圆锥破碎机腔设计及优化

刘　洋,何宇兵（北方重工集团有限公司,沈阳　110141）



圆锥破碎机腔设计及优化

刘洋,何宇兵
（北方重工集团有限公司,沈阳110141）

摘 要：冶金矿山工业生产中，圆锥破碎机是其重要的设备。其主要作用是将散体物料进行粉碎。随着经济的发展科学技术水平的不断提升，圆锥破碎机在原有的技术水平上有了进一步的提升。但是由于其设计目标多数仿制国外的设计样式，同时设计水平多停留在一代或是二代水平上，导致很多破碎机的外形庞大，设计比较保守，相对于国外先进的机器设备，消耗的能源较多，但是产生的效率却很低。文章针对目前我国圆锥破碎机的现状进行分析研究，找出其中存在的问题，并针对新的圆锥破碎机，机腔内的新设计目标和优化方法提出自身的意见和建议，希望能够给我国的圆锥破碎机设备的生产和发展提供一点借鉴。

关键词：圆锥破碎机；多目标优化；腔型结构；产品粒度；生产能力

0　前言

随着经济的发展科学技术水平的提升，大型机械设备不断应用到生产中，大大解放了劳动力，同时提升了生产效率，提高经济效益。在社会大生产过程中采用机械设备已经成为社会生产发展的必然。冶金工业中使用的圆锥破碎机是我们常见的大型机械设备。其主要作用就是，将散体物料进行规定性的粉碎，其用图在冶金工业中占有重要作用。圆锥破碎机生产设备最初是出现在工业比较发达的国家，随着我国冶金工业的发展，我国开始仿制国外的圆锥破碎机，由于生产机械设备的能力有限仿制的水平较低，只能仿制生产出国外比较低端的圆锥破碎机，这就使得很多圆锥破碎机的体型比较笨重，设备生产过程中消耗的能源较大，同时生产出的粉粒物料也很不标准。随着经济的发展市场需求的加大，冶金工业的发展需要进行迅速的改进，其中以设备改进为主的改革行动至关重要。下文就我国生产的圆锥破碎机的设计构思进行研究和分析。同时针对圆锥破碎机机腔的设计结构提出相应的设计改进方法，大大提升了我国自主研制的圆锥破碎机工作运行的性能。

1　圆锥破碎机腔型研究的现状

对于圆锥破碎机来说，其机腔的工作原理比较简单主要是由两个衬板组成的即动锥衬板和定锥衬板。这两个组件组成了圆锥机腔的主要设备空间，同时这也是机腔内部放置物料的主要空间。由于圆锥破碎机机腔的形状关系到破碎机的生产效率，因此我们必须要认真的了解圆锥破碎机机腔的设计形状。设计出合理科学的圆锥破碎机机腔形状，提供工作效率，降低破损能耗。对于国外发达国家很早就进行了圆锥破碎机机腔形状的研究，很多发达国家的圆锥破碎机机腔已经实现层压式破碎腔型，这种形式的腔型能够很好的将粉料中的小颗粒进行破碎。还有一些发达国家将圆锥破碎机的腔型进行了仿真优化设计，大大提升了设备的能效。我国对于圆锥破碎机的机腔的设计也进行了大胆的研究和创新，设计研究的旋回式机腔运行生产效率剖面图，能够比较清晰的分析腔内各个截面圆锥破碎机的工作效率。目前我国圆锥破碎机在研究的过程中存在很多的不利因素。例如很多学者的缺乏大胆创新的心态很多设计，仍旧沿用传统的折现形式，腔型的设计参数与腔型工作效率没有进行紧密的联系。这些都阻碍了圆锥破碎机机腔研究的进一步发展。

2　圆锥破碎机的工作原理

2.1圆锥破碎机的分类

对于圆锥破碎机来说其设计制造的形式主要有三种，一种为悬挂式、一种为托轴式、一种为振动式。按照破碎机的加工物料的粗细可以将其分成粗碎和中细碎两种。对于加工粗料的圆锥破碎机来说，由于其加工的物料块较大，因此破碎机的进料口要求比较宽大，这种破碎机一般被称为旋回破碎机。其动锥是正置的，而其定锥是倒置的。加工细料的破碎机主要被称为常规破碎机。其加工的物料块主要是经过粗步粉碎过的。其进料口的尺寸也要求不大，但对于卸料口则有要求，在原有的基础上对卸料口进行加大处理，提高生产能力。细料圆锥破碎机的定锥和动锥都是正置的。

2.2圆锥破碎机的工作原理

圆锥破碎机的工作原理主要是通过定锥和动锥以及进动角度相互间的运动共同组成。将物料放进机腔内，动锥按照进动角度在机腔与定锥间进行挤压运动，将物料进行挤压。这一运动的规律是很定的。动锥与定锥的距离也是动锥的额定摆动进行周期性的变化。然后通过定锥的振动将物料输送到出料口。

圆锥破碎机的性能与机腔的几何形状联系密切，一个科学合理的几何腔型将会大大提升圆锥破碎机的工作效率，同时对于腔内的参数以及物料自身的性质也存在一定联系。通过圆锥破碎机的腔径截面我们能够看到动锥沿着定锥的中心线作悬摆运动。当石料被挤压到应力的临界点时，开始粉碎。进而通过动锥的运动产生的振动通过机腔。

3　圆锥破碎机破碎腔的优化模型

对于机械来说，他们都是在吸收外部动力的前提进行做工。一台完整的机械都需要由三部组成主要包括，传统部分、动力部分、以及做工部分。对于圆锥破碎机来说其做工部分主要是破碎机腔。通过机腔的做工将物料进行粉碎。因此破碎机腔设计的优劣直接影响设备的做工效率的大小。另外对于物料的自身特性也存在一定的联系。为此我们要想提高设备的工作效率，提升破碎机的生产能力就必须对破碎机的机腔进行优化设计。

3.1破碎腔结构与通过能力的关系

3.1.1圆锥破碎机的通过能力

圆锥破碎机的通过能力是指物料粉碎后在指定区域的通过量。圆锥破碎机的物料通过能力与其生产能力的大小息息相关。良好的物料通过能力是保证其生产能力的关键。如果某台圆锥破碎机的通过能力降低。这就说明圆锥破碎机的生产能力需要进一步提升。对于圆锥破碎机的机腔内部的参数也要进行相应的调整，保证其机腔内部的空间结构合理。

3.1.2腔型结构与通过能力的关系

圆锥破碎机在运行的过程中主要是将破碎机腔内部的矿石进行挤压粉碎，达到一定的直径标准颗粒在挤压完成后通过机腔。这一过程中腔型的结构与矿石子的通过能力存在密切的联系。如果腔型中的两个区域的腔型参数值不同，在一个区域发生了物料的阻塞，那么下一区域的物料就要进行等待，这一过程中不仅影响了物料的通过能力，同时也给停滞的物料以过多的挤压时间导致出现物料的颗粒变小甚至出现碎末现象。在实际的研究中我们发现设计一款理想的入口平衡型的机腔存在极大的困难，首先受到破碎机高度的限制，其次理想的符合入口平衡型的腔型也是不存在的，因此我们只能试图设计出近乎理想型的机腔腔型。

3.2传统与现代破碎机腔型设计的观点

（1）传统的圆锥破碎机机腔的设计多数是仿制了国外发达国家一代，二代圆锥破碎机机腔的设计结构和形式。由于这些机器的设计是圆锥破碎机设计的探索阶段，因此设计水平较低，使用性能不佳。一般来说传统的圆锥破碎机的机腔内部设计准则采用单物料进行腔内破碎，通过这种破碎方式我们生产出的物料形状多数是针片状的形式。同时这种生产模式生产效率极低，在相同的条件下消耗的能源较多。无法满足现代化的生产需要。

现代化的经过改进后的圆锥破碎机其工作的效率得到大大的提升。在传统设计的基础上进行大胆的改进，从单物料的挤压破碎准则上升到颗粒间的层压破碎原理。在这一过程中，进入机腔内部的物料不仅受到动锥与定锥循环运动的挤压，同时物料间也在进行挤压破碎，这就大大提升破碎的效率。这一过程中我们就需要对物料的破碎方式进行了解。

（2）产品粒度控制的方式。传统的圆锥破碎机的设计受到实际生产经验的影响，很多设计受到国外设计理念的影响。例如，对于产品粒度与粒型的控制主要利用物料通过平行区进行控制。这一过程中传统圆锥破碎机采用单物料破碎，这就导致物料在生产中要经过平行区域进行进一步的筛选，将不合格的物料进行进一步的挤压筛选。这个过程中就增加了平行区的长度，降低了机械的生产能力。同时耗费过多的能源。

现代高性能圆锥破碎机采用层压破碎原理进行物料的挤压。对于现代圆锥破碎机来说其工作中的粒度的控制不仅仅取决于平行区域的长度，破碎腔的排料口也是十分重要的。另外圆锥破碎机机腔内部的物料间也在进行相互的挤压进行破碎作业。这就保证破碎作业的效率。增加破碎区段的参数可以提升物料破碎的概率，大大提升圆锥破碎机的生产能力。当我们在设计的过程中认识到这一点我们就可以很好的控制产品粒度，提升生产效率。

3.3腔型设计的多目标优化模型

3.3.1影响性能的关键因素

（1）破碎机性能因素。对于破碎机性能指标来说,其生产能力与破碎产品粒度是一对矛盾体。工作性能因素是通过影响破碎机生产能力进而影响破碎机产品粒度。动锥摆动速度越大,物料通过破碎腔时所受冲击次数越大,物料粒度越整齐,但转速过大,物料生产能力下降;动锥摆动速度越小,不但破碎产品粒度变坏,破碎机生产能力也下降,故动锥摆动速度存在一个最佳值。在破碎机腔型结构参数确定的前提下,进动角决定破碎机偏心距。。进动角越大,物料在破碎腔中受到更大冲击,粉碎效果改善,同时对物料运动学性能有利,破碎机生产能力提高。

（2）腔型结构因素。破碎机结构因素主要是破碎腔型结构参数。在工作性能参数确定的前提下,破碎腔型对破碎产品粒度有决定性影响。平行区长度和排料口尺寸是为检查物料是否粉碎到用户要求粒度而设计的,同时也是影响破碎机生产能力的关键因素之一。平行区越长,产品粒度改善,但破碎机生产能力下降,平行区越短,粒度变坏。

（3）破碎机操作因素。圆锥破碎机在进行操作的过程中受到一定因素的影响。包括给料的状况，给料粒度分布情况，给料是否充分等等。破碎机工作时必须满足充分给料,若给料不充分,则破碎机会出现待料现象,影响破碎机的生产能力。给料物料粒度分布均匀可以使破碎机工作时实现层压破碎。若给料粒度相差很大,将影响破碎产品的粒度。破碎机工作时若能满足均匀给料,则破碎机破碎力分布合理,衬板磨损均匀,有利于发挥破碎机的最大工作性能。

3.4多目标优化模型

3.4.1主要目标法

主要目标法的思想是抓住多目标优化的主要目标函数,兼顾其他目标要求。本文对多目标函数优化问题的求解可以采用主要目标法。求解时从多目标函数中选择一个最重要的目标函数作为多目标规划的目标函数,而其它目标函数只需要满足一定要求即可。为此,可将其它目标转化为约束条件,用约束条件的形式来保证其它目标不致太差。这样处理后,就成为单目标优化问题。

3.4.2统一目标法

统一目标法又称综合目标法。它是将原多目标优化问题,通过一定方法转化为统一目标函数或综合目标函数作为该多目标优化问题的评价函数,然后用的单目标函数优化方法求解。转化的方法主要有线性加权和法,极大极小法,理想点法与平方和加权法,分目标乘除法以及功效系数法。

3.4.3协调曲线法

这种方法主要是用来解决设计目标相互矛盾的多目标优化设计问题,使其得到综合协调的优化解。基本思路是:作出各设计目标全部最佳方案的调整曲线作为协调曲线,建立衡量设计方案满意程度准则,由此找出协调曲线上最满意的设计方案点作为原问题优化解。

4　结语

总而言之，随着经济的发展科学技术的进步现代化的生产方式越来越需要大型的机械设备进行密切的配合，保证产品质量的同时，提升生产效率为企业的发展创造更大的经济利益。圆锥破碎机是我国在仿制国外破碎机的基础上进行设计研究的，由于传统技术水平较低，传统的圆锥破碎机的功效低，消耗的能源较大给企业的发展带来巨大的负担。现代圆锥破碎机在传统的设计理念下进行大胆的创新和研究，在机腔的内部结构上进行系统的分析，找出问题并进行了改进，提高了产品的质量，提升了生产效率为我国的经济发展打下了坚实的技术设备基础。

参考文献：

[1]朗宝贤.圆锥破碎机[M].北京:机械工业出版社,1998.

[2]孙时元等.中国选矿设备手册(上册).北京:科学出版社,2006.

[3]秦志任,容幸福,徐希民.复摆颗式破碎机破碎腔型的设计及优化[J].太原重型机械学院学报,1992(02):28-34.

[4]丁培洪,王宏勋,朱俊利.高效颗式破碎机的研究[J].北京矿冶研究总院学报,1992,1(0l).

作者简介：刘洋（1985-），男，黑龙江哈尔滨人，本科，工程师，研究方向：矿用球磨机，破碎机优化设计对矿山产量影响。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.034