環(huán)錘式碎煤機的選型設計

張智榮

臨汾職業(yè)技術(shù)學院，山西 臨汾041000

破碎機是指通過外力將大顆粒轉(zhuǎn)變成小顆粒材料過程中使用的相應裝置，主要應用于礦山，煤炭、水泥、建筑、建材、公路和化工等等行業(yè).在深化國家城鎮(zhèn)化建設的前提下，加工效率大大提高，對破碎設備提出了更高的要求.同時，在國內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)基礎(chǔ)設施大發(fā)展的推動下，市場對破碎產(chǎn)品的需求強勁.近年來中國工業(yè)的快速發(fā)展，礦山機械破碎機產(chǎn)業(yè)已成為工業(yè)化進程中非常重要的產(chǎn)業(yè).隨著中國城市化建設全面進入發(fā)展時期，破碎設備企業(yè)迎來了前所未有的機遇.本文主要研究的環(huán)錘式碎煤機是火電廠輸煤系統(tǒng)的主要設備之一，它可以有效且經(jīng)濟地將原煤破碎至規(guī)定的粒度以供鍋爐使用.

1 碎煤機工作原理

環(huán)錘式碎煤機是火電廠輸煤系統(tǒng)的重要設備之一，是當前我國碎煤廣泛采用的破碎機械，它是利用懸掛于轉(zhuǎn)子上的環(huán)錘(高速旋轉(zhuǎn))，對物料進行沖擊及破碎，被沖擊后的物料又在環(huán)錘及篩板之間受到擠壓、剪切、碾磨等作用，達到所需要的粒度以后，再經(jīng)過篩板柵孔下部出料口排出.

2 機器型號及技術(shù)參數(shù)

2.1 機器型號

圖1 機器型號Fig.1 Machine model type

2.2 技術(shù)參數(shù)

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters

3 碎煤機結(jié)構(gòu)

本機由七大部分組成，如圖2，即機體部件1，機蓋2，轉(zhuǎn)子3，篩板架調(diào)節(jié)機構(gòu)4，篩板架5，前門板6，襯板7(吊轉(zhuǎn)子時須先拆掉)［1］.

機蓋和機體部件，全部是采用鋼板焊接而成的，機蓋和機體通過鉸鏈，用起吊裝置可以進行翻轉(zhuǎn)開合，如果需要更換環(huán)錘等零件時，先卸下緊固螺栓(在結(jié)合面上)，然后利用開啟裝置打開機蓋，從圓盤上把壓蓋拆下，即可抽出環(huán)軸，便可更換.

圖2 碎煤機結(jié)構(gòu)Fig.2 Coal crusher structure

4 傳動方式

采用YKK 系列的三相異步電動機，通過限矩型液力偶合器同環(huán)錘式碎煤機連接，這樣可以對碎煤機及電動機起到過載保護的作用.與傳統(tǒng)傳動方式相比，該系統(tǒng)可以使電動機的配備功率大大減少，達到節(jié)約投資降低能耗的目的.

5 轉(zhuǎn)子的工作參數(shù)

5.1 轉(zhuǎn)速

它取決于環(huán)錘所需的圓周速度和物料所需的破碎粒度，同時不得超過臨界轉(zhuǎn)速.線速度越高，破碎比越大［2］，但環(huán)錘的磨損也越加劇.環(huán)錘式碎煤機的轉(zhuǎn)子載速度一般為:V 介于40 m/s ～45 m/s 之間.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

式中，D 轉(zhuǎn)子的直徑m.

5.2 轉(zhuǎn)動慣量

轉(zhuǎn)動慣量是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣性的度量，它于各零件的定量及其回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)，需分別計算而后合成，見表2.

表2 轉(zhuǎn)動慣量計算Tab.2 Calculation of moment of inertia

表中采用了轉(zhuǎn)動慣性的一般表達式I =∫mr2dm 導出的下列公式:

(1)質(zhì)點I = MR2;(2)圓I = MR2/2;(3)環(huán)I = M(R2-r2)/2;(4)矩形I = M(b2+h2)/12;(5)平移I = Ic + Md2，其中，M、R 和m、r 分別為圓形截面外圓和內(nèi)圓的質(zhì)量及半徑;Mi、ri復合件各部分的質(zhì)量及半徑;單位:M、m—kg;R、r、b、h—m;I—kg·m2.

5.3 轉(zhuǎn)子飛輪矩

即飛輪的慣性矩，也是回轉(zhuǎn)體慣性的度量.在計算上比較方便. 算出飛輪矩，再折算到電機軸上，以備校核功率之用.先用表2 算出I 值(kg m2)在單位上加以換算，即

GDa2= 4gI = 4 ×9.8 ×981.25 = 38 465 N·m2

5.4 轉(zhuǎn)子工作時環(huán)錘具有的功能

環(huán)錘式碎煤機是利用高速旋轉(zhuǎn)著的環(huán)錘獲得的動能對物料進行破碎作業(yè)的.環(huán)錘所具有的功能為

式中，m 轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量，G 環(huán)錘的重量kg;g 重量加速度g = 9.8 m/s;v 轉(zhuǎn)子(環(huán)錘軌跡圓)線速度m/s.

5.5 環(huán)錘的離心力和圓周力

環(huán)錘是通過環(huán)軸均勻地套在轉(zhuǎn)子圓周上的，可徑向自由地串動.工作時既隨轉(zhuǎn)子一起公轉(zhuǎn)，受到煤塊的反作用力又能繞環(huán)軸自轉(zhuǎn)，從而使外緣磨損均勻.一個環(huán)錘工作時的離心力(即回轉(zhuǎn)法向慣性力)為

式中，F(xiàn)齒，F(xiàn)圓分別為一個齒環(huán)和一個圓環(huán)的離心力

其軸功率N = η·Nm= 0.96 ×400 = 384 kW，式中，η 限矩型液力偶合器的效率;Nm電動機功率kW;D 轉(zhuǎn)子直徑m.

環(huán)錘的離心力對煤塊進行沖擊和擠壓作用，而圓周力施以剪切和研磨，并且清除異雜物.

5.6 轉(zhuǎn)子工作的動力荷載

由于零件的制造和部件裝配的誤差，易產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)軸心現(xiàn)象，當碎煤機運轉(zhuǎn)時，則產(chǎn)生附加慣性力(動力荷載，亦稱擾力)，引起沖擊和振動，影響機件的壽命和安裝基礎(chǔ)的可靠性.

計算擾力值的目的是為碎煤機的安裝基礎(chǔ)設計進行動力計算提供依據(jù)，計算方法是以轉(zhuǎn)子部件來進行，本機的擾力值為

式中，m1轉(zhuǎn)子部件的回轉(zhuǎn)質(zhì)量;m2液力偶合器渦輪的回轉(zhuǎn)質(zhì)量;m1= G1/g = 6 972 kg;m2= G2/g =670 kg;e 偏心距m.

轉(zhuǎn)子部件的平衡精度要求e 不大于0.5 mm.為運行安全可靠，計算擾力值時一般取e = 1 mm.［3］

6 碎煤機的生產(chǎn)率

現(xiàn)有的破碎理論均有一定的局限性，沒有完全地解釋礦物被破碎的實質(zhì)，所以在計算碎煤機的生產(chǎn)率時，只能采用經(jīng)驗公式進行近似計算.碎煤機屬于中細碎機械，應用第二破碎理論(即體積破碎假說)建立生產(chǎn)率的計算公式［4］.

假設碎煤機進行破碎作業(yè)時，都是由入料最大塊度為d1的立方體塊煤，破碎成出料粒度為d2的立方體碎煤.當碎煤機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，已碎煤的體積為

考慮轉(zhuǎn)子工作時在篩板柵孔上排料不均勻，取系數(shù)μ = 0.6 又煤質(zhì)的堆比重為γ，則碎煤機的最小出力為Q = 188.5LDnd2γμ.取煙煤的平均堆比重γ = 0.9 t/m3，排料不均勻系數(shù)μ = 0.1(即碎煤透篩率為90 %)本機的生產(chǎn)為

式中的L，D，d2單位均為m.由計算式可以看出，碎煤機的生產(chǎn)率與轉(zhuǎn)子的直徑，工作長度及轉(zhuǎn)速等成正比.由于破碎比i = d1/d2而d2= d1/i 故生產(chǎn)與破碎比成反比.通過碎煤機的出力試驗，該計算式比較適用.

7 碎煤機的電機功率

電機功率與給料塊度，排料粒度.煤質(zhì)狀況，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等諸多因素有關(guān)，煤塊在碎煤機破碎腔內(nèi)的運動很復雜，所以，難以準確地計算碎煤機的成需功率，設計碎煤機時，一般用經(jīng)驗公式或比功率耗近似地計算功率，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計完成后，計算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和飛輪矩，再校核電機的起動功率［5］.

(1)初定碎煤機的所需功率

a.比功耗法:比功耗是破碎一噸煤所消耗的電能.即

根據(jù)選型樣本選取電機功率為400 kW.

(2)核算電機起動功率

由于碎煤機轉(zhuǎn)動慣量或正改矩GD2很大，當碎煤機的結(jié)構(gòu)設計完成后，又選定了電動機和液力偶合器，即可在傳動設計計算中校核電機的起動功率［6］.

a.轉(zhuǎn)子的靜態(tài)力矩Ma:轉(zhuǎn)子的靜態(tài)力矩Ma等于轉(zhuǎn)子自重在兩軸承中產(chǎn)生的摩擦力矩Mc，于是

式中，R 兩軸承的徑向負荷即為轉(zhuǎn)子重量N;r 軸承內(nèi)半徑m;f 摩擦系數(shù)，對于雙列向心球面湔滾子軸承f= 0.001 8 ～0.002 5.

b.轉(zhuǎn)子的動態(tài)力矩Mb

機器轉(zhuǎn)動部分分析處到電機軸上的飛輪力矩GD2為

式中，ηa電動機的效率.∵ 設計選定的電機功率Nm= 400 kW，遠大于電機啟動所需要的功率，因此，電動機有足夠的起動功率.

8 轉(zhuǎn)子的平衡精度

為了提高碎煤機的技術(shù)性能，減小振動，達到產(chǎn)品標準規(guī)定優(yōu)等品要求軸承座的單振幅≤0.03 mm，在轉(zhuǎn)子部件的裝配工藝過程中需進行兩次平衡，一是在未裝環(huán)錘、環(huán)軸前要作靜動平衡試驗. 二是在裝配環(huán)錘時作重量平衡［7］.

轉(zhuǎn)子的平衡試驗是根據(jù)靜力等效原理向兩校正面簡化不平衡慣性力，在設計轉(zhuǎn)子時需確定靜動平衡試驗的許用平衡量，作為試驗的精度要求.

當主軸、鍵、搖臂、隔套、園盤及鎖緊螺母裝配后，此時轉(zhuǎn)子重量W =49.7 kN，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n =570.24 r/min，角速度ω = 59.715 rad/s 由于本機的轉(zhuǎn)速較高，故確定平衡等級為G6.3，即4 級精度，則相當于單面平衡轉(zhuǎn)子重心的速度［8］A = eω/1 000 = 6.3 mm/s，得偏心距e = 1 000 A/ω = 1 000 ×6.3/59.715 = 105.5 μm，重徑積Gr = We =5 068.8 ×0.105 5 =534.76 kgmm，而單位轉(zhuǎn)子重量許用不平衡重徑積Gr/W =534.76/5 068.8 =10.8 mm/N.

上述e、Gr/W 是建立平衡等級A = 6.3 mm/s 后的確定單面平衡轉(zhuǎn)子的許用不平衡量.由于本機轉(zhuǎn)子的重心相對于左右兩端圓盤外測校正面距離相等，采用雙面平衡［9］，所以兩校正面的許用不平衡量為偏心距e左= e右= e/2 = 105.5/2 = 52.75 μm，單位轉(zhuǎn)子重量許用不平衡重徑積

平衡試驗應達這兩項精度指標要求.重徑積Gr 同轉(zhuǎn)子重量有關(guān)系，它是一個相對量，用來表示給定轉(zhuǎn)子的不平衡量，可以平衡操作.而偏心距e 與轉(zhuǎn)子重量是無關(guān)的，它是一個絕對量，用來衡量轉(zhuǎn)子程度和動平衡機檢測精度，便于直接比較［10］.

9 設計參數(shù)的選定

根據(jù)上述計算將計算和選型結(jié)果見表3.

10 結(jié)論

環(huán)錘式碎煤機作為一種破碎機械，其運行工況雖比較復雜，但我們運用動力學原理來分析問題，仍能發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的規(guī)律性，這里通過HCSZ800 型環(huán)錘式碎煤機的設計，導出了環(huán)錘式碎煤機的一般設計方法，以期達到拋磚引玉的目的.

表3 設計參數(shù)Tab.3 Design parameters