矿物加工工程振动破碎技术与理论.pdf

第 29 卷增刊 1 2020 年 6 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol . 29 ， Suppl 1 June 2020 收稿日期 2020‐04‐29 责任编辑 宋菲 第一作者简介 宋涛（1972 － ） ， 男 ， 山东烟台人 ， 工程师 ， 主要从事金 属矿选矿相关工作 。 引用格式 宋涛 ， 周策 ， 宋旭鹏 ， 等 . 矿物加工工程振动破碎技术与理 论［J］ . 中国矿业 ， 2020 ， 29（S1） 399‐403 . doi 10 . 12075／j . issn . 1004‐ 4051 . 2020 . S1 . 052 矿物加工工程振动破碎技术与理论 宋 涛1，周 策1，宋旭鹏1，王晓波2 （1 .烟台国润铜业有限公司 ，山东 烟台 264002 ； 2 .北京凯特破碎机有限公司 ，北京 100160） 摘 要 振动破碎技术是实现破碎作业节能降耗的有效方法 ， 可以处理高硬度成分复杂的难处理物料 ， 是 矿物加工领域高效粉碎工艺的研究热点 。 介绍了几种在矿物加工领域有显著应用价值的振动破碎技术 ； 分别阐述了设备的工作原理与工作特性 ， 并论述了相应振动破碎系统的动力学问题 。 针对应用于振动破 碎系统中的转子振动自同步 、 反共振 、 控制同步等几种典型的振动理论 ， 总结了设计振动破碎系统的关键 理论 ， 展望了振动破碎系统设计理论模型的研究方向 。 关键词 振动破碎 ；破碎机 ；惯性圆锥破碎机 ；振动自同步 中图分类号 TD451 ； TH113.1 文献标识码 A 文章编号 1004‐4051（2020）S1‐0399‐05 Crushing process vibration crushing technology and theory in mineral processing engineering SONG Tao1，ZHOU Ce1，SONG Xupeng1，WANG Xiaobo2 （1 .Yantai Guorun Copper Industry Co. ，Ltd. ，Yantai 264002 ，China ； 2 .Beijing Kaite Crusher Co. ，Ltd. ，Beijing 100160 ，China） Abstract Vibration crushing technology is an effective crushing to achieve energy saving and consumption reduction in crushing operations . It can deal with complex and difficult materials with high hardness and is now a research hotspot in the field of mineral processing .Several vibration crushing technologies with significant application value in the field of mineral processing are introduced . The working principle and characteristics of the equipment are expounded respectively ， and the dynamic problems of the corresponding vibration crushing system are discussed . Considering several typical vibration theories such as vibration self‐synchronization ，anti‐resonance and control synchronization applied in vibration crushing system ， the key theories of designing vibration crushing system are summarized ， and the research direction of vibration crushing system design is prospected . Keywords vibrating crushing ；crusher ；inertia cone crusher ；vibration synchronization 0 引 言 矿石大多以晶体的形式存在 ， 同时在其形成过 程中往往含有杂质 ， 在不同物质的交界面 、 晶格的缺 陷 、 错位等不均匀处强度低 。研究表明 ， 固体矿石内 部存在大量微裂纹等缺陷 ， 沿着这些缺陷可轻易形成 裂纹并逐步扩大直至物料破碎。 利用这种方法实现 物料的破碎具有节能降耗以及选择性破碎的作用 ［1］ 。 利用振动作用可使得物料在缺陷处产生裂纹 ， 并通过持续的振动作用使得裂纹不断扩大发生破 碎 ， 理论上可破碎任何硬度的脆性物料 。 因此 ， 振动 破碎具有高效节能降耗的特点 。 在矿物加工过程 中 ， 不可避免的要进行物料的破碎 。 据统计 ， 粉磨物 料所消耗的能量占一般选矿厂能耗的 60％ 以上 ， 主 要原因在于磨矿能量利用率低 ， “多碎少磨”已成为 降低能耗的普遍共识 。 雷存友等 ［2］介绍了碎磨工艺 现状及发展趋势 ， 指出常规三段破碎工艺与（半）自 磨工艺竞争将随着在（半）自磨工艺中引进超细破碎 设备的碎磨技术而终止 ， 这种设备将是高压辊磨机 中 国 矿 业第 29 卷 和惯性圆锥破碎机 。 自 20 世纪 60 年代起 ， 苏联技 术人员在振动设备方面的研究成果极大促进了其工 业的发展 ， 其主要研究人员如 Blekhman I . I . 等至今 在振动领域仍享有极高的国际声誉 。 包括美国 、英 国 、 德国 、 法国 、 日本等在内的发达国家积极引进吸 收消化相关技术并在其基础上进一步开发研究 ， 助 力其经济发展 ［2‐3］ 。 振动破碎技术装备不仅可实现物料的高效解离 破碎 ， 具有节能降耗与选择性破碎的特点 ， 在处理高 硬度成分复杂方面具有良好的“过铁”性能 ， 可作为 研究处理冶金渣 、 建筑废弃物 、 电子废弃物等复杂成 分固体废弃物有前景的方向 ［5‐8］ 。 然而 ， 目前振动破 碎技术的发展仍受到多个因素的制约 ， 主要体现在 动力学行为相对复杂 、 制造技术要求高 、 关键部件可 选择材料的可靠性低 、 系统性能稳定性相对较差 ； 进 一步深化振动破碎的应用 ， 利用其突出的技术性能 为工业生产服务仍有较多的课题有待研究 。 本文结合国内外开发的振动破碎技术 ， 考虑最 新已具有良好应用效果的振动破碎机型 ， 概括介绍 了几种振动破碎领域的新型技术装备 ； 论述目前实 现高效振动破碎所涉及的关键技术与动力学问题 ， 概括振动破碎技术发展的技术瓶颈并对振动破碎技 术的开发进行了展望 。 1 振动破碎技术与装备 1 . 1 国外振动破碎技术与装备 20 世纪 50 年代 ， 苏联的相关研究人员在振动 理论方面取得多项重要成果 ， 如振动自同步理论以 及动力机械的自适应性理论等 ， 随后苏联的选矿设 计研究院与乌拉尔重型机械厂合作创造了多个新型 振动破碎技术装备 ， 包括惯性振动破碎机 、 振动颚式 破碎机 、 惯性滚筒破碎机等 。 与传统的破碎机相比 ， 其工作性能具有节能降耗的特点 ， 破碎比大 ， 可有效 简化破碎流程 ， 产品粒度均匀过粉碎少 ， 可以带料启 动 ， 破碎腔进入不可破碎物料时 ， 不会发生设备损 坏 ， 具备良好的“过铁”性能 ， 由于采用减振设计 ， 设 备不需重型建筑物 。 惯性圆锥破碎机与振动颚式破 碎机的结构如图 1 和图 2 所示 ［5‐9］ 。 惯性圆锥破碎机偏心块高速旋转产生离心力 ， 驱动工作部件的主轴高频往复摆动 ， 耐磨件之间形 成的物料受到振动冲击作用 ， 实现振动破碎作用 。 该设备破碎产品粒度均匀 ， 破碎比大 ， 在矿物加工领 域可作为破碎工艺的核心设备 ， 有效简化三段 、 四段 等破碎段工艺流程 ［1‐4］ ， 能耗较普通圆锥破碎机能耗 降低一半左右 。目前该设备的最大型号为 KID2200 圆锥破碎机 ， 由俄罗斯米哈诺布尔技术股份公司掌 握相关技术 ， 分为两种破碎腔形 ， 开路破碎产品粒度 可达 14 mm ， 产量 240 m 3 ／h 。 图 1 惯性圆锥破碎机结构示意图 Fig . 1 The model of inertial cone crusher 图 2 惯性振动破碎机模型 Fig . 2 The model of inertial vibrating crusher 如图 2 所示 ， 振动颚式破碎机的两个动颚上分 别装有偏心块 ， 偏心块在电机柔性驱动下高速旋转 产生离心力驱动工作动颚往复运动 ， 实现破碎腔中 的物料的振动破碎 。 该设备结构简单 ， 得益于采用 了转子的振动自同步理论 ， 利用振动系统的耦合特 性实现动态条件下偏心块的反向同步运动 ， 对振动 冲击作用具有良好的自适应性 。 即使两个工作动颚 在制造精度上有一定的误差 ， 受到的冲击作用有所 区别 ， 在自同步特性作用下仍能保持偏心块转子同 步运动的能力以及向同步运动的趋势 ［8］ 。 该类型破 碎机的最大型号为 1 000 1 200 振动颚式破碎机 ， 产量可达 200 t／h ， 同样由俄罗斯米哈诺布尔技术股 份公司掌握 。 近年来 ， 俄罗斯米哈诺布尔技术股份公司在充 分研究振动破碎的基础上 ， 开发了振动冲击圆锥破 004 增刊 1宋 涛 ，等 矿物加工工程振动破碎技术与理论 碎机 ［3‐4］ ， 如图 3 所示 。 系统基于双机双质体理论模 型 ， 同样利用振动系统的自同步特性 ， 值得一提的 是 ， 该设备基于反共振原理设计 ， 使得外锥的振动 小 ， 有效降低了电机受到的振动冲击作用 ， 提高了设 备的稳定性 。 物料在破碎腔中不仅受到冲击作用 ， 还受到研磨作用 ， 因此该设备的破碎比大 ， 可作为研 磨设备用 。 在内锥直径为 300 mm 的样机上 ， 入料 为 20 mm 左右时 ， 产品粒度可达 0 . 2 mm 以下 。 对 于石墨等特殊物料的处理具有良好的应用前景 。 同时 ， 苏联斯卡钦斯基矿冶研究院设计的振动 颚式破碎机 ， 两个动颚作直线相对振动 ， 由如图 4 所 示 。 其工作部件反向同步依靠强制同步实现 ［1］ 。 加 拿大 RMS ROSS 公司设计橡胶空气弹簧振动颚式 破碎机利用空气弹簧作为工作动颚的储能与释能关 键部件 ， 应当指出由于振动自同步的特殊要求 ， 空气 弹簧的非线性特性明显 ， 自同步特性稳定性难以保 证 。 但这两个类型的设备目前少见应用报道 。 图 3 振动冲击圆锥破碎机模型 Fig . 3 The model of cone vibro‐shock crusher 图 4 斯卡钦斯基矿冶研究院的振动颚式破碎机 Fig . 4 Vibrating jaw crusher of Institute of Ming and Metallurgy of Ска Качиньский 苏联基于其丰硕的振动理论研究成果基础上 ， 成功开发的振动破碎装备 ， 在促进国民经济的发展 的过程中表现优异 。 国际上振动破碎技术的研究与 发展多借鉴了前苏联相关研究成果 。 日本 RASA 对俄罗斯振动技术的引进吸收相对比较成功 ， 在原 始技术图纸的基础上进行了技术优化 ， 特别是对惯 性圆锥破碎机铜瓦等关键部件的技术改进 ， 并开发 了工作间隙的检测装置与液压马达形成自动控制系 统 ， 采用变频驱动方式 ， 提高了设备的可靠性与稳定 性 ； 根据不同的需求 ， 研究设计了多种破碎腔形 ， 在 日本制砂行业应用广泛 ； 经过日本的改进提升 ， 其部 分产品性能在一定程度上超过了俄罗斯原始技 术 ［5‐7］ 。 值得一提的是 ， 中国国内夏晓鸥等人从俄罗 斯引进惯性圆锥破碎机初始阶段 ， 由于缺少可参考 的资料 ， 产品性能优势不明显 ， 1999 年 7 月赴日本 RASA 工业有限公司考察了改进的惯性圆锥破碎 机 ， 经过考察交流 ， 对国内的惯性圆锥破碎机提升具 有重要促进作用 ， 成功进入多个工业生产主流程 。 法国 FCB 集团在引进俄罗斯惯性圆锥破碎机 的基础上 ［1］ ， 改进了激振系统设计 ， 将激振系统设计 为四个分列安装的偏心块 ， 激振系统安装在外锥上 ， 内锥通过铰接悬挂在外锥上 ， 内锥主轴可以旋转以 抵消设备振动产生的内平衡力 ， 主轴底部设计有液 压缸 ， 通过控制内锥调节设备工作间隙 ， 如图 5 所 示 。 相较于惯性圆锥破碎机 ， 其破碎腔倾斜角度大 ， 设备产量大 ， 但排矿粒度较大 ， 产品粒形多位扁平 状 。 这类设备的重要优势是设备结构简单 ， 无支撑 铜瓦 、 轴套等滑动轴承 ， 无需配套润滑系统 ， 大幅提 高了设备的稳定性 ， 能耗优势更为明显 。 这类铰接 结构的设计具有明显的技术优势 ， 可简化振动设备 的一个研究方向 。该设备研制的关键在于四个转子的 同步运动及其相位控制 ， 无法适用自同步特性实现 。 图 5 FCB集团外动式惯性圆锥破碎机 Fig . 5 Outer‐Vibrating cone crusher of FCB Group 美国 General kinematic 公司消化引进俄罗斯 振动颚式破碎机的基础上 ， 研制了反共振双质体的 VIBRA‐JAW TM 系列振动颚式破碎机 。 这类设备的 结构特点为激振系统与工作动颚分开设计 ， 通过弹 簧连接 。 激振系统基于双振动转子自同步特性设 计 ， 利用反共振原理 ， 将激振系统产生的振动传递并 放大到工作动颚上 ， 对物料进行振动破碎 。 优点在 104 中 国 矿 业第 29 卷 于避免了激振系统受到振动冲击作用 ， 有效提高了 激振系统的可靠性与稳定性 。 整个系统坐落在减震 器上 ， 无所特别设计地基 。 1 . 2 中国振动破碎技术与装备 矿冶科技集团有限公司在建设初始得到苏联 “米哈诺布尔”选矿设计研究院的援建 ， 凭借其与俄 罗斯该研究单位的特殊关系积极引进相关技术装 备 ， 成功开发了 GYP 系列惯性圆锥破碎机 、GZP 系 列惯性振动破碎机等振动装备 ［5‐8］ ， 已成功应用于首 都钢铁集团 、 山东钢铁集团 、 鞍山钢铁集团等多个生 产线 ， 已有一百多台惯性圆锥破碎机在国内实现应 用 ， 为国内冶金渣等难处理物料的高效细碎解离提 供了重要技术支撑 。 夏晓鸥等对惯性圆锥破碎机进 行了深入分析 ， 研究了该设备在冶金渣 、 耐火材料 、 制砂 、 铬铁合金 、 矿山等领域的应用情况 ， 总结并凝 练了该类设备的设计理论 。 经过对比 ， 目前国内 GYP 系列惯性圆锥破碎机技术已明显优于俄罗斯 原始技术 ， 技术特性具备国际领先水平 。 矿冶科技集团有限公司王晓波等对惯性振动破 碎机的自同步性能进行了较为深入的研究 ， 并开展 了相关工业实验研究 ， 惯性振动破碎机实现废旧钢 筋混凝土的高效解离 。 王晓波等认为系统良好的转 子同步行为对设备的工作特性具有重要作用 ， 其扭 转弹簧的刚度是保证破碎效果的关键参数 ［7‐9］ 。 目 前该设备已在处理铬铁合金方面具有良好的应用 。 从其结构来看该设备简单 ， 可实现自平衡 ， 不需要牢 固的地基 ； 性能上可破碎高硬度复杂物料 ， 处理废旧 钢混建材时 ， 可实现钢筋 、骨料等快速解离 ， 在处理 城市固体废弃物 、 再生骨料等方面具有良好的应用 前景 。 为方便废旧钢混建材等长径比较大物料出入 破碎腔 ， 王晓波等人进一步设计了倾斜式惯性振动 破碎机 ， 研究了双振动转子在倾斜设计条件下的同 步行为 ， 将破碎腔倾斜设计 ， 有效解决了原有惯性振 动破碎机入料与出料高度的问题 。 此外 ， 沈阳重型机械厂 、 洛阳矿山机械工程设计 研究院 、 东北大学等单位相继开展了振动破碎技术 及装备的研究工作 ， 取得了系列成果 。 洛阳矿山机 械工程设计研究院开发的振动圆锥破碎机结构如图 6 所示 ， 与惯性圆锥破碎机主要不同点在于利用弹 簧代替球面轴承支撑动锥运动 ［1］ ， 因而在系统力学 特性上 ， 设备可工作在亚共振区 、 共振区以及远共振 区 。 虽然关于振动圆锥破碎机的研究不及惯性圆锥 破碎机普及 ， 但由于其特殊性能 ， 国内目前已形成系 列产品 ， 生产出近 70 台 ， 产生了良好的经济效益 。 东北大学在沈阳市科学技术局的资助下 ， 研制了一 种利用系统振动自同步特性的振动圆锥破碎机 ［10］ ， 系统采用双机驱动 ， 可方便的通过调节激振器的偏 心惯量实现参数调节 。 桂林矿山冶金机械厂等单位 也积极引进相关技术装备 。 图 6 振动圆锥破碎机 Fig . 6 Vibration cone crusher 总体看来 ， 由于振动破碎的特殊性能 ， 国内外研 究人员均积极开展了富有成效的研究 。 随着相关工 业技术的不断发展 ， 振动破碎技术及装备仍在不断 进步 。 与普通破碎机相比 ， 振动破碎系统对参数更 为敏感 。 除了相关制造材料开发之外 ， 其研究的重 点在于系统结构动力学 。 2 振动破碎系统动力学理论 苏联选矿设计研究院在其先进的振动理论研究 基础上成功开发了惯性圆锥破碎机与振动颚式破碎 机 ， 结合流化床 、 振动筛的相关设计理论 ， 发展了“振 动系统动态自适应性的理论” 。 关于惯性圆锥破碎机的振动特点 ， 动锥的动力 学行为体现了行星转子系统的自同步特性 ； 正是由 于该系统的频率俘获趋势 ， 设计了快速实现设备间 隙的自动调节装置 。 振动颚式破碎机以及东北大学开发的振动圆锥 破碎机的设计基础是振动转子的自同步理论 ， 利用 转子在振动耦合条件下可实现振动自同步的特点保 证了系统的动态自平衡 。 不同于安装在同一振动体 上的单质体或双质体转子自同步理论 ， 振动颚式破 碎机的转子安装在不同质体上 ， 质体之间存在刚度 耦合 ， 因而存在特征频率 ， 在特征频率附近 ， 系统转 子的同步行为具有高稳定性与高容差度的特点 。 俄罗斯米哈诺布尔技术股份公司开发振动冲击 破碎机及美国 General Kinematics 集团设计的 VIBRA‐JAW TM 系列振动颚式破碎机的动力学系统 基于转子的自同步理论 ， 以及反共振原理设计 ， 振动 转子的自同步理论为激振系统提供了较为稳定的激 振源 ， 反共振原理使得工作结构与激振系统分开设 204 增刊 1宋 涛 ，等 矿物加工工程振动破碎技术与理论 计 ， 有效缓冲了破碎过程中的振动冲击对激振系统 的影响 ， 提高了设备稳定性与可靠性 。 法国 FCB 集团设计的惯性圆锥破碎机利用四 个转子驱动 ， 四个转子的运动关系及调节由专门设 计的控制系统实现控制同步 。 值得注意的是 ， 四个 转子的控制同步及相位调节需要克服振动自同步产 生的振动力矩 ， 如果相关技术不成熟或自适应能力 差 ， 常常会发生烧毁电机的行为 。 其转子的控制技 术是开发这类设备的关键 。 然而 ， 对于振动破碎系统来说 ， 高频的重载振动 冲击作用常常使得结构弹簧动力学特性 。 对于反共 振技术而言 ， 其对弹簧刚度的敏感性高 。 弹簧的刚 度变化会直接影响系统的工作性能 ， 反共振振动破 碎技术的稳定性相对较差 。 类似的系统的振动转子 自同步特性受到弹簧刚度的影响 ， 若系统工作在远 共振区 ， 弹簧性能的变化对系统的影响会明显弱化 。 控制同步虽然系统复杂 ， 但转子同步的鲁棒性优势 明显 。 因此 ， 对于反共振原理 、 转子自同步特性优化 了设备的结构特点 ， 对于开发高性能振动系统 ， 开发 适用于高频重载条件下的同步控制技术是重要的研 究方向 。 对于单激振器振动破碎系统 ， 设备的运转频率 应考虑系统的共振区间 。 多数振动破碎设备均采用 减振系统 ， 减振系统会发生疲劳性质的力学性能变 化 ， 多数情况下 ， 固有频率会降低 ， 因此将设备的工 作频率设计在系统的远共振区间会有更高的稳定性 。 3 结 语 振动破碎技术是解决复杂高硬度物料破碎的重 要方法 ， 具有节能降耗 、选择性破碎的特点 ， 是实现 “多碎少磨”工艺流程的研究热点 。 国内外均开展了 相关的技术研究 ， 振动破碎技术不断进入矿山 、建 材 、 化工等行业的生产流程 ， 产生了良好的经济效 益 。 受制于材料疲劳力学性能的变化影响以及振动 系统的复杂特性 ， 振动破碎技术优势常常难以充分 实践 。 随着相关制造技术与材料的不断提升与优化 ， 借助智能控制技术 ， 振动破碎技术及其稳定性进一 步完善 ， 对粉碎领域产生深远的影响 。 参考文献 ［ 1 ］ 张世礼 . 振动粉碎理论及设备［M ］ . 北京 冶金工业出版社 ， 2005 2‐25 . ［ 2 ］ 雷存友 ， 余浔 ， 冯裕果 . 碎磨工艺现状及发展趋势［J］ . 有色金 属（选矿部分） ， 2019（5） 15‐19 . 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