PCKF1825可逆雙反擊錘式破碎機回轉(zhuǎn)部的優(yōu)化設(shè)計

趙冬博 李 樂

(北方重工富勒(沈陽)礦業(yè)有限公司)

PCKF1825可逆雙反擊錘式破碎機是一種新型的破碎設(shè)備，回轉(zhuǎn)部是其關(guān)鍵部件，盡管該設(shè)備與傳統(tǒng)PC型錘式破碎機相比有諸多優(yōu)勢，但在實際使用中也存在錘頭、錘柄組件更換率高，錘盤磨損嚴重等問題，這給設(shè)備的使用效率和經(jīng)濟效益帶來直接影響。為解決上述問題，運用Solidworks軟件對設(shè)備回轉(zhuǎn)部進行了優(yōu)化設(shè)計和主軸校核。優(yōu)化后的設(shè)備在投入使用后，提高了整體性能，滿足了設(shè)計和工作要求。

1 PCKF1825可逆雙反擊錘式破碎機

PCKF1825可逆雙反擊錘式破碎機(以下簡稱：PCKF1825錘破)破碎原理是物料通過錘頭組件的高速旋轉(zhuǎn)將其打擊，在經(jīng)歷兩次破碎后進入主破碎腔，高速沖向左右兩側(cè)的鋸齒形齒板，通過被錘頭和齒板的反復(fù)破碎，最后從出料口排出，完成破碎。設(shè)備主要由破碎機主體、電動機、液力偶合器及液壓站等組成。破碎機主體主要由中箱體、側(cè)箱體、底座部及回轉(zhuǎn)部組成。

回轉(zhuǎn)部(見圖1)是整臺設(shè)備的核心部分，主要由主軸、錘盤、錘頭組件及軸承座等組成。其回轉(zhuǎn)部采用大轉(zhuǎn)子多錘頭，電機為高速度。同樣的電機功率，當轉(zhuǎn)子直徑加大時，其線速度加快，從而可加大打擊力度，提高破碎能力，節(jié)省能源。主軸的兩端支撐在軸承座上，軸承選用專用軸承，可自動調(diào)心，能承受較大的動載荷和震動。軸上固定有許多錘盤，在錘盤之間通過錘柄銷軸連接錘頭組件，錘頭組件由錘頭、錘柄、錘頭軸、錘柄軸等組合而成。錘頭采用了特種耐磨合金材料制成，安裝好的錘柄、錘頭可正反兩面使用。回轉(zhuǎn)部是可逆的，當一側(cè)錘頭與反擊板磨損過大時，可使轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，利用錘頭與反擊板的另一面工作，盡可能的延長使用壽命。

圖1 原回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)示意

2 優(yōu)化設(shè)計的必要性

盡管PCKF1825錘破與傳統(tǒng)PC型錘式破碎機相比有諸多優(yōu)勢，例如采用由特種耐磨合金材料制造的鋸形齒板和錘頭，金屬利用率高；可逆的回轉(zhuǎn)部，具備高轉(zhuǎn)速、大破碎比、能耗低的性能，可以正反轉(zhuǎn)進行工作，提高了錘頭和齒板的利用率，延長了其使用壽命；左、右箱體下部的偏心調(diào)節(jié)器使破碎腔內(nèi)部左右箱體同步變化，克服了分點調(diào)節(jié)因錯位而引起的同側(cè)箱體間隙不均，保證出料細度均勻，提高出料細度百分率等特點；但在設(shè)備實際投入使用后，尤其是在破碎鐵礦石的過程中，出現(xiàn)了以下問題：

(1)錘頭組件磨損很快。錘頭組件(見圖2)是錘式破碎機最為關(guān)鍵的零部件之一，PCKF1825錘破原設(shè)計所采用的是組合式的錘頭，由錘頭、錘柄和銷軸等零件組成，其中錘柄是焊接件，是連接錘盤和錘頭的重要部件。盡管錘頭的材質(zhì)是耐磨合金，但在破碎物料過程中，尤其是破碎鐵礦石時，即便礦石硬度為中等硬度，錘頭組件的磨損率依然很高。按設(shè)備每天平均工作16 h計算，大概4～5 d就要將1臺份(共計104個)錘頭組件全部更換1次，更換至少需要1～2 d。在更換的同時還需要對錘頭組件進行配裝，個別錘頭組件還需要打磨修整。

圖2 原錘頭組件結(jié)構(gòu)示意

錘頭組件磨損率過高的主要原因是錘柄，因為錘柄是焊接件，耐磨性不高，而其本身又是連接錘盤和錘頭的主要部件，所以在破碎物料的過程中，錘柄的磨損在所難免，而且錘柄的過度磨損直接影響錘頭對破碎物料的使用效率及性能，同時也無法給錘頭良好的支撐。尤其是當錘柄磨損率達到某一程度時，將無法固定和支撐錘頭，在轉(zhuǎn)子極大的慣性力作用下，錘頭很可能受到離心力的作用，脫離錘柄，隨慣性飛出，在破碎機腔內(nèi)不規(guī)則運動，對設(shè)備生產(chǎn)安全和使用壽命產(chǎn)生嚴重影響。此外，錘頭的磨損使其有效的打擊面積變小，在運轉(zhuǎn)中不能對物料進行充分的打擊破碎和對錘盤及主軸進行有效的保護。

(2)錘盤磨損嚴重。對于磨損的問題不止于錘頭組件，錘盤的磨損也同樣存在，尤其是錘盤的外圓，PCKF1825錘破破碎腔有效長度為2 458 mm，在該跨度中均勻分布27個錘盤，錘盤直徑為800 mm，單個錘盤的厚度為40 mm，兩個錘盤之間圓周方向均布4個錘頭組件，整個回轉(zhuǎn)部的錘頭交叉排列。雖然設(shè)備運行時回轉(zhuǎn)部是高速運轉(zhuǎn)的，物料在破碎腔內(nèi)受到錘頭的打擊破碎，但也有部分物料在受到打擊產(chǎn)生反彈之后會不規(guī)則的打擊到錘盤外圓，錘盤外徑與左、右箱體最小距離至少有500 mm，給物料足夠的勢能和打擊空間，再加上物料被打擊到齒板之后所產(chǎn)生的反彈力，這對于普通碳鋼材質(zhì)的錘盤是極大的沖擊，尤其對錘盤外圓更是造成嚴重的磨損。原設(shè)計并未充分考慮上述幾點，也未針對錘盤外圓進行有效的耐磨保護，進而造成錘盤外圓磨損嚴重。原錘盤結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 原錘盤結(jié)構(gòu)示意

3 改進方式及優(yōu)化設(shè)計

通過對上述問題的分析、研究與總結(jié)，決定對PCKF1825錘破回轉(zhuǎn)部進行針對性的優(yōu)化設(shè)計。在保證左、右箱體所組成的破碎腔空間尺寸不變的情況下進行改進優(yōu)化。

3.1 錘頭的改進和優(yōu)化設(shè)計

將原來的組合式錘頭改為一體式錘頭，取消不耐磨的焊接錘柄。同時，加大錘頭的外廓尺寸，增加破碎的有效面積，提高錘頭整體的耐磨性，通過對鑄造工藝的研究，在鑄造時加入磁性元素，使新型錘頭表面呈弱磁性，這樣在破碎鐵礦石時，物料粉末就可被吸附在錘頭上，對錘頭進行有效的保護。

通過理論設(shè)計和設(shè)備實際運行情況分析，新錘頭(見圖4)采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，錘頭厚度由90 mm增加到110 mm，整體長度變短至390 mm。將錘頭設(shè)計變短的原因主要是：降低錘頭受到離心力和慣性力矩的影響，提高錘頭的運轉(zhuǎn)安全性；降低更換錘頭的時間和經(jīng)濟成本。通過計算和SolidWorks模擬分析，對錘頭的質(zhì)量和打擊平衡中心進行了重新計算，同時保留原錘柄位置的限位塊設(shè)計，錘頭重量由39 kg降至29 kg。

改進后的錘頭外廓尺寸更大，破碎物料的有效面積更大，取消錘柄、銷軸等零件，也避免了錘柄的不耐磨和銷軸因受到循環(huán)應(yīng)力而產(chǎn)生松動或斷裂[1]。使錘頭的耐磨性、安全性、使用壽命都有所提高，同時對錘盤也起到了更好的保護作用。

圖4 改進后錘頭結(jié)構(gòu)示意

3.2 錘盤的改進和優(yōu)化設(shè)計

在回轉(zhuǎn)部整體外徑保持不變的基礎(chǔ)上，由于錘頭整體變短，所以錘盤外徑相應(yīng)增加，由φ800 mm增加到φ1 125 mm，進一步減小了物料在破碎腔內(nèi)對錘盤的打擊空間，使物料在更合理的破碎腔空間內(nèi)被高效破碎。改進后的左、右兩端的錘盤(見圖5)厚度由40 mm變?yōu)?5 mm，中間錘盤(見圖6)厚度由40 mm變?yōu)?3 mm，圖5、圖6中錘盤圓周黑色邊緣部分是在錘盤外圓堆焊耐磨層[2]，堆焊厚度約為5 mm，目的是為了保護錘盤，提高耐磨性。

圖5 端部錘盤結(jié)構(gòu)示意

圖6 中間錘盤結(jié)構(gòu)示意

3.3 回轉(zhuǎn)部整體改進和優(yōu)化設(shè)計

在對回轉(zhuǎn)部兩個主要零件改進后，再將錘盤、錘頭進行重新布置，由于錘頭的外廓尺寸加大，錘盤的厚度也有所變化，所以在保證主軸整體裝配長度不變的情況下，將錘盤間距由53 mm變?yōu)?1 mm，錘盤總數(shù)由原來的27件/臺變?yōu)?6件/臺，錘頭數(shù)量由原來的104件/臺變?yōu)?00件/臺。其次，由于錘盤外徑的增大，在裝配過程中，為保證各錘盤之間的間距及垂直度，在每兩個錘盤之間增加1個支撐隔套。支撐隔套的固定方式是將隔套一端采用斷續(xù)焊的方式與錘盤焊成一體裝配在主軸上[3]。改進后的回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)示意見圖7。

3.4 利用Solidworks校核主軸

在對回轉(zhuǎn)部優(yōu)化設(shè)計后，雖然整體結(jié)構(gòu)形式變化不大，但主要零部件的尺寸、重量、數(shù)量等參數(shù)均有所改變，這些參數(shù)的改變對主軸的強度產(chǎn)生了一定的影響，使主軸承受的總載荷有所增加。原回轉(zhuǎn)部主軸上承載的部件總重為8 143 kg，改進后總重增加至 9 583 kg，總載荷增加了約18個百分點。

圖7 改進后的回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)示意

運用Solidworks對主軸進行模擬分析，在固定主軸兩端軸承座位置的圓柱面后，對主軸的主要承載表面均布施加一個100 kN的外部載荷，然后通過Solidworks對主軸進行強度運算，得出結(jié)果。運算主要考察主軸的應(yīng)力、位移及應(yīng)變情況，看其是否仍滿足設(shè)計要求。運算結(jié)果見圖8。

由運算結(jié)果可知，主軸的最大應(yīng)力為 4.56 MPa，最大位移量為0.011 mm，最大應(yīng)變?yōu)?1.3×10-5。由于主軸材質(zhì)為45號鋼，調(diào)質(zhì)后的抗拉強度為590 MPa，根據(jù)軸的材質(zhì)和抗拉強度，查詢機械設(shè)計手冊[4]得其許用應(yīng)力為95 MPa。主軸的最大應(yīng)力遠小于其許用應(yīng)力，最大位移和最大應(yīng)變對主軸及回轉(zhuǎn)部的整體影響也極小，基本可忽略不計，故主軸仍滿足設(shè)計和工作要求。

4 結(jié) 論

(1)通過對PCKF1825可逆雙反擊錘式破碎機回轉(zhuǎn)部的性能研究，結(jié)合設(shè)備在實際運行中回轉(zhuǎn)部錘頭、錘盤等部件出現(xiàn)的問題，運用Solidworks三維軟件建立模型，對回轉(zhuǎn)部、錘頭、錘盤進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計，對改進后主軸重新校核，確認仍滿足設(shè)計和工作要求。

圖8 主軸強度校核

(2)采用一體化高強度錘頭、錘盤堆焊耐磨層等設(shè)計方案使部件的耐磨性和抗沖擊性均有很大改善，提高了PCKF1825可逆雙反擊錘式破碎機的技術(shù)性能。

(3)據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用情況反饋，改進后錘頭平均使用壽命由5 d增至近20 d，錘盤磨損情況有了根本性改善，更換錘頭的次數(shù)和更換時長也明顯降低，設(shè)備運行時間和使用效率明顯提高，降低了維護成本和更換部件所產(chǎn)生的費用，提高了經(jīng)濟效益。