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上海巍立立軸沖擊式破碎機破碎過程的研究
點擊次數(shù)：568 發(fā)布時間：2014-12-12
按破碎機理的不同，立軸沖擊式破碎機可分為“石打鐵立軸沖擊式破碎機”和“石打石立軸沖擊式破碎機”，本文主要以后者為研究對象，以下簡稱立軸沖擊式破碎機。 上世紀80年代末, *臺立軸沖擊式破碎機在德國展出, 獲得了很大的反響。經(jīng)過多年的發(fā)展，立軸沖擊式破碎機以其破碎效率高，產(chǎn)品粒度和粒型*，機械磨損少等優(yōu)點，在多個國家得到了較好的推廣。然而，目前在 我國立軸沖擊式破碎機的生產(chǎn)中，幾乎沒有完善的理論研究成果指導(dǎo)該產(chǎn)品的改進和開發(fā)，只能借助部分實驗成果、經(jīng)驗和不斷地模仿國外產(chǎn)品進行設(shè)計和制造，鑒 于此，上海巍立路橋設(shè)備有限公司對立軸沖擊式破碎機的破碎過程進行了詳細的研究。
1 立軸沖擊式破碎機的破碎過程簡介
巖石破碎學(xué)中指出，機械作用產(chǎn)生的應(yīng)力超過礦石強度極限時礦石就會發(fā)生塑性屈服和脆性破壞。如圖1 所示，初破后的礦石由立軸沖擊式破碎機上方進入，然后分為兩部分，一部分向下進入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中，另一部分從四周以自由落體的方式下落；經(jīng)葉輪加速的礦 石從葉輪流道內(nèi)被高速拋射出去，首先同從四周落下的礦石發(fā)生碰撞，然后一起沖擊到機腔內(nèi)的物料襯層上，被物料襯層反彈沖擊到渦動腔的頂部，之后改變方向偏 轉(zhuǎn)向下運動，繼而與不斷被拋出的礦石形成連續(xù)的料幕。這樣，一塊礦石在渦動破碎腔內(nèi)受了到兩次乃至多次的碰撞、磨擦和研磨破碎作用，上海巍立僅就破碎過程 中的碰撞破碎過程展開研究。
2 碰撞破碎模型的建立
2.1 模型的材料常數(shù)
衡量礦石力學(xué)性能的主要參數(shù)有彈性模量、泊松比、密度、抗壓強度、抗剪強度等，由于天然的礦石組成復(fù)雜，以上參數(shù)往往沒有定值，文獻給出了常見巖石的力學(xué)參數(shù)范圍，本文選取了其中三種列于表1 中。
圖1 “石打石”立軸沖擊式破碎機工作原理圖
表1 幾種礦石模型的材料常數(shù)
| 材料常數(shù) | |||||
| 彈性模量 E/ GPa | 泊松比 μ | 密度 ρ/ (g•mm-3) | 抗壓強度/ MPa | ||
| 礦 石 材 料 名 稱 | 砂 巖 | 10～100/100 | 0.20～0.30/0.25 | 1.8～2.8/2.30 | 11～252/252 |
| 花 崗 巖 | 50～100/100 | 0.10～0.30/0.20 | 2.4～3.1/2.75 | 37～379/379 | |
| 玄 武 巖 | 60～120/120 | 0.10～0.35/0.22 | 2.6～3.3/2.95 | 150～350/350 | |
注：/后值為本文分析中所取數(shù)值。
2.2 建立碰撞模型
將礦石粒簡化為表面光滑的不同粒徑的球體；在ANSYS 中選用solid65 三維實體單元模型劃分單元并添加接觸對。假設(shè)發(fā)生的碰撞均為對心碰撞，由于被拋射出的礦石速度很高并且碰撞時間極短，在進行碰撞模擬時，近似認為四周料幕 處自由下落的礦石是靜止的，從葉輪內(nèi)被拋出的礦石水平高速撞擊四周料幕處下落的礦石。圖2 為本文分析所用的碰撞破碎有限元模型
3 碰撞破碎過程的瞬態(tài)分析
利用 ANSYS 瞬態(tài)分析模塊，對礦石的碰撞破碎過程進行分析。通過ANSYS 后處理功能得到有限元模型上任意節(jié)點的碰撞應(yīng)力隨時間變化曲線圖以及礦石之間的碰撞應(yīng)力分布云圖。如圖3 ～ 4 為粒徑均為30 mm 的花崗巖礦石在碰撞速度為60 m/s 時，碰撞接觸區(qū)域上一節(jié)點受到的碰撞應(yīng)力隨時間變化曲線圖和相應(yīng)過程中出現(xiàn)zui大碰撞應(yīng)力時模型上的應(yīng)力分布云圖。由圖3 可以看出該種材料的礦石在上述條件下碰撞接觸時間極短，約為0.06 ms, 從接觸到分離礦石所受應(yīng)力急劇變化，分離后，礦石內(nèi)部仍存有一定的殘余應(yīng)力。圖4 說明了zui大碰撞應(yīng)力出現(xiàn)在被高速拋出的礦石上，對比表1 可知，zui大碰撞應(yīng)力遠遠超出了該種礦石的強度極限。模擬試驗表明，破碎過程中的碰撞速度為60m/s 時，能*對粒徑30mm 的花崗巖礦石的破碎要求。
4 不同粒徑分布下的礦石碰撞破碎過程分析
在立軸沖擊式破碎機中， 對同種礦石進行破碎，相互碰撞的礦石粒徑不可能嚴格相同，為得到礦石粒徑對礦石破碎效果的影響情況，本文以確定材料常數(shù)的花崗巖礦石為模型，（材料常數(shù)見 表1），選定礦石被甩出的初速度為60 m/s，分別對粒徑為20 mm、30 mm、40 mm 的花崗巖礦石進行碰撞破碎模擬試驗。試驗完成后得出zui大碰撞應(yīng)力以及碰撞接觸所用的時間，用曲線圖進行描述如圖5 ～ 6 所示。結(jié)果表明，相同粒徑的花崗巖礦石相互碰撞時，zui大碰撞應(yīng)力隨礦石粒徑的增大而呈增長態(tài)勢，且在礦石粒徑為30mm～40mm 的區(qū)間增長較快。不同粒徑的礦石相互碰撞時，假設(shè)粒徑較小的礦石相對運動，粒徑較大的礦石相對靜止，即“小碰大”與假設(shè)粒徑較大的相對運動而粒徑較小的相 對靜止，即“大碰小”這兩種情況相比較，前者的zui大碰撞應(yīng)力比后者的大。另外，碰撞接觸時間隨礦石粒徑的增大而增大，即兩者之間成正比例關(guān)系。
5 不同材料和碰撞速度下的礦石碰撞破碎過程分析
為得到不同種礦石在不同碰撞速度下的破碎情況，本文以粒徑為30mm 的礦石為模型，分別對確定材料常數(shù)的砂巖、花崗巖、玄武巖在碰撞速度分別為50 m/s、60 m/s、70 m/s 幾種情況下進行碰撞破碎模擬試驗。試驗完成后列出各種情況下礦石所受zui大應(yīng)力及碰撞接觸時間，用曲線圖進行描述如圖7～8 所示。通過對比表1 中材料的抗壓強度值和以上分析結(jié)果可以看出，當(dāng)碰撞速度為50 m/s 時，每種礦石的zui大碰撞應(yīng)力仍大于其相應(yīng)的抗壓強度的zui大值，但相差不大，所以，為了獲得較好的破碎效果，在設(shè)計沖擊式破碎機時，必須使葉輪具有足夠的線 速度，一般取50 ～ 70 m/s，也可以通過控制系統(tǒng)根據(jù)礦石的可破性不同做出相應(yīng)的調(diào)整。另外，碰撞接觸時間與礦石材料沒有明顯的關(guān)系而與碰撞速度相關(guān)，且碰撞接觸時間隨碰撞速 度的增大而縮短。
本文首先介紹了立軸沖擊式破碎機的 工作特點，然后利用模擬碰撞試驗的辦法，模擬了多種條件下礦石在立軸沖擊式破碎機中的破碎過程，得出了以下結(jié)果：①建立了基于ANSYS 的“石打石”碰撞破碎模型；②通過模擬碰撞試驗，測定了碰撞破碎過程中的應(yīng)力和接觸時間，并統(tǒng)計了相關(guān)規(guī)律，為礦石的可破性研究提供了理論依據(jù)；③以模擬 碰撞試驗的辦法驗證了立軸沖擊式破碎機葉輪線速度的合理性，為立軸沖擊式破碎機的設(shè)計提供了參考。