双腔颚式破碎机机构原理设计与最佳工作行程研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 双腔颚式破碎机机构原理设计与最佳 工作行程研究 英文题目英文题目Study on Mechanism Principle Design and Optimum Working Stroke of Double Cavity Jaw Crusher 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 黄璇 学号学号2019022126 学科学科领域领域名称名称 机械工程 指导教指导教师师 汪建新 职称职称 教授 2021 年 6 月11 日 分类号分类号 TD451TD451 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 10127 10127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 铁矿作为我国重要的战略性矿产资源，为国民经济发展提供了重要保障。在选 矿生产中，破碎工序对矿物生产的影响巨大，破碎机一直是选矿生产的重要设备。 颚式破碎机具有结构简单、维修方便等优点，已在选矿破碎工程中得以大范围应用。 但颚式破碎机存在的行程、能量输入密度低等问题依然存在，为此本课题提出一种 生产能力较高的新型双腔颚式破碎机。 （1）在基于单颗粒物料流动破碎特性的基础上，计算出破碎腔的结构参数以及 工作参数，为破碎力的计算奠定基础。 （2）通过分析影响破碎力的因素表明，当破碎矿物种类确定时，物料破碎时的 压缩比是决定破碎压强的主要因素。 （3）结合矿石在破碎腔中的破碎粒度变化过程，得到破碎力分布的数学模型， 以及不同破碎高度上的破碎力随动颚转角变化曲线。 （4）通过分析破碎力分布发现越靠近齿板上端破碎力越大。矿石排出会经过密 实阶段和破碎阶段，避免矿石受力过大而结团，结合动颚转动角与总破碎力之间的 关系，得到最大破碎力，确定动颚齿板上端的最佳行程。 （5）基于动颚齿板上端最佳行程以及破碎力的确定，得到破碎机结构尺寸，运 用 SolidWorks 软件，建立零件三维模型以及装配结构模型。运用 SolidWorks 软件中 的 motion 插件进行运动仿真，得到动颚的运动轨迹规律动颚齿板越靠近入料口端 水平行程越大，垂直行程越小；越靠近排料口端水平行程越小，垂直行程越大。 （6）应用 ABAQUS 软件对破碎机的主要零部件─齿板、动颚、连杆应力及变 形等进行了有限元分析，获得这些零件的应力及应变云图，通过静力学分析表明 这些零件都满足强度要求且变形量较小，满足结构设计要求。 关键词颚式破碎机；破碎力；行程；有限元 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II A Abstractbstract In China, iron ore as an important strategic resource, is very important, provides an important guarantee for the development of national economy.In the beneficiation production, the crushing process has a great impact on the mineral quality, so the crusher as the main mechanical equipment has become an indispensable factor of production.Jaw crusher has the advantages of simple structure and convenient maintenance, which has been widely used in ore processing and crushing engineering.However, the low production capacity of jaw crusher still exists. Therefore, a new type of double cavity jaw crusher with higher production capacity is proposed in this paper. In this paper, in order to solve the jaw crusher of idle motion and low energy density of the is insufficient, come up with an idea for a new structure of jaw crusher set up the double cavity structure, do not set the flywheel and pulley structure, directly driven by hydraulic motor, eccentric driving rod drive wheel rolling on the idler pulley groove, moving under the reciprocating roller of roller swinging upper jaw, due to the lower jaw at the same time, the restraint of rocker, thus produce complex planar motion.By using the Motion plugin in SolidWorks software to carry out motion simulation and trajectory analysis, the motion trajectory law of the moving jaw is obtained the closer the moving jaw plate is to the feeding end, the larger the radius of curvature of the motion trajectory is, and the smaller the radius of curvature of the motion trajectory close to the discharge port is.This crushing is more efficient, more energy saving, but also conducive to prolong the life of the crusher. Based on the flow characteristics of single particle material, the structure parameters and working parameters of the crushing chamber are calculated.The analysis of the factors affecting the crushing force shows that the compression ratio of the material under pressure is the main factor determining the crushing force when the types of crushing minerals are determined.Combining with the process of particle size change of the ore in the crushing chamber, the mathematical model of crushing force distribution and the curve of crushing 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III force change with the rotation Angle of the moving jaw at different crushing heights were obtained.By analyzing the distribution of crushing force, it is found that the crushing force at the upper end of the tooth plate close to the jaw is greater.The discharge of the ore will go through the compaction stage and crushing stage to avoid excessive consolidation of the ore. By analyzing the relationship between the rotation Angle of the moving jaw and the total crushing force, the maximum crushing force is obtained and the optimal travel of the moving jaw is determined as S 61.42mm. Using SolidWorks software, build 3D model of parts and assembly structure model.Using ABAQUS software to carry out finite element analysis on the main parts of the crusher, including tooth plate, moving jaw and connecting rod, the stress and strain neograms of these parts are obtained. Through static analysis, the following results are obtainedThe maximum stress of the movable jaw tooth plate is 297.4MPa, the maximum stress of the movable jaw is 193.6MPa, and the maximum stress of the connecting rod is 273.3MPa, all of which meet the requirements of strength and small deation, and meet the requirements of structural design. Key wordsJaw crusher;Crushing force;Stroke;The finite element 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 .................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. II 1 绪论 .................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 .................................................................................................................. 1 1.2 颚式破碎机的发展和研究现状 .............................................................................. 1 1.3 破碎理论研究现状 .................................................................................................. 5 1.4 研究目的及意义 ...................................................................................................... 7 1.5 主要研究内容 .......................................................................................................... 8 2 新型颚式破碎机的基本要求及机构原理设计 ................................................................ 9 2.1 基本要求 .................................................................................................................. 9 2.2 设计目标 .................................................................................................................. 9 2.3 新型颚式破碎机机构原理确定 .............................................................................. 9 2.4 新型颚式破碎机特点 ............................................................................................ 10 2.5 本章小结 ................................................................................................................ 11 3 新型颚式破碎机的破碎腔参数 ...................................................................................... 12 3.1 给料口和排料口尺寸 ............................................................................................ 12 3.2 齿板尺寸 ................................................................................................................ 13 3.3 啮角的确定 ............................................................................................................ 17 3.4 本章小结 ................................................................................................................ 20 4 新型颚式破碎机力能参数分析与计算 .......................................................................... 21 4.1 颚式破碎机破碎力的特点分布及影响因素 ........................................................ 21 4.1.1颚式破碎机破碎力的特点 .......................................................................... 21 4.1.2颚式破碎机破碎力的分布 .......................................................................... 22 4.1.3破碎力的影响因素 ...................................................................................... 25 4.2 破碎运动与破碎力 ................................................................................................ 27 4.3 最佳行程的确定 .................................................................................................... 32 4.4 最大破碎力的确定 ................................................................................................ 33 4.5 功率的计算 ............................................................................................................ 34 4.6 本章小结 ................................................................................................................ 36 5 新型颚式破碎机主要结构设计 ...................................................................................... 38 5.1 建模软件 SolidWorks 介绍 ................................................................................... 38 5.2 主要零件的设计 .................................................................................................... 39 5.3 三维装配模型的创建 ............................................................................................ 47 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 5.4 动颚运动仿真分析 ................................................................................................ 50 5.4.1动颚运动轨迹分析 ...................................................................................... 51 5.4.2.动颚关键点的运动分析 .............................................................................. 51 5.5 本章小结 ................................................................................................................ 54 6 新型颚式破碎机主要零件强度及刚度有限元分析 ...................................................... 55 6.1 有限元基本思想及分析软件 ABAQUS 介绍 ...................................................... 55 6.1.1有限元基本思想 .......................................................................................... 55 6.1.2ABAQUS 简介 .............................................................................................. 55 6.2 齿板应力变形的有限元分析 ................................................................................ 56 6.2.1实体模型的建立 .......................................................................................... 56 6.2.2有限元模型的建立 ...................................................................................... 56 6.2.3边界条件的确定与施加 .............................................................................. 57 6.2.4齿板有限元结果分析 .................................................................................. 58 6.3 动颚应力变形的有限元分析 ................................................................................ 58 6.3.1实体模型的建立 .......................................................................................... 58 6.3.2有限元模型的建立 ...................................................................................... 59 6.3.3边界条件的确定与施加 .............................................................................. 60 6.3.4动颚的有限元结果分析 .............................................................................. 60 6.4 连杆应力变形有限元分析 .................................................................................... 61 6.4.1实体模型的建立 .......................................................................................... 61 6.4.2有限元模型的建立 ...................................................................................... 62 6.4.3边界条件的确定与施加 .............................................................................. 62 6.4.4连杆的有限元结果分析 .............................................................................. 65 6.5 本章小结 ................................................................................................................ 66 结 论 ................................................................................................................................. 67 参考文献 ............................................................................................................................. 68 在学研究成果 ..................................................................................................................... 73 致 谢 ................................................................................................................................. 74 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 我国经济正迅猛增长，冶金、矿山、建筑等经济支柱型产业存在着大量的破碎 工序，每年的破碎物料数量在急剧增长，破碎作业在生产中扮演者越来越重要的角 色。铁矿资源作为我国重要的战略性矿产资源，是国民经济发展的重要保障，对维 护国家安全、推动新兴产业的发展具有重要的意义。我国矿产资源储量丰富，2017 年探明铁矿储量 848.88 亿吨，据不完全统计[13]，我国每年都有几十亿吨的各种矿 石经过破碎工序。 在选矿过程中，破碎工序对铁矿生产的影响巨大。破碎就是利用外力把大颗粒 变成小颗粒的过程[4]。破碎所使用的机械设备称之为破碎机械。磨碎（或粉碎）是 指利用外力将小颗粒物料变成粉体物料的过程，简称粉磨[5]。粉磨所使用的机械设 备成为粉磨设备。破碎与粉磨统一称为破磨。物料破磨的目的[6]是增加物料的比表 面积，使铁矿石的有用成分解离，达到下步选矿工作所需的粒度，为下步选矿工作 做好准备。 破碎机一直作为选矿生产的设备。目前广泛应用的是颚式破碎机，颚式破碎机 按照动颚齿板的摆动方式不同可以分为简摆式颚式破碎机和复摆式颚式破碎机。复 摆式颚式[7]破碎机利用动颚周期性的靠近与远离定颚齿板来实现破碎物料的破碎与 排出。颚式破碎机具有结构简单、性能优越、维修方便等优点，在物料碎磨的作业 中日益显示其重要性[8]，在选矿破碎工程中得以大范围应用。 目前，国内的颚式破碎机制造厂商高达百家，一年可生产 20 多种型号，共上万 台的颚式破碎机[9,10]。然而，各厂商制造的颚式破碎机结构品质参差不齐，许多产品 的性能与世界行业龙头的产品差距较大。目前颚式破碎机的主要缺点是存在空行程、 能量输入密度不大等，因此解决颚式破碎机的上述缺点加快对新型颚式破碎机的研 发设计就显得尤为重要。 1.2 颚式破碎机的发展和研究现状颚式破碎机的发展和研究现状 世界上第一台颚式破碎机是由布雷克发明的，距今已有一百多年[11]。经过后人 对其不断完善，颚式破碎机的结构和性能得到了巨大的提升。依据动颚运动方式的 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 不同将颚式破碎机分为简摆式和复摆式。简摆颚式破碎机可以简化为曲柄双摇杆机 构，其工作原理是由电动机驱动皮带轮组成的传动机构，并将动力传递给偏心轴， 其相当于曲柄使得连杆运动。如图 1.1 所示，连杆开始向上移动时，动齿板与定齿 板间夹角逐渐变小，此时矿物受多重作用破碎，达到破碎矿物的目的，当其开始向 下运动时，动颚逐渐远离定颚，动颚齿板与定颚齿板间夹角变大，动颚齿板在自身 重力以及拉杆弹簧拉紧力的双重作用下远离定颚齿板，此时粒度变小的矿物靠重力 和动颚的推动作用从排料口排出。电动机输出轴的转动转化为动颚的周期性摆动， 实现对物料的破碎。 1.固定齿板；2.物料；3.动齿板；4.动颚悬挂轴；5.带轮；6.偏心轴；7.带； 8.电动机；9.拉杆弹簧；10.后肘板；11.连杆；12.前肘板；13.机架 图 1.1 简摆颚式破碎机工作原理图[12] 当颚式破碎机不设置动颚悬挂轴、前肘板及连杆，这样就由六杆机构变成曲柄 摇杆机构。并且利用偏心轴直接带动动颚运动，由此动齿板的运动轨迹变成椭圆形， 变成一种复杂的平面运动，通过对物料的多种作用实现破碎。这种破碎设备称为复 摆颚式破碎机。如图 1.2所示。 1.定颚；2.机架；3.偏心轴 4.动颚；5.肘板；6.弹簧；7.拉杆 图 1.2 复摆颚式破碎机工作原理图[13] 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 通过比较简摆与复摆两种破碎机，前者的优点动颚的垂直行程比较小，能在 一定程度上减缓齿板的磨损，延长齿板使用寿命，并且能够减轻过粉碎现象，偏心 轴、连杆等传动件受力较小。其存在的缺点主要是设备笨重、机构繁琐，并且运动 轨迹不理想，简摆颚式破碎机靠近进料口水平行程小，越靠近出料口水平行程越大， 这与大颗粒物料存在在破碎腔的上部需要较大的水平行程是相违背的。复摆式颚式 破碎机的出现很大程度的弥补了简摆颚式破碎机的技术弱点。复摆颚式破碎机结构 紧凑、杆件较少，但运动轨迹复杂，能很好的实现对物料的挤压、弯曲、磋磨、剪 切作用，生产效率比较高。随着对生产效率的追求以及科技的进步，简摆颚式破碎 机逐渐被市场淘汰，复摆颚式破碎机得到了大面积的应用，这也激励着研发人员设 计出更优质的新型颚式破碎机。 国外对于颚式破碎机的研究应用长期处于领先地位，尤其是大中型的颚式破碎 机在美国、俄罗斯等发达国家应用十分广泛。颚式破碎机通常采用了精良的的制造 工艺、装备了先进的自动控制系统，并且性能可靠、故障率低使其拥有广泛地市场 和应用前景。在国外，一些制造厂商掌握了先进的技术，也研制出了新型的颚式破 碎机。美国 Eagle 公司研制出了一种倾斜式颚式破碎机，它能有效破碎各种硬度的 矿石，外形型低矮、方便进料；俄罗斯圣彼得堡工程科学院研制出一种振动颚式破 碎机，如图 1.3 所示。它的主要结构是动颚和激振装置，两个动齿板布置成 V 型的 结构形式，这种布置使在破碎腔内的物料下落顺畅、对物料破碎的振动力更充分， 动力更足。振动颚式破碎机的主要部件是激振装置。它利用离心力和高效的振动频 率实现对物料的破碎，这种方式能达到“多破少磨”的破碎目的，减少了因磨碎产 生的粉尘，被广泛应用在破碎较硬金属、硬质矿等破碎行业[14]。 1.机架；2.齿板；3.不平衡振动器；4.扭力轴 图 1.3 振动颚式破碎机 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 在国内破碎机的生产主要是对国外的破碎机进行仿制，于 20 世纪 80 年代之后， 一些制造厂商为了提高破碎机的功能和国内市场的竞争力，开始对新型颚式破碎机 进行深入研究，并研制出了许多性能优良的新型颚式破碎机。辽宁校企合作研制的 双动颚式破碎机，它主要由第一动颚体、第二动颚体、偏心轴、齿轮、机架组成。 破碎腔由两动颚组成。电动机输出轴与传动装置连接，设置两个偏心轴分别安装在 机架左右两端，利用齿轮结构保证两动颚同时运动破碎物料。它具有破碎效率更高、 生产性能更好的优点；安徽某设计院研制出一种双腔双动颚式破碎机，这种设计是 对复摆颚式破碎机的一种改进，保留了原先破碎机的优点，并且设置两个动颚，存 在两个破碎腔，该结构使生产效率大幅提高，排出的物料粒度均匀；湖南中南大学 的周恩浦教授研制出一种冲击式颚式破碎机，它利用曲动挤压型的破碎方式破碎物 料，它的破碎腔深并且无死角，大大提高了进料能力与产出速度，并且结构简单、 工作稳定、维修方便，适合破碎硬的物料；外动颚颚式破碎机，改变了使用四杆机 构中连杆作为动颚的固有设计，动颚与连杆分离，破碎腔呈倾斜状态，外形低矮维 修方便，破碎比大，简化了破碎流程[15,16]。其结构如图 1.4所示。 1. 定颚；2.动颚；3.曲柄；4.连杆；5.肘板；6.动颚轨迹； 图 1.4 新型外动颚匀摆颚式破碎机[17] 国内外的许多厂商都研制出了性能优良的新型颚式破碎机，这促进了颚式破碎 机市场的发展，推动了对新型破碎机的研发和改进，但由于加工成本等各种因素影 响，这些新型颚式破碎机几乎都没有得到广泛应用。目前，在矿山、冶金、建筑等 领域最广泛应用的仍然是复摆颚式破碎机，其在国内外的大型设备展销会上也居主 要地位[18]。 综上所述，随着复摆式颚式破碎机的不断推广使用，新的问题也慢慢暴露出来， 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 但受限于外国先进制造技术、制造工艺与控制系统，我国的复摆式颚式破碎机在性 能上与发达国家相比仍然存在一定的差距，这是面临的一个亟待解决的难题。为了 缩短乃至赶超外国的先进技术，不但需要借鉴他们丰富的设计经验，还应打破之前 的常规设计方法，积