]，双腔颚式[4-5]，外动颚式[6-7]，振动式[8-10] 多种形式，其中最常见的为复摆颚式破碎机，其三维模型图如图 1.1 所示[11]。 图 1.1 复摆颚式破碎机三维模型图 Figure 1.1 model diagram of compound pendulum jaw crusher 图 1.2 所示为复摆颚式破碎机结构图[12]。工作时电动机带动小皮带轮转动，大 皮带轮带动主轴（偏心轴）转动，动颚随主轴的运动周期性摆动。当动颚靠近定 颚时,破碎腔中的物块受到挤压,劈裂和弯曲作用被破碎[13]；动颚远离定颚时，破碎 腔中物料下落，动颚竖直方向运动的运动起促进排料的作用。 复摆颚式破碎机的破碎腔主要由 2 大部分组成，一部分是定颚板，安装于机 架前壁，定颚板与竖直方向之间夹角为 6;另一部分是动颚板，动颚做周期性的 往复运动[14]。定颚板与动颚板之间的夹角称为啮角，取值在 18～22之间，对于 中型颚式破碎机取 18～20，对于中小型则取 20～22，动颚板与定颚板之间形 成倒三角形状为物料破碎的工作区间。动颚板向定颚板运动时物料被破碎，动颚 板远离定颚板时物料排出[15-16]。 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 8 8 1.机架 2.定颚板 3.动颚板 4.动颚 5.主轴 6.肘板 7.调整座 8.飞轮 图 1.2 复摆颚式破碎机结构图 Fig.1.2 Structure diagram of compound pendulum jaw crusher 在实际的生产和生活中，对破碎机产品的粒度范围要求不同。例如铁路路基 的物料粒度范围为 40-60mm。如何提高破碎后产品的利用率、减少物料的浪费是 当今破碎行业面临的一个重要问题[17-18]。 自从 ‘多碎少磨’ 的理念被推广， 1980 年后大量的细碎型颚式机被推广[19-20]， 而后英国皇家科学院统计得知破碎功耗远小于粉磨[21]。节能降耗是颚式破碎机发 展的大势所趋。颚式破碎机的整机功率选取，通常基于传统的经验公式，其中应 用较广的包括维雅德公式[22]、利温生公式[23]、巴恩维奇公式[24]、巴乌曼公式[25]、 日本长崎公司经验公式、邦德公式等等，这些公式都在不同时期发挥过重要的作 用；中国学者戴少生基于三大破碎理论的体积假说提出的颚式破碎机的整机功率 理论计算[23 、25]，为破碎机的整机功率选取提供了一定的理论支持。 颚式破碎机工作产生的周期性振动力会对于部件的连接部分造成磨损，且不 利于安装在移动式工作台上工作，通常采取在飞轮上添加配重的方法来减小破碎 机周期性振动力，但效果有限[26]。 1.2 课题研究的目的和意义 就目前国内的颚式破碎机企业现状而言，颚式破碎机的整机的机构设计大多 基于经验设计，一些简摆式破碎机的设计方法和经验沿用至今，不能适应现在的 要求。而对于物料的产品粒度，传统的经验方法并未将理论计算与产品的粒度分 析相结合，而是仅仅通过生产实践中的一些经验来设计破碎机的结构尺寸，费时 费力且不够准确，随着科技的发展，将计算机仿真技术引入实际工程问题当中， 万方数据 第 1 章 绪论 - 3 - 过建立数学模型，对破碎机结构尺寸及主轴转速进行优化设计[27]，使产品在某一 粒度范围内产量最大，既满足不同客户的需求，又避免了大量的物料浪费。 颚式破碎机的功率目前尚未形成一套成熟的理论计算体系，大部分生产厂家 基于传统的经验公式来制定整机的功率，在生产实践中测试，一些经验公式并不 适用于所有颚式破碎机，个别经验公式与实际破碎机功耗相差竟然高达 40，显 然碎机功率的研究对于当前破碎行业意义重大，我国各大高校对于选择函数、破 碎函数都进行了研究[28-30]，通过物料在破碎腔的层压破碎[31-33]，得到各破碎层的 产品粒度分布。三大破碎理论当中的体积假说[34]，通过物料体积的变化计算物料 破碎的功耗，将产品粒度的变化和破碎理论相结合，计算出各破碎层的功耗，进 而确定整机的功耗，对于生产厂家功率的选择有着参考和借鉴的意义。 颚式破碎机工作时会产生很大的周期性振动力[35]，通常会有几万牛，如果不 对其加以平衡，颚式破碎机是无法在移动式工作台上工作的，且长时间的周期性 振动力会加剧破碎机各部件之间的磨损，影响破碎机的使用寿命，目前通常在破 碎机的飞轮上添加弓形铁块对破碎机进行整机平衡[36]所谓整机平衡是指水平振动 力的部分平衡。即选取合适的配重质量及布置方式，使机架的水平振动力达到最 小。本文引入计算机辅助软件 MATLAB 对配重的质量及位置进行优化，为破碎机 生产厂家的配重选择，提供一定的理论支持。 1.3 颚式破碎机国内外研究现状与进展 1.3.1 颚式破碎机国外研究现状 早在 1840 年左右，北美掀起了采金狂潮，破碎机的发展应时而生，在 1850 年之后，多种不同种类的破碎机由专家学者所发明，并成为矿业，铁路和硝酸盐 等工业的主要设备之一。最著名的就是 1858 年，美国人埃里布雷克（ELBlake） 取得了颚式破碎机的专利[37]，且生产出世界上第一台双肘板式颚式破碎机。 1870 年左右， 很多国家为了节约能源， 推出了在破碎过程中尽量 ‘多碎少磨’ 概念。 英国皇家矿业学院H.E.Cohen的统计表明， 破碎功率一般只有../0 21 0kW h 而粉磨功率高达./8 528kW h， 显然破碎比粉磨经济得多， 随着技术的逐步提高， 节能降耗明显提升[38]。 Schonert 研究表明， 脆性物料受到50MPa以上的压力， 可以通过 “料层粉碎” 节约大量的能量， “料层粉碎”理论已经被业内广泛认可，美国诺德伯格公司的旋 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 - 4 - 盘圆锥破碎机、俄罗斯的惯性圆锥破碎机均依该理论制造。 近年来，国外对于颚式破碎机的发展和创新使其各方面性能不断提升，接下 来介绍国外颚式破碎机的发展进程。 美国美国最著名生产研发颚式破碎机的厂家为美卓矿机，自 1950 年起，美 卓向中国用户销售了第一台破碎机，经历 90 多年的发展，美卓已经在全世界安装 了10000台破碎机，其在中国天津的工厂于 1999 年成立，主要生产C系列颚式破 碎机[39]及GP系列圆锥破碎机， 该公司的诺德伯格系列颚式破碎机代表当今破碎机 研发的一流水平； 美卓新型 Nordberg C130 型颚式破碎机大大增加传统颚式破碎机 的破碎腔，被誉为“大肚能容难容之事” ，其超大的给料口，可确保在恶劣工况下 拥有更高产
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