立軸沖擊破碎機(jī)轉(zhuǎn)子出料特性仿真實(shí)驗(yàn)

邢大偉，房懷英，楊建紅

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門361021）

立軸破起源于20世紀(jì)70年代的新西蘭，我國于20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)生產(chǎn)［1］.立軸沖擊式破碎機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、破碎腔、電機(jī)、傳動(dòng)裝置、主軸系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)組成［2］，廣泛適用于各種巖石、水泥熟料等多種硬脆物料，對(duì)建筑、筑路用砂尤為適宜［3］.立軸沖擊式破碎機(jī)核心技術(shù)和市場(chǎng)主要為國外大公司掌握，如Bamac，Metso及Sandvik等［4］.總體來說，由于理論研究不足，我國立軸沖擊破碎機(jī)在設(shè)計(jì)制造上與世界先進(jìn)水平有較大差距.對(duì)立軸沖擊式破碎機(jī)的研究主要集中在對(duì)轉(zhuǎn)子和破碎腔流場(chǎng)的研究［5－6］.王嵩等［7］對(duì)不同流道口數(shù)下的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了仿真分析，證明當(dāng)采用6個(gè)流道口安裝時(shí)，轉(zhuǎn)子對(duì)顆粒的加速效果最好.對(duì)荷蘭的Kyran Csteel制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，證明了同步轉(zhuǎn)子概念［8］.制砂過程中，石料經(jīng)常會(huì)在轉(zhuǎn)子中堆積，導(dǎo)致出料口堵塞或者從入料口溢出，對(duì)轉(zhuǎn)子以至于整個(gè)制砂系統(tǒng)的處理量產(chǎn)生很大影響，對(duì)穩(wěn)定性、安全性都有極大的危害.因此，本文通過對(duì)顆粒離散單元法建模［9］，研究出料口處數(shù)據(jù)采集區(qū)通過的物料數(shù)量及均勻性分布情況.

1 立軸破碎機(jī)仿真建模

1.1 破碎機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型的構(gòu)建

采用US7破碎機(jī)的轉(zhuǎn)子，主要部件包括流道板、分料盤、同步拋料錘、喂料環(huán)、耐磨板等.轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體模型，如圖1（a）所示.將轉(zhuǎn)子三維實(shí)體模型導(dǎo)入離散單元法分析軟件EDEM 中，離散單元分析的模型，如圖1（b）所示.為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，圓球形石料代替待破碎石料.

1.2 離散元仿真條件和約束參數(shù)的設(shè)定

將模型導(dǎo)入離散元仿真軟件中，設(shè)定顆粒與顆粒、顆粒與幾何體相互作用的物理屬性.沿z軸的重力加速度為－9.81m·s－2.按所查資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，設(shè)定轉(zhuǎn)子的材料為鋼鐵.鋼鐵料屬性泊松比為0.28，剪切模量為71MPa，密度為7 800kg·m－3.顆粒的材料屬性泊松比為0.2，剪切模量為50MPa，密度為2 640kg·m－3.顆粒與顆粒之間的材料恢復(fù)系數(shù)為0.1［10］，靜摩擦系數(shù)為0.545，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.01.顆粒與轉(zhuǎn)子之間的材料恢復(fù)系數(shù)為0.2，靜摩擦系數(shù)為0.5，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.01.為模擬實(shí)際工況，設(shè)定顆粒尺寸為0～13mm 的正態(tài)分布，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為831r·min－1.為了模擬實(shí)際生產(chǎn)中的進(jìn)料流［11］，創(chuàng)建一個(gè)與轉(zhuǎn)子同軸的圓柱體顆粒工廠，設(shè)定顆粒生成速度為55kg·s－1，仿真時(shí)間為10s.

圖1 破碎機(jī)轉(zhuǎn)子建模Fig.1 Model of the crusher rotor

2 仿真實(shí)驗(yàn)

物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子后，被分料盤均勻地分成多股料流，并進(jìn)入流道中［12］，在流道板上擠壓、研磨破碎，最終經(jīng)出料口甩出轉(zhuǎn)子.為了研究不同的轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)、落料參數(shù)和破碎機(jī)處理量特性關(guān)系，分別選取不同的分料盤高度、分料盤夾角、喂料環(huán)內(nèi)徑、落料高度進(jìn)行離散單元仿真，分析出料口采集區(qū)顆粒的分布位置和均勻性，進(jìn)而得出與破碎機(jī)處理量的特性關(guān)系.

2.1 出料口采集區(qū)域的設(shè)計(jì)

在出料口設(shè)計(jì)采集區(qū)域，單元區(qū)域的標(biāo)號(hào)從下到上依次為1～10.同時(shí)，讓采集單元格隨轉(zhuǎn)子同速轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒在流道板上分布的均勻性，如圖2所示.通過離散單元法仿真，統(tǒng)計(jì)每個(gè)采集區(qū)域通過顆粒的數(shù)量，找出顆粒在轉(zhuǎn)子出料口的分布規(guī)律.

圖2 出料口采集區(qū)域Fig.2 Collection area on discharging outlet

2.2 分料盤參數(shù)化仿真

在立軸沖擊式破碎機(jī)中，分料盤作為轉(zhuǎn)子內(nèi)部第一個(gè)接觸物料的部件，對(duì)物料起分流作用.分料盤的高度和夾角的改變對(duì)物料在流道板分布特性有較大影響，不同的分料盤高度使物料接觸到分料盤的速度不同，反彈力、擠壓力、摩擦力也會(huì)有所不同；不同的分料盤夾角使物料進(jìn)入流道的速度和角度不同，將影響顆粒通過的均勻性.

分料盤結(jié)構(gòu)，如圖3所示.當(dāng)分料盤夾角固定為20°，高度（h）為110，140，170，200，230mm 時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子拋料特性研究，如圖3（a）所示.h1保持不變，當(dāng)h為170mm，分料盤夾角（θ）為15°，20°，25°，30°，35°時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子的拋料特性研究，如圖3（b）所示.由圖3可知：頂部平面面積隨夾角增大而增大.

圖3 分料盤結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the material dispersing cone

不同分料盤高度下轉(zhuǎn)子出料口上顆粒分布情況，如圖4（a）所示；分料盤高度對(duì)轉(zhuǎn)子出料口顆粒分布均勻性的影響特性，如圖4（b）所示.由圖4（a）可知：當(dāng)分料盤高度較小時(shí)，顆粒在出料口拋出的位置較低，大部分顆粒從出料口的下半部分拋出；隨著分料盤高度的增加，顆粒在出料口拋出的位置整體上移，接觸流道板的初始高度也增加，之后，在離心力、摩擦力、重力、壓力等合力的作用下，緊貼著流道板快速向轉(zhuǎn)子外緣運(yùn)動(dòng).顆粒分布的均勻性隨分料盤高度的增加先變優(yōu)后變差，從仿真結(jié)果來看，選擇170mm 左右分料盤高度能使大部分顆粒從出料口中部拋出，且均勻性較好.

圖4 分料盤高度對(duì)顆粒分布的影響Fig.4 Influence of the material dispersing cone height on particle distribution

分料盤夾角對(duì)轉(zhuǎn)子拋料特性的影響，如圖5所示.不同分料盤夾角下轉(zhuǎn)子出料口上顆粒分布情況，如圖5（a）所示.分料盤夾角對(duì)轉(zhuǎn)子出料口顆粒分布均勻性的影響特性，如圖5（b）所示.由圖5（a）可知：顆粒在4，5采集區(qū)域通過的顆粒數(shù)最多；在1，10采集區(qū)域通過的顆粒數(shù)最少；分料盤夾角的變化對(duì)顆粒在出料口的分布情況影響較小.跟蹤單顆物料顆粒和物料流的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)現(xiàn)：物料在重力的作用下，以近鉛垂的方向撞向分料盤，撞到分料盤上的大部分物料幾乎無法反彈，而是在離心力、壓力、摩擦力、重力等作用下直接在分料盤表面上分流.

在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，分料盤的夾角越小，分料盤的頂部平面則越小，斜面面積越大.增大的斜面面積有助于分料盤上物料的分流，提高轉(zhuǎn)子的物料處理量.小部分沒有受到后續(xù)物料加入影響的物料，撞擊到分料盤斜面后反彈，分料盤夾角越小，反彈到流道板上的豎直高度越大，使得通過出料口上部的顆粒數(shù)增多，拋出顆粒在出料口上分布的均勻性越好.由圖5（b）可知：隨著分料盤夾角的增大，顆粒在出料口分布的均勻性變差.

圖5 分料盤夾角對(duì)顆粒分布的影響Fig.5 Influence of the material dispersing cone angle on particle distribution

2.3 落料特性參數(shù)化仿真

喂料環(huán)內(nèi)徑參數(shù)，如圖6（a）所示.圖6（a）中：外徑為480mm；內(nèi)徑（D）分別為200，250，300，350，400mm；分料盤錐底直徑395mm；分料盤夾角為20°.落料高度參數(shù)（H），如圖6（b）所示.圖6（b）中：高度為660，860，1 060，1 260，1 460mm.

在分料盤結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)，物料通過喂料環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)子，不同的料流截面與分料盤的相對(duì)面積發(fā)生變化，影響物料在分料盤上的反彈情況和分流效果；不同的落料高度直接影響物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)的速度，較高的落料高度導(dǎo)致顆粒與顆粒，顆粒與轉(zhuǎn)子的撞擊、干涉、擠壓更強(qiáng)烈，直接影響顆粒分布均勻性.

圖6 落料特性參數(shù)Fig.6 Feeding parameters

喂料環(huán)內(nèi)徑影響特性，如圖7所示.由圖7（a）可知：喂料環(huán)內(nèi)徑的改變對(duì)顆粒在出料口處的整體分布趨勢(shì)影響不大，多數(shù)物料分布在3～6采集區(qū)內(nèi).由圖7（b）可知：顆粒分布的均勻性會(huì)隨喂料環(huán)內(nèi)徑的增加，先減小后增大.

圖7 喂料環(huán)內(nèi)徑對(duì)顆粒分布的影響Fig.7 Influence of the feeding ring inner diameter on particle distribution

圖8 顆粒反彈路徑Fig.8 Rebound paths of the particles

顆粒反彈路徑圖，如圖8所示.圖8中：分料盤頂部平面直徑為120.25mm.由圖8可知：當(dāng)喂料環(huán)內(nèi)徑較小時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)子的物料多數(shù)接觸分料盤的頂部平面，并受到后續(xù)進(jìn)料的干涉，無法反彈，進(jìn)入轉(zhuǎn)子的物料與分料盤接觸的斜面面積小，不利于物料的分流；隨著喂料環(huán)內(nèi)徑的增大，與分料盤的頂部平面接觸的物料比例下降，可以反彈的物料比例增多，而斜面反彈點(diǎn)的高度降低（A，B 點(diǎn)所示），料流可接觸的分料盤斜面面積增大，促進(jìn)與分料盤接觸料流的分流，提高物料分布的均勻性.

反彈后撞到流道板上的初始高度下降（C，D兩點(diǎn)所示），從而造成了圖7（a）中隨著喂料環(huán)內(nèi)徑增大，出料口下部顆粒數(shù)增多，上部顆粒數(shù)減小的現(xiàn)象.當(dāng)喂料環(huán)內(nèi)徑增大到400mm 時(shí)，料流與分料盤接觸點(diǎn)高度進(jìn)一步降低，出料口上部顆粒數(shù)減小，且此時(shí)料流截面大于分料盤的直徑，分料盤底部堆料嚴(yán)重，出料口物料分布均勻性急劇下降，從仿真的數(shù)據(jù)來看，應(yīng)取300mm 左右的喂料環(huán)內(nèi)徑.

不同落料高度下，顆粒在出料口上的分布情況，如圖9所示.由圖9（a）可知：顆粒在出料口中間區(qū)域通過的顆粒數(shù)較多.不斷進(jìn)入轉(zhuǎn)子的顆粒會(huì)對(duì)已經(jīng)接觸到分料盤的顆粒產(chǎn)生擠壓，最終使顆粒沿著分料盤的斜面運(yùn)動(dòng).隨著高度的增加，這種擠壓作用越強(qiáng)烈，從而出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果中隨落料高度的增加，出料口上顆粒分布整體下移，上部顆粒少的現(xiàn)象.由圖9（b）可知：顆粒在出料口分布的波動(dòng)性增大，但在仿真參數(shù)內(nèi)，顆粒分布均勻性增大值小于5%，因此，可以忽略不計(jì).

圖9 落料高度對(duì)顆粒分布的影響Fig.9 Influence of the feeding height on particle distribution

3 拋料特性對(duì)處理量的影響

物料被轉(zhuǎn)子拋出后，在破碎室內(nèi)形成物料襯層.在出料口上，分布位置和均勻性的不同，直接影響物料到達(dá)破碎腔內(nèi)壁后形成物料襯層的形狀和質(zhì)量，影響顆粒撞擊到破碎腔內(nèi)壁后反彈的速度大小和方向，進(jìn)一步對(duì)同步拋料錘的二次破碎和整形產(chǎn)生作用，最終影響破碎效果和破碎機(jī)處理量.

不同落料高度下顆粒在出料口上的分布情況，如圖10所示.當(dāng)物料從轉(zhuǎn)子出料口拋出的位置偏上、均勻性較差時(shí)，物料在破碎腔內(nèi)會(huì)形成物料襯層，如圖10（a）所示.此時(shí)的物料襯層上部大、下部小，后續(xù)拋射進(jìn)入的物料經(jīng)物料襯層整體向下部反彈，造成同步拋料錘的二次破碎的效果不佳，且大量物料會(huì)堆積在出料整形區(qū).同時(shí)，物料襯層也容易坍塌，不利于對(duì)物料的整形和物料的下落，影響處理量，如圖10（b）所示.當(dāng)物料從轉(zhuǎn)子出料口拋出的位置適中、均勻性較優(yōu)時(shí)，形成的物料襯層較為均勻，質(zhì)量高.此時(shí)，顆粒經(jīng)反彈后的路徑分散，能充分發(fā)揮同步拋料錘的二次破碎功能，在出料整形區(qū)對(duì)物料進(jìn)行有效地研磨整形，有助于物料的下落，提高處理量.當(dāng)物料從轉(zhuǎn)子出料口拋出的位置偏下、均勻性較差時(shí)，物料在破碎腔內(nèi)會(huì)形成物料襯層，如圖10（c）所示.大量的顆粒堆積在破碎腔下部，降低了同步拋料錘在出料整形區(qū)的整形效果，不利于物料的下落，嚴(yán)重影響處理量，甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子堵塞，引發(fā)安全事故.因此，當(dāng)物料從轉(zhuǎn)子出料口拋出的位置適中、均勻性較優(yōu)時(shí)，能提升破碎機(jī)處理量.

圖10 破碎腔內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)特性Fig.10 Motion characteristics of the particles in crushing chamber

4 結(jié)論

以提高破碎機(jī)處理量為研究目標(biāo)，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和落料特性進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建沖擊破碎機(jī)轉(zhuǎn)子仿真模型.基于離散單元法，分析顆粒在出料口的分布特性.仿真研究了分料盤高度、分料盤夾角、喂料環(huán)內(nèi)徑、落料高度與出料口顆粒分布特性的關(guān)系，可以得出以下4種結(jié)論.1）隨著分料盤高度增加，轉(zhuǎn)子處理量也相應(yīng)提高；當(dāng)提高到一定高度時(shí)，出現(xiàn)峰值，之后，則呈下降趨勢(shì).2）增加分料盤夾角會(huì)降低轉(zhuǎn)子出料特性，影響處理量.3）隨著喂料環(huán)內(nèi)徑的增加，轉(zhuǎn)子的處理量相應(yīng)得到提高，增加到某一尺寸時(shí)，出現(xiàn)峰值，之后，呈下降趨勢(shì).4）不宜通過提升落料高度優(yōu)化轉(zhuǎn)子的處理量.

仿真研究生產(chǎn)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子出料特性的影響規(guī)律，以提高破碎機(jī)處理量為目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)參數(shù)，為立軸沖擊式破碎機(jī)的研究提供借鑒.

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