基于层压破碎理论的颚式破碎机结构优化.pdf

一“⋯掣型剀斟掣l I l l l l I l l l l l ‘ 硕士学位论文 垦J 王越盈盈本望．蓝逾勉避 盟窒生丝墨立鱼2 立 递l j 昼血越遮丑公理边主些 呈堕丝墨 童Q 垡k 迨窒窒盛日期2 。盥牟3 ／刁 。。。。。‘。。。。‘’。。。。。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ ■‘_ _ _ L _ _ _ _ ‘_ ．_ 二_ _ 二．二_ _ _ _ _ _ _ _ - 一 蘑伤绣夕大学 S h e n y a n gL i g o n gU n i V e r s i t y 万方数据 分类号T D 4 UDC 6 2 l 密级 编号 工学硕士学位论文 基于层压破碎理论的颚式破碎机结构优化 硕士研究生王纪实 指导教师郭虹 学科、专业机械设计及理论 沈阳理工大学 2 0 1 9 年3 月 万方数据 分类号T D 4 UDC 6 2 l 密级 编号 工学硕士学位论文 基于层压破碎理论的颚式破碎机结构优化 硕士研究生 指导教师 学位级别 学科、专业 所在单位 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 王纪实 郭虹副教授 工学硕士 机械设计及理论 机械工程学院 2 0 1 8 年1 2 月0 3 日 2 0 1 9 年3 月9 日 沈阳理工大学 万方数据 C l a s s i f i c a t i o nI n d e x T D 4 U ．D ．C 6 2 1 AT h e s i sf o rt h eM a S t e rD e 铲e eo f E n g i n e e r i n g S t n l c t l J r eo p t i m i z a t i o no f ja wc r u s h e rb a s e do n l 锄i n a t i o nc r u s h i n gt h e o 巧 C a n d i d a t e 、V a n gJ i s h i S u p e r v i s o r P r o ￡G u oH o n g A c a d e m i cD e 伊e eA p p l i e df o r M a S t e ro f E n g i n e e r i n g S p e c i a l i 够M e c h a n j c a lD e s i g na n dT h e o 叫 D a t eo fS u b m i s s i o n D e c e m b e r 2 018 D a t eo f E x 锄i n a t i o n M a r c h ，2 0 1 9 U n i v e r s 埘S h e n y a n gL i g o n gU 『n i V e r S 时 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、数据和文献的引用己在文中指出，并 与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，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 主铀豉 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 学位论文作者签名王名凶玖 指导教师签名 日期日期 郭扬z f 万方数据 摘要 颚式破碎机是采矿业的主要设备，可对矿石进行初级破碎。颚式破碎机里以 复摆颚式破碎机的应用最为广泛，复摆颚式破碎机已代替简式颚式破碎机，其具 有质量轻、便于移动、结构简单、容易制造生产、工作性能稳定及维修方便等优 点。破碎腔是物料发生破碎的场所，破碎腔的形状及运动参数决定了颚式破碎机 的生产能力及产品质量。随着采矿业对颚式破碎机工作性能与产品质量要求的提 高，对颚式破碎机腔形进行深入研究，改进和优化破碎机结构及运动参数很有意 义。 本文借鉴圆锥破碎机和旋回破碎机的研究成果，通过对动颚运动规律及物料 运动模型的分析，对破碎腔进行划分，建立了符合复摆颚式破碎机的分层模型和 产品粒度分布模型。基于破碎腔的分层，提出破碎机生产能力计算公式；根据物 料平衡模型，计算物料被选择破碎的概率、各破碎层压缩比、当量粒度及破碎规 律，提出产品粒度分布模型，对层压破碎效果进行研究；建立生产能力数学优化 模型，利用M A T I ．A B 进行编程计算，得到生产能力最大的破碎机结构参数和运 动参数，进而求出优化后的新腔形和产品粒度分布。 优化后颚式破碎机生产能力由4 6 5 t ／l l 增加到5 4 0 ．1 t ／l l ，提高了1 6 ．2 ％，特征值 由1 ．8 7 减小到了1 ．7 l ，产品粒度也得到显著改善。该方法的运用显著提高了颚式 破碎机性能，对破碎机设计及研究意义较大。 关键词颚式破碎机层压破碎理论产品粒度分布；生产能力；优化设计 万方数据 A b s t r a c t J a wc m s h e ri s Ⅱl em a i ne q u i p m e n to fm i n i n gi n d u s t r y ，w h i c hi su s e df o rp r i m a 叫 c r I l s h j n go fo n e 毒I nt l l ej a wc n l s h e r ，t l l ec o m p o u n dp e n d u l u mj a wc m s h e ri s m o s t w i d e l yu s e d ．T h ec o m p o l l I l dp e n d u l u mj a wc m s h e r h a sr e p l a c e dt h es i m p l ej a wc 1 1 l s h e r ， w h i c hh a sⅡl e a d V a n t a g e s o f 1 i g h tw e i 曲t ，m o v i n ge a s i l y ，s i m p l es t m c t u r e ， m 锄u f a c t I l l 血ga l l dp r o d u c i n ge a s i l y ，s t a b l ew o r k i n gp e r l 、o 珊a n c ea I l dc o n V e n i e n t m a i n t e n a n c e ．T h ec n 】s h i n gc h 锄b e ri st h ep l a c ew h e r et b em a t e n a li sb r o k e n ．T h es h 印e a n dm o t i o np a r a m e t e r so fm ec n 】s h i n gc h 踟b e rd e t e m i n et h ep r o d u c t i o nc a p a c i 够a n d p r o d u c tq u a l i t ro ft h ej a w 咖s h e r ．w i t ht 1 1 ei m p m V e m e n to fw o r k i n gp e r f o r m a n c ea n d p r o d u c tq u a l i 哆o fj a wc m s h e ri nm i n i n gi n d u s 臼M c a 币n go nt 1 1 et l l o r o u g hr e s e a r c ht o t l l ej a wc m s h e rc a 、，j 够s h a p e ，i m p r o V i n ga n do p t i m j z i n gt h ec m s h e rs 帆l c t u r ea n dt h e m o V e m e n tp a r a m e t e rw i l lh a v e 廿l es i g n i f I c a n c e h lt h i s p a p e r ’b a s e d o nt h er e s e a r c hr e s u l t so fc o n i c a lc m s h e ra J l dr o t a 巧 c m s h e r ，伍姗g h 廿l ea n a l y S i So fm o v i n gj a wn 1 0 V e m e n tl a wa n dm a t 喇a lm o V e m e n t m o d e l ，t l l ec n l s h i n gc h 锄b e r 帅ei sd i V i d e da n dt l l el a y e r e dm o d e la n dp r o d u c ts i z e d i s t r i b u t i o nm o d e lo fc o m p o u n dp e n d u l 啪j a wc m s h e ra r ee s t a b l i s h e d ．B a s e do nt h e s 仃a t m c a t i o no fn l ec m s h i n gc h 锄b e r ，af o m m l af o rc a l c u l a t i n gt l l ep r o d u c t i o nc 印a c i 锣 o ft h ec r u s h e ri sp r o p o s e d ．A c c o r d i n gt o 也em a t e r i a lb a l a I l c em o d e l ，t l l ep r o b a b i l i t yo f m a t 嘶a l b e i n g s e l e c t e df o r c r u s h i n g，c o m p r e s s i o n r a t i oo f e a c h c r u s h i n g l a y e r ，e q u i v a l e n tp a n i c l es i z ea n dc r u s h i n g1 a wa r ec a l c u l a t e d ，a n dt h ep a n i c I es i z e d i s t r i b u t i o nm o d e lo f p r o d u c t i s p r o p o s e d t o s t u d y t h e c r u s h i n g e 行e c to f l 锄i n a t i o n ．T h em a t h e m a t i c a l o p t i m i z a t i o n m o d e lo f p r o d l l c t i o nc a p a c i 哆 i s e s t a b l i s h e d ，a n dM 』U L A Bi su s e df o rp r o g m m m i n gc a l c u l a t i o nt oo b t a j nt 1 1 es t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n dm o t i o np a r a m e n t e r so fc m s h e rw i t ht h el a 唱e s tp r o d u c t i o nc a p a c i t y ，a n d t h e no p t i m i z e dn e wc a V i t ya n dp r o d u c tp a r t i c l es i 2 ed i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d ． A f k ro p t i m i z a t i o n ，t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo f j a wc m s h e ri n c r e a s e s 丘o m4 6 5 t ／1 1t o 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 5 4 0 ．1t ／l l ，a n di n c r e a s e sb yl6 _ 2 ％．T h ec h a r a c t e “s t i cV a I u ei sr e d u c e d 疳o m1 ．8 7t o 1 ．7l ，a I l dt h ep r o d u c tg m n u l a r 蚵i si m p r o V e ds i 印i f i c a n t l y ．T h ea p p l i c a t i o no ft h i s m e t l l o di m p r o V e st h ep e r f o m l a n c eo fj a wc m s h e rs i g n i f i c a n t l y ，w h i c hi so f 铲e a t s i 印i f i c a n c et ot l l ed e s i g I la n dr e s e a r c h0 fc m s h e r K e yw o r d s J a wc r u s h e r L a m i n a rc 1 1 1 s h i n gt h e o W ；P r o d u c tg r a n u l a r i 哆d i s t r i b u t i o n ； P r o d u c t i o nc a p a c i t y T h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n 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与进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 颚式破碎机国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．3 颚式破碎机破碎腔形发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．4 层压破碎理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 课题的研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 第2 章颚式破碎机基本腔形设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 颚式破碎机工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 颚式破碎机运动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．1 动颚的运动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．2 动颚关键点的运动轨迹⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 ．3 四连杆的急回特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 ．4 破碎机腔形的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 第3 章破碎腔内物料流动模型及破碎腔分层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．1 破碎腔内物料运动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．2 破碎腔分层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 3 ．2 ．1 分层假说⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．2 分界点的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．2 ．2 ．1 下分界点的确点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 ．2 ．2 上分界点的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 3 ．2 ．3 分层模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，3 2 3 ．2 ．4 破碎层模型的特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 第4 章产品质量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．1 物料破碎过程的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 破碎层压缩比的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 选择函数矩阵与破碎函数矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 ．1 选择函数矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 ．2 破碎函数矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 给料分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 产品粒度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 第5 章颚式破碎机腔形优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．1 生产能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 ．1 生产能力影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．1 ．2 生产能力数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．1 ．3 曲柄转速对生产能力的影响分析⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 ．4 排料口对生产能力的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．2 单一目标优化方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 ．1 优化方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 ．2 目标函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．3 设计变量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．4 约束条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2 ．5 优化结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．2 ．6 优化前后腔形对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 万方数据 目录 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科学成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 课题研究的背景和来源 第一台颚式破碎机是在1 5 0 年前由美国人E ．W ．B l a l e 发明【1 1 。至今为止，颚 式破碎机的结构一直在得到不断的优化和完善，颚式破碎机里以复摆颚式破碎机 的应用最为广泛，复摆颚式破碎机已代替简式颚式破碎机，其具有质量轻、便于 移动、结构简单、容易制造生产、工作性能稳定及维修方便等优点，所以被广范 应用于冶金、矿山、建材、化工、水泥等企业的破碎作业【2 】。 根据动颚的运动规律，将现有的颚式破碎机划分为单摆、复摆和混合摆动三 种形式，复摆颚式破碎机的结构如图1 ．1 所示嘲。工作期间，电动机通过皮带轮 带动偏心轴旋转，使动颚周期性地靠近定颚，从而对物料有挤压、搓、碾等多重 破碎，当动颚远离定颚时，物料利用其自身重力以及动颚对其给予向下的速度排 出破碎腔。 1 ．机架2 ．定颚板3 ．活动颚板4 ．动颚5 ．偏心轴6 ．肘板7 ．调整座 图1 ．1 复摆颚式破碎机结构图 F i g ．1 ．1s 加Ⅱc t u r ed i 耀即mo f c o m p o u I l dp e n d u l u m j a wc m s h e r 随着复摆颚式破碎机被广泛应用，厂家对破碎机的要求也越来越高。有关研 究者通过对破碎机的结构、能量损耗、生产能力等方面对破碎机进行优化，提高 破碎机的工作性能。国内外研究者基于破碎机的层压现象，将层压破碎理论应用 于圆锥破碎机，圆锥破碎机工作性能有所提高【3 】；基于层压破碎理论设计旋回破 碎机，实践证明新型破碎机的破碎能力、生产能力都较高于原来的破碎机，那么 ．1 ． 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 基于层压破碎对颚式破碎的结构参数、运动参数进行原理分析和设计，可以提高 复摆颚式破碎机的工作性能，为设计复摆颚式破碎机提供一种新方向的设计理论。 1 ．2 课题研究的目的和意义 破碎物料是冶金、矿山、建材、化工、电力等行业中广泛使用的一种工艺， 每年对大量的原材料和再利用废料进行破碎和处理。随着矿山生产需求的不断增 长，颚式破碎机的技术也随着时间突飞猛进。为改进和优化现有破碎设备，研制 出新型、高效、节能、环保的现代高能破碎设备，广大学者深入研究层压破碎理 论，并将其应用于高压辊磨机，圆锥破碎机等设备，为矿山机械、水泥、砂石破 碎等行业的绿色节能做出杰出贡献。但是，目前利用层压破碎理论对颚式破碎机 的研究却少之又少。 破碎腔内大部分物料是在动颚、定颚、颗粒间的作用力下发生破碎的，仅有 小部分物料的破碎是单颗粒破碎，层压破碎理论较单颗粒破碎理论更符合物料实 际的破碎情况，所以研究破碎过程的对象由单颗粒物料变换成整体的物料。基于 层压破碎理论研究物料破碎过程。将物料在破碎腔内破碎的过程看作物料层在被 破碎，并将物料层被破碎的过程分解为刀个破碎事件，分析每个破碎事件，深入 了解物料破碎与破碎机的结构参数、运动参数的关系，从而提高破碎机的工作性 能、改善破碎产品质量、‘提高破碎效率、降低破碎机能耗。层压破碎理论在破碎 物料的应用，是将复杂的物料破碎过程通过层压破理论的分析方法简单化，化整 为零，并且从单个破碎事件中找到物料在整个破碎过程中的规律。、该方法得到国 内外众多破碎设备生产厂家的青睐，基于层压破碎理论设计的破碎机性能更加优 越。 表1 ．1 P Y B l 2 0 0 与} 玎，4 0 0 性能比较 T a b l e l ．1C o m p 撕洲1o f P Y B l 2 0 0 锄dH P 4 0 0p e 墒啪锄c e 实验研究和生产实践表明，将层压破碎理论应用圆锥破碎机，其破碎机的生 万方数据 第1 章绪论 产率得到提高，产品质量得到改善，并且减少了破碎能耗，有关实验数据如表1 ．1 【4 】。 由表1 ．1 可知，同规格的国产P Y B l 2 0 0 弹簧圆锥破碎机与基于层压破碎的芬 兰美卓H P 4 0 0 圆锥破碎机进行对比研究国产P Y B l 2 0 0 圆锥破碎机的生产率范 围1 1 0 ～1 6 8 t ／1 1 ，而美卓H P 4 0 0 圆锥破碎机的生产率范围3 5 5 ～7 0 0 t m ，H P 4 0 0 圆锥 破碎机的生产率相对P Y B l 2 0 0 圆锥破碎机的生产率增长了2 ～3 倍，可见基于层压 破碎理论的圆锥破碎机的生产能力得到了明显地提高；P Y B l 2 0 0 圆锥破碎机标定 排料粒度不到2 0 ‰针片状产品含量高达1 5 ％，而H P 4 0 0 圆锥破碎机标定排料粒 度达到6 8 ％，针片状含量不到8 ％，可见基于层压破碎理论的破碎机的产品质量 得到了改善；P Y B l 2 0 0 圆锥破碎机的比能耗为0 ．6 5 k v 虮，而H P 4 0 0 圆锥破碎机比能 耗为0 ．4 5l 、 l ，，t ，比P Y B l 2 0 0 圆锥破碎机低4 4 ．4 ％，基于层压破碎理论的破碎机的 提高能量利用率效果较显著【4 】。 综上所述，将层压破碎理论应用于圆锥破碎机取得诸多成果，破碎机的产量、 产品质量得到了显著提高和改善，同时降低了能量损耗，提高了能量利用率【5 。8 】。 那么基于层压破碎理论对复摆颚式破碎机进行破碎过程的研究，对于其工作性能 的提升，有实际的探讨意义。 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与进展 国外颚式破碎机的发展远远领先于我国，由于其起步早且实践经验丰富，国 外大部分颚式破碎机的工作性能、破碎性能都处于行业领先地位。 俄罗斯圣彼得堡工程学院基于原有的破碎机结构，研发出双动颚的新型破 碎机。由于在工作中，同步运动的两个动鄂都破碎物料，该破碎机的破碎能力和 破碎效率都较好于单动颚破碎机；并且该破碎机不易发生物料堵塞现象，同时具 有较好地破碎能力，能够处理粘性较大的矿石物料的能力；柔性振动阻尼的性能 较好，能够抗振，适用于露天和井下的生产环境中【9 1 。 美国美卓矿机是美国具有代表性的矿山机械公司之一，该公司具有先进的 矿山设备设计理论以及成熟的矿山设备技术‘1 0 】。历经1 5 0 多年的努力，美卓已经 成功地在全球各国安装了近1 0 0 0 0 台破碎机，在全球矿山领域积累了工艺知识和 ．3 ． 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 经验。在2 0 1 8 年，该公司基于原有破碎机，利用有关4 0 0 多套专家控制技术，研 发出一台智能化的新型破碎机，该破碎机在保证产品质量的同时，提高了生产能 力，为智能化的矿山机械提供了设计理论【l I J 。 日本神户制钢是日本具有代表性的大型企业之一，其系列颚式破碎机被多 个国家引进，其中A S T R O 系列颚式破碎机最具代表。该系列破碎机是根据设计 经验，结合工学原理设计的，显著提高了破碎机的破碎能力，并且应用了工学原 理，为设计破碎机提供了现代设计方法【1 2 1 。 德国l 【m p p 公司研发了高转速冲击颚式破碎机，该破碎机的特点由于动 颚板装有弹簧等加速装置，物料受到动颚板的高速冲击，更易被破碎，因此破碎 机的破碎能力得到了显著提高；较陡排料口的设计增大了物料在排料口附近的下 降速度，减少了堵塞，提高了破碎物料能力、生产能力，其产量比同规格破碎机 提高了5 0 ％以上【1 3 1 8 1 。 芬兰K o 鹏公司研发出B L M 系列，该系列破碎机采用负支承设计，具有以 下特点由于动颚在破碎碎行程中对物料有一个向下的推力，在一定程度上促进 了排料，物料在排料口位置不易发生堵塞，与此同时还能降低衬板的磨损，该破 碎机的产量较高、产品质量较好【1 9 1 。 1 ．3 ．2 颚式破碎机国内研究现状 国内的颚式破碎机正式生产于2 0 世纪5 0 年代，经过长期的大量研究与实践， 国内从仿制颚式破碎机的阶段已经上升到可以研发出优化机构的方法，并取得了 众多研究成果，应用现代设计理论使结构的设计上较大提高了颚式破碎机结构的 合理性，提高了颚式破碎机的优良性。目前而言，国内自行研发制造的颚式破碎 机趋于完善，具有多品种，高性能等优点。 北京矿冶研究总院研发了P E W A 9 0 1 2 外动颚低矮破碎机，该破碎机的特点 破碎机的动颚是在下、定颚是在上与传统颚式破碎机的动颚、定颚放置位置相反， 并采用负悬挂结构设计，动颚在降低了进料口高度，同时还促进排料。由于机身高 度以及进料口较低，该破碎机对工作条件的要求不是那么高，也可以在对空间有 限制或是较低矮的工作环境下工作，并且其工作性能较好，生产能力较同规格颚 万方数据 第l 章绪论 式破碎机增大了2 0 ％以上【2 0 1 。 中南大学的教授母福生研制出了新型的双破碎腔形式的颚式破碎机，与普通 的颚式破碎机相比，其增加了一个破碎腔，使得破碎机在整个工作周期中都进行 破碎周期，成功地改进了传统颚式破碎机在工作过程中只有一半的运动周期在进 行破碎的缺点，大大提高了颚式破碎机的生产能力【2 1 。2 引。 东北某高校与采矿公司合作，基于传统的破碎机结构，删去定颚，并在偏心 轴处添加开式齿轮，设计出新结构形式的破碎机，该破碎机具有价格低廉、使用 寿命长等优点【2 4 】。 学者王宏勤教授和他的学生丁培基于动态颚角，开发出G x P E 系列颚式破碎 机，该系列破碎机较同规格原有颚式破碎机的生产能力增加了2 0 ％，齿板寿命较 原有破碎机延长了l 2 倍瞄’2 6 1 。 黎新、王国彪采用遗传算法对复摆颚式破碎机的曲柄摇杆机构参数进行了优 化设计【2 7 1 ，利用现代设计方法对破碎机的结构进行优化，其优化结果更精确，使 破碎机的设计也更智能化、简单化、精确化。 国内许多科研部门以及各所高校均对颚式破碎机进行研究与改进并且取得了 长足的进步。现如今，随着中国制造2 0 2 5 概念的提出，颚式破碎机也应该考虑向 智能化、自动化、信息化发展，借助计算机的帮助不断地完善和发展自身设备， 从而使得破碎机的设计趋于完善，赶超国外设备。 1 ．3 ．3 颚式破碎机破碎腔形发展现状 破碎腔是提供物料破碎的场所，对破碎机的工作性能影响很大。设计合理的 腔形不仅改善破碎产品质量，还能降低破碎能耗，从而提高破碎机在市场的竞争 力。近几年，国内外学者从腔形的设计出发对破碎机的结构参数和运动参数进行 优化，达到提高破碎机产量和破碎产品质量的目的 1 ．国外对颚式破碎机腔形研究 1 S ．T 型腔形如图1 ．2 a 所示，该腔形由日本研发出一种新型颚式破 碎机腔形，其创新点为了使物料在排料口处也受层压破碎，达到更好 地破碎效果，因此在靠近破碎腔的排料口位置设计一段同曲率的弧型 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 ‘‘平行区’’【2 8 】。 2 层压破碎腔如图1 ．2 b 所示，曰本神户制钢有限公司基于层压破碎理 论对S ．T 型腔形进行优化，从而研制出新型层压腔形，该破碎机的生产 率较大于同规格破碎机，破碎产品质量也较好于同规格破碎机㈣。 3 曲线腔形如图1 ．2 c 、 d 所示，美国学者通过研究层压破碎理论， 研发出了曲线腔形，由于腔形的结构特点，上移了破碎腔易发生堵塞的 位置，提高了破碎机的生产能力【3 0 - 3 。 、／ ／＼／ a s - T 型破碎腔 b 日本层压破碎腔 c 美国B o w n ．L e 似破碎腔 d 二次曲线破碎腔 图1 ．2 颚式破碎机的几种曲线腔形 F i g ．1 ．2S e V e r a lc u Ⅳi l i n e a rc a v i t yt y p e so f j a wc r u s h e r 2 ．国内对颚式破碎机腔形研究 国内自从2 0 世纪中叶开始仿制各类破碎设备成功以来，腔形对破碎机性能的 重要影响已经引起国内学者的高度关注，并做了大量的有关破碎腔研究的工作， 得到了诸多研究成果，腔形不在是单一的传统直线型破碎腔形，也有曲线形腔形， 为开发高生产率、优等的破碎产品质量的破碎设备奠定基础【3 2 1 。 1 新型细碎颚式破碎机腔形如图1 ．3 a ，根据“固定容积”原理，同济 基于原有腔形研发出新型腔形，将原来破碎腔排料口的两侧尽可量呈平 行状态尽可能延长平行区段，使物料尽可能被层压破碎，提高了破碎机 的生产率【3 3 】。 2 曲线腔形如图1 ．3 b 所示，太原理工大学通过对动颚运动规律、物料 运动规律的分析，建立了以破碎机生产能力为目标函数，结构参数、运 动参数为设计变量，对腔形的优化设计模型，优化后的破碎机提高了生 产能力和预测破碎功率【3 4 1 。 3 层压曲线腔形如图1 ．3 c 所示，由于传统破碎机啮角的描述具有很大 的局限性，并未真实反映破碎机的工况，北京矿冶研究总院学者王宏勋、 ．6 ． 万方数据 第1 章绪论 丁培洪基于破碎机的实际工况提出工态啮角概念，并且基于工态啮角对 新型细碎颚式破碎机腔形进行优化，开发出层压曲线腔形，提高了破碎 机的破碎能力，同时还降低了衬板磨损【3 5 】。 4 层压破碎腔形如图1 ．3 d 所示，江西理工大学硕士郑浩龙基于层压破 碎机理对破碎腔建立分层模型，并且对其进行实验研究和计算机仿真分 析，得到了影响层压破碎效果的主要因素是物料层的填充率、给料粒度 碎腔内的岩石物料层填充率越大，层压破碎作用越明显，破碎效率越高， 岩石物料粒径越小和岩石粒形越扁平越难破碎即破碎产品质量较差【3 6 | 。 a 基于固定容积 b 基于物料运动状态 c 基于工态啮角 d 层压破碎腔形 图1 ．3 几种颚式破碎机的曲线腔形 F i g ．1 ．3c u n ，e dc a v i t ，哆p eo fs e V e r a lj a wc m s h e r s 物料在破碎腔内发生破碎，腔形直接影响破碎机的工作性能。国内外学者对 颚式破碎机腔形进行了许多研究工作，为开发出“高效、节能、环保多碎少磨” 新型破碎设备做出了重要贡献，其中主要是基于层压破碎理论对破碎腔建立分层 模型，进而对破碎腔进行优化，提高破碎机的产量和改善产品质量。 1 ．3 ．4 层压破碎理论研究现状 早期国外基于单颗粒破碎原理设计破碎机，单颗粒破碎原理以表面积说、体 积学说和裂缝假说等三大理论最为著名。18 5 7 年，R ．P ．硒t t i n g e r 根据物料破碎前 后表面积的增量与破碎所消耗的能量的关系，提出表面积说；1 8 8 5 年，F ．飚c k 和 B ．Ⅱ．K H ”H y e B 根据机械对物料做功使物料发生形变至破碎提出体积学说破碎物 料损耗能与物料颗粒体积成正比；在1 9 5 2 年，F ．C ．B o n d 基于体积学说提出裂缝 假说根据物料受到挤压导致变形，当变形累积到一定程度后会产生裂纹。以上 大三大理论都是讲述物料在破碎过程中表面积的变化、体积的变化、裂纹的产生 ．7 ． I／，、 万方数据 沈阳理工大学硕士学位论文 与物料在破碎过程中所损耗的能量有关【3 7 ‘3 9 】。由于单颗粒破碎原理设计理论简单， 为分析物料内部破碎过程提供了一种理论方法，所以被设计破碎机初期广泛应用， 但是其破碎机具有体积大、产量低和功耗大等缺点。随着用户对产品质量及生产 能力要求地不断提高。由单颗粒破碎原理设计的破碎机已经满足不了市场要求。 物料在破碎过程中小部分物料是单颗粒破碎，大部分物料是受破碎力、物料 粒子间的力发生破碎。国内外设计者以整体物料为研究对象，提出了层压破碎理 论，可更准确模拟物料实际破碎过程。物料的破碎实际是其粒径不断由大变小的 过程，当物料进行破碎时，不仅会受到外界力作用，还会受到物料颗粒间的挤压、 撞击和严重摩擦等相互作用，最终使得物料发生破碎H 0 1 。结合实验研究和分析， 将层压破碎分成以下三个阶段 1 压实过程在该过程中，由于物料受到压力远小于自身强度，物料不会 被破碎。物料颗粒在外力的作用下相互靠