新型惯性圆锥破碎机的减振性能.pdf

第３０卷 第２２期中 国 机 械 工 程 Vol． ３０ No． ２２ ２０１９年１１月CHINA MECHANICAL ENGINEERINGpp． ２７０４-２７０８ 新型惯性圆锥破碎机的减振性能 任廷志 黄凯锋 程加远 张子龙 金 昕 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心, 秦皇岛,０６６００４ 摘要 利用空间连杆机构设计了一种新型的更大破碎比、 更小振幅的惯性圆锥破碎机.主副激振器 在电机的驱动下同时旋转, 产生圆锥摆动和相位相反、 大小相等的惯性离心力, 以平衡惯性圆锥破碎机 工作工程中产生的不平衡惯性力, 同时连杆将副激振器产生的惯性离心力反馈给破碎主轴, 达到增大破 碎力、 提高破碎效果的目的.理论计算与样机试验验证了该设计的减振与增大破碎力效果. 关键词 惯性圆锥破碎机; 激振器; 破碎比; 动平衡 中图分类号TD４５１ DOI１０． ３９６９/j． issn． １００４ - １３２X． ２０１９． ２２． ００９ 开放科学 资源服务 标识码OSID Vibration Perance on Novel Inertia Cone Crushers REN Tingzhi HUANG Kaifeng CHENG Jiayuan ZHANG Zilong JIN Xin National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei, ０６６００４ AbstractA new type of inertia cone crusher with less vibration and more reduction ratio was de- signed by using a spatial linkage． When the main exciter and the secondary exciter were simultaneous- ly driven by the motor,a pair of inertial force with opposite phase and same magnitude was generated to achieve the purpose of balancing the unbalanced inertial forces generated during working processes． The inertia force produced by the secondary exciter was fed back to the crushing shaft through the links to gain crushing forces and crushing effects． In order to verify the efficiency of the inertia cone crusher proposed herein,the crushing products and horizontal vibrations were compared with that from the most wildly used inertia cone crushers by experimental and theoretical analysis． Key wordsinertia cone crusher;vibration exciter;reduction ratio;dynamic balancing 收稿日期２０１８ ０１１３ 修回日期２０１９０７０３ ０ 引言 惯性圆锥破碎机具有大且可调的破碎力, 是 能破碎任何硬度的脆性物料的节能超细碎设备, 在物料破碎加工领域得到了广泛的应用并产生了 极大的社会效益与经济效益[ １].惯性圆锥破碎机 在工作过程中产生的巨大不平衡惯性力导致其有 较大的振动, 因此惯性圆锥破碎机不但需要较为 笨重的机体结构, 而且其减振基础受到十分强 烈的交变动载荷, 增加了惯性圆锥破碎机的维 护成本. 为解决上述问题, 进一步提高惯性圆锥破碎 机的工作性能, 国内外许多学者进行了大量的研 究工作.夏晓鸥等[ ２]对惯性圆锥破碎机的隔振系 统进行了分析与创新, 采用二次隔振的方式从隔 振的角度对惯性圆锥破碎机进行研究, 取得了一 定的成效; 王海涛等[ ３]研制了一种双激振器动平 衡式惯性圆锥破碎机, 在主激振器的附近增加了 一个平衡激振器, 对设备的惯性力进行了平衡; BELOTSERKOVSKIY [４]研究了惯性圆锥破碎 机的平衡方法, 在驱动轴处增加了２块用于平衡 惯性力和惯性力矩的平衡激振器.以上做法均达 到了一定的效果, 但未充分利用增加的激振器所 产生的惯性力. 笔者在前人研究成果的基础上, 研制了一种 新型惯性圆锥破碎机 反相双激振器惯性圆锥 破碎机, 增加１个激振器并辅以合理的机构设计, 减小了设备在工作过程中受到的不平衡动载荷, 达到增大破碎力的目的, 理论分析和样机试验验 证了该设计的合理性. １ 破碎机的机构设计 要在不削弱惯性圆锥破碎机激振效果的前提 下, 利用副激振器产生的惯性离心力进一步增大 破碎力, 一种可行的方法是在副激振器产生的惯 �� ４０７２ �� 性力不影响主激振器运动且能削弱整体振动的前 提下, 通过连杆将副激振器所产生的惯性力部分 传递给主激振器.基于上述设计原则, 在惯性圆 锥破碎机上增加一个可以与主激振器发生同步旋 摆的副激振器, 通过空间连杆机构增大破碎力, 研 制出反相双激振器惯性圆锥破碎机.该破碎机由 激振机构、 破碎机构、 平衡机构与破碎力增大机构 组成, 整体结构如图１所示. １．定锥组件 ２．动锥组件 ３．破碎主轴 ４．球面瓦 ５．楔形块 ６．法兰盘 ７．球面环 ８．球面轴承 ９．主激振器套筒 １０．机体 １１．副激振器套筒 １２．关节轴承 １３．滚珠 １４．半联轴节 １５．副激振器 １６．连杆 １７．接轴 １８．驱动轴 １９．轴承 ２０．定位环 ２１．皮带轮 ２２．底座 ２３．减振器 ２４．关节轴承端盖 ２５．主激振器 图１ 反相双激振器惯性圆锥破碎机 Fig． １ Inverted double exciter inertial cone crusher 破碎机机体和减振器、 驱动轴等一并安装在 底座上.安装在底座上的驱动轴在皮带轮的带动 下绕破碎机中轴线旋转.驱动轴与接轴以球销副 相连, 接轴与半联轴节以球销副与移动副相结合 的形式相连, 使接轴在驱动轴与半联轴节之间有 效传递所需要的动力. 激振机构的主激振器固定在主激振器套筒 上, 主激振器套筒与半联轴节固定, 法兰盘与球面 环之间为平面副连接, 具有调心作用, 使主激振器 最终绕着球面瓦的球心做空间定点转动. 破碎机构的破碎主轴装入套筒的内孔中, 动 锥与破碎主轴固定, 放置在球面瓦上并绕球面瓦 的球心做空间定点转动.工作时, 破碎机构在激 振机构的惯性力作用下偏离破碎机中轴线, 对动 锥与定锥间的物料进行挤压破碎, 如图２所示. 平衡机构的副激振器与副激振器套筒固定, 副激振器套筒固定在关节轴承的内圈上, 在工作 １．定锥与机体组件 ２．动锥组件 ３．减振器 ４．副激振器组件 ５．连杆 ６．主激振器与套筒组件 图２ 主要机构受力分析 Fig． ２ Force layout of main mechanism 过程中绕着关节轴承的旋转中心做空间定点转 动.副激振器产生的惯性力与主激振器产生的惯 性力方向相反. 副激振器套筒通过球销副与连杆相连, 连杆 与主激振器之间以转动副相连.当驱动轴驱动套 筒与激振器绕破碎机竖直中轴线旋转时, 连杆带 动副激振器套筒和副激振器一起绕破碎机竖直中 轴线同步旋转, 将副激振器的惯性力反馈给破碎 机构, 增大破碎力.反相双激振器惯性圆锥破碎 机的各个运动构件组成了一种空间SRS S机构, 稳定运转时, 动锥壁与物料层之间为圆柱 平面副 连接, 破碎主轴在套筒内的自转并不会影响整个 机构的运动, 可视为局部自由度, 根据空间机构自 由度计算公式可得稳定运转情况下的整机自由度 为１, 图２为主要机构受力分析图. ２ 破碎机的力学分析 ２． １ 破碎机的等效破碎力 惯性圆锥破碎机的破碎力主要由激振器产生 的离心惯性力决定, 由文献[５-７] 可得传统单激振 器惯性圆锥破碎机的等效破碎力 Fcr＝F ′ic＋F ′ucv １ 式中,F cr为惯性圆锥破碎机的等效破碎力;F ′ic为惯性圆 锥破碎机动锥旋转产生的惯性力在破碎区域的等效力; F ′ucv为惯性圆锥破碎机激振器旋转产生的离心力在破碎 区域的等效力. 反相双激振器惯性圆锥破碎机与单激振器惯 性圆锥破碎机的最大区别是副激振器与连杆组成 的平衡机构与破碎力增益机构.副激振器产生的 �� ５０７２ �� 新型惯性圆锥破碎机的减振性能 任廷志 黄凯锋 程加远等 惯性力作用在设备机体上, 与主激振器在工作过 程中产生的惯性力相互平衡, 并通过连杆反馈给 破碎机构, 对破碎腔中的物料进行破碎.图２中, O１为动锥与主激振器旋转的旋转中心,O２为副激 振器的旋转中心. 工作过程中, 动锥章动角γ很小, 一般不超 过２ , 在忽略了动锥组件的章动对各力的影响 后, 根据力的平衡法则可得副激振器通过连杆传 递给激振机构的力 F１＝ Fbecl６－Gbece２ l７cosβ＋l８sinβ ２ 式中,F１为连杆对激振机构的作用力; Fbec为副激振器旋转 产生的离心力;l６为副激振器质心到副激振器旋转中心的 垂直距离;Gbec为副激振器的重力; e２为副激振器的偏心距 离;l７为连杆与副激振器铰接点与副激振器旋转中心的垂 直距离; β为工作过程中连杆与水平面的夹角;l８为连杆与 副激振器铰接点与副激振器旋转中心的水平距离. 平衡机构用于平衡机体振动的力为关节轴承 对副激振器组件支承力R２的反作用力, 其分量形 式为 R ′２x＝Fbec＋F１cosβ R ′２z＝Gbec－F１sinβ} ３ 破碎机构对物料层产生的等效破碎力为 Fcr＝F ucvl４＋Ficl３＋F１l５cosβ l１cosα＋l２sinα ＝F ′ucv＋F ′ic＋F ′１ ４ 式中,l４为主激振器质心与动锥旋转中心的垂直距离; l３为 动锥质心与动锥旋转中心的垂直距离;l５为连杆与主激振 器的铰接点与动锥旋转中心的垂直距离;l１为等效破碎力 合力作用点与动锥旋转中心的水平距离; α为动锥的底角; l２为等效破碎力合力作用点与动锥旋转中心的垂直距离. 各激振器及动锥组件所产生的惯性力分别为 Fucv＝mucvω２e Fic＝micω２ice１ Fbec＝mbecω２e２ ５ 式中,mucv为主激振器质量; mbec为副激振器质量;mic为动 锥质量;e为主激振器的偏心距离; ω为驱动轴的角速度; ωic为动锥的角速度. 对比式４ 与式１ 可知, 与单激振器惯性圆 锥破碎机相比, 反相双激振器惯性圆锥破碎机的 等效破碎力增加了由副激振器惯性力提供、 通过 连杆传递的增益力, 因此可以使用２个小质量的 激振器来提供破碎机在破碎物料过程中所需要的 破碎力, 达到平衡设备振动的目的.相较于已有 的动平衡式惯性圆锥破碎机, 反相双激振器惯性 圆锥破碎机具有更小的质量. ２． ２ 破碎机的振动 反相双激振器惯性圆锥破碎机在工作过程 中, 机体受到破碎机构通过物料层传递给机体的 破碎力的影响, 还受到破碎机构与激振机构通过 球面支承传递给机体的作用力.这些力成为主激 振器的惯性离心力F ucv、 动锥产生的惯性离心力 Fic、 平衡机构通过连杆传递给破碎机构的增益力 F１的合力, 平衡机构通过球面支承传递给机体的 平衡力如式３ 所示.与单激振器惯性圆锥破碎 机一样, 动锥实际工作时的旋摆和振动频率均非 常高, 物料在破碎腔内被破碎几十次, 机体、 动锥的 动力学行为受物料的性质和填充情况的影响.工 作时, 机体存在６个方向的振动自由度, 其中, 水平 面内的圆振动为设备的主振动, 其他方向的振动较 小.此处仅对水平面内的圆振动进行分析. 考虑破碎腔中物料滞回力的影响, 反相双激振 器惯性圆锥破碎机的物料参振系统动力学模型如 图３所示.忽略系统中的阻尼, 并对破碎过程中物 料的滞回力等效线性化后, 得到反相双激振器惯性 圆锥破碎机水平圆周振动的动力学方程[ ８-１１] m１０ ０m２ x �� �� １ x �� �� ２ ＋ ke－ke －keke＋k２ x１ x２ ＝sinω t P１ －P２ ６ P１＝Fucv＋Fic＋F１cosβ P２＝R ′２x 式中,m１为破碎机工作机构的总质量; m２为破碎机机体 的总质量;ke为散体破碎物料的等效线性化刚度; k２为破 碎机隔振弹簧的刚度. 图３ 反相双激振器惯性圆锥破碎机动力学模型 Fig． ３ Kinetic model of inverted double exciter inertia cone crusher 式６ 为一个典型的双自由度振动微分方程, 设该方程的稳态解为[ １１-１２] x１t＝A１sinω t x２t＝A２sinω t} ７ 将式６ 代入式５ 可得 A１ω＝ ke＋k２－ω２m２P １－keP２ ke－ω２m１ ke＋k２－ω２m２－k ２ e ８ A２ω＝ keP１－ke－ω２m１P２ ke－ω２m１ ke＋k２－ω２m２－k ２ e ９ 由式８ 可知, 反相双激振器惯性圆锥破碎机 机体的振幅在副激振器惯性力的影响下有所减小. ３ 破碎机样机试验 为对减振与破碎力增益进行验证, 拆除反相 �� ６０７２ �� 中国机械工程 第３０卷 第２２期２０１９年１１月下半月 双激振器惯性圆锥破碎机的副激振器, 并增加主 激振器的质量, 使之具有与原反相双激振器惯性 圆锥破碎机相同的等效破碎力,２个试验样机的 主要动力学参数如表１所示. 表１ 试验样机主要部件参数 Tab． １ Main components parameters of experimental prototype 项目 质量 kg 偏心距离mm １２１２ 主惯性矩 kg ��mm２ 对x轴主惯性矩Px对y轴主惯性矩Py对z轴主惯性矩Pz １２１２１２ 机壳与电机 ３１． ０６１３１． ０６１００１２ ５５１． ９６１１２ ５５１． ９６１２４ ５８７． ２２７２４ ５８７． ２２７２４ ５８７． ２２７２４ ５８７． ２２７ 动锥组件 ６． ９４１６． ９４１００５ ７４５． ６８５５ ７４５． ６８５２１ ９２９． ２６３２１ ９２９． ２６３２１ ９２９． ２６３２１ ９２９． ２６３ 主偏心块 ０． ５４００． ７２０２５． ６９２５． ６９１８０． ６５５２８３． ５０９２２４． ２５５３４１． ８２６３２２． ９５７４３０． ８７９ 平衡偏心块 ０． ５４０２５． ６９１８０． ６５５２２４． ２５５３２２． ９５７ 平衡轴组件 ０． ８１０８． １８２２６． ９７０７９３． ２５６８５２． ３４６ 注１．反相双激振器惯性圆锥破碎机;２．单激振器惯性圆锥破碎机 代入相关数据后可得转速４７６ r/min下, 反相 双激振器惯性圆锥破碎机与传统单激振器惯性圆锥 破碎机的等效破碎力Fcr１、Fcr２分别为１１０． ６９０ N、 １０２． ９９１ N, 振幅分别为０． ３９ mm、１． ２１ mm.强迫 振动的稳态振动随时间的变化如图４所示.理论 计算结果表明, 与单激振器惯性圆锥破碎机相比, 反相双激振器惯性圆锥破碎机的等效破碎力增大 了７． ４８％, 稳态振幅减小了６７． ７７％. １．反相双激振器惯性圆锥破碎机 ２．对照用单激振器惯性圆锥破碎机 图４ 破碎机水平方向的振动理论位移 Fig． ４ Theoretical vibraton displacement of crushers in horizontal direction 使用５E１０７电涡流位移传感器对样机机壳上一 点的振动位移进行测试, 振动测试装置如图５所示. 采用东华测试系统采集转速４７６ r/min下的 试验样机振动数据, 舍弃最开始不稳定的数据, 得 到样机稳定工作时的振动位移, 如图６所示.去掉 平衡机构的单激振器惯性圆锥破碎机的振动幅值 为１． ３ mm, 反相双激振器惯性圆锥破碎机的振动 幅值为０． ４３ mm, 机壳水平振幅减小了６６． ９２％, 与理论计算的基本相符.两者的破碎产物如图７ 所示, 图７a中没有太多的粗颗粒, 破碎产物的粒 度较为均匀, 破碎效果好; 图７b中的破碎产物粗 粒较多且粒径更大.这佐证了反相双激振器惯性 圆锥破碎机可在提高破碎效率的同时降低机体振 图５ 反相双激振器惯性圆锥破碎机振动实验 Fig． ５ Inverting double exciter inertia cone crusher vibration experiment １．反相双激振器惯性圆锥破碎机 ２．单激振器惯性圆锥破碎机 图６ 水平方向不同破碎机的振动实测位移 Fig． ６ Experimental vibration displacement of different crushers in horizontal direction 动, 与理论计算结果基本符合. 相同的转速下, 反相双激振器惯性圆锥破碎 机可以利用２块质量更小的偏心块达到比单激振 器惯性圆锥破碎机更佳的效果, 且大幅度降低了 机体的振动幅度, 取得了更好的动力学性能.通 过合理的设计与改进能进一步减小机体振幅, 使 反相双激振器惯性圆锥破碎机具有更小的结构质 量, 实现惯性圆锥破碎机的轻量化, 提高破碎作业 加工效率. �� ７０７２ �� 新型惯性圆锥破碎机的减振性能 任廷志 黄凯锋 程加远等 图７ 不同破碎机的破碎产物 Fig． ７ Crushing products under different crushers ４ 结论 １ 研制了一种可增大破碎力并实现总体动 平衡的反相双激振器惯性圆锥破碎机, 使用２个 质量更小的激振器来达到需要的破碎效果, 样机 试验证明反相双激振器惯性圆锥破碎机具有更高 的破碎效率. ２ 样机试验验证了反相双激振器惯性圆锥 破碎机的工作性能.与单激振器惯性圆锥破碎机 相比, 在具有大体相同的等效破碎力的前提下, 反 相双激振器惯性圆锥破碎机的水平圆周振动振幅 减小了６６． ９３％, 且具有更好的破碎效果. 参考文献 [１] 吴建明．四种世界先进圆锥破碎机的技术进展[J]． 金属矿山,２００８,９ 增刊 ９７-１０５． WU Jianming． Technical Progresses on Four Type of Advanced Cone Crusher in the World[J]． Metal Mine,２００８,９S ９７-１０５． [２] 夏晓鸥, 罗秀建．惯性圆锥破碎机[M]．北京 冶金工 业出版社,２０１５． XIA Xiaoou,LUOXiujian． Inertia Cone Crusher [M]． BeijingMetallurgical Industry Press,２０１５． [３] 沈阳有色冶金机械总厂．双激振器动平衡式惯性圆 锥破碎机 中国,００２１１３２９． ５[P]． ２００１-０２-１４． ShenyangNonferrous MetallurgicalMachinery Plant． Double Exciter Dynamic Balance Type Inertia Cone CrusherChina,００２１１３２９． ５[P]． ２００１-０２-１４． [４] BELOTSERKOVSKIY K． Inertia Cone Crusher and of Balancing such CrusherSE,１０５０７７１-３ [P]． ２０１０-０７-０９． [５] 唐威, 郑宝臣, 刘子河．惯性圆锥破碎机运动学和动 力学分析[J]．矿冶,１９９６３ ７２-８０． TANG Wei,ZHEN Baochen,LIU Zihe． Analysis on Kinematics and Dynamics of Inertia Cone Crusher [J]． Mining Metallurgy,１９９６３ ７２-８０． [６] SAVOV S,NEDYALKOV P,MININ I． Crushing Force Theoretical Examination in One Cone Inertial Crusher[J]． Journal of Multidisciplinary Engineer- ing Science and Technology,２０１５,２３ ４３０-４３７． [７] 魏海燕, 闻邦椿．惯性圆锥破碎机物料参振系统动力 学分析[J]．矿山机械,１９９９４ １８-１９． WEI Haiyan,WEN Bangchun． Research on the Dy- namics of Vibration System of an Inertia Cone Crusher[J]． Mining Equipment,１９９４４ １８-１９． [８] 陈帮, 夏晓鸥．惯性圆锥破碎机的非线性振动分析 [J]．稀有金属,２００６,１２ 增刊１ １０７-１１０． CHEN Bang,XIA Xiaoou． Analysis of Non-linear Vibration of Inertia Cone Crusher[J]． Chinese Jour- nal of Rare Metals,２００６,１２S１ １０７-１１０． [９] 刘树英, 韩清凯, 闻邦椿．考虑物料作用的复合同步 振动圆锥破碎机的动力学特性[J]．机械工程学报, ２００１,３７６ ８６-８９． LIU Shuying,HAN Qingkai,WEN Bangchun． Dy- namic Characteristics of Vibrating Cone Crusher with Compound Synchronization Considering Mate- rial’s Activity[J]． Chinese Journal of Mechanical Engineering,２００１ ,３７６ ８６-８９． [１０] 师汉民, 黄其柏．机械振动系统 分析��测试��建模�� 对策[M]．武汉 华中科技大学出版社, ２０１３． SHI Hanmin,HUANG Qibai． Vibration Systems Analysis Measurement Modeling Strategy[M]． WuhanHuazhong University of Science and Tech- nology Press,２０１３． [１１] 董钢, 范秀敏, 张曦, 等．基于层压破碎理论的圆锥 破碎机破碎力分析及运动学研究[J]．机械工程学 报,２０１０,４６１７ １５９-１６４． DONG Gang,FAN Xiumin,ZHANG Xi． et al． Crushing Force and Kinematics Analysis of Cone Crusher Based on Interparticle Breakage[J]． Chi- nese Journal of Mechanical Engineering,２０１０,４６ １７ １５９-１６４． [１２] 夏晓鸥, 蔡美峰．惯性圆锥破碎机的动力学特性分 析[J]．湖南科技大学学报 自然科学版 , ２００８,２３ ２ ２８-３１． XIA Xiaoou,CAI Meifeng． Dynamics Analysis of Inertia Cone Crusher[J]． Journal of Hunan Univer- sity of Sience TechnologyNatural Science Edi- tion ,２００８,２３２ ２８-３１． 编辑 张 洋 作者简介 任廷志, 男,１９６０年生, 教授、 博士研究生导师.研究 方向为现代传动机械学、 连铸过程数值模拟、 冶金机械设计及智 能化.发表论文８０余篇.E-mailrtz＠ysu． edu． cn.黄凯锋 通 信作者 , 男,１９９５年生, 硕士研究生.研究方向为机械设计及智 能化.E-mailxfeng_cyue＠foxmail． com. �� ８０７２ �� 中国机械工程 第３０卷 第２２期２０１９年１１月下半月