PCKF1825 可逆雙反擊錘式破碎機(jī)回轉(zhuǎn)部的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2020-4-3 來源：北方重工富勒( 沈陽) 礦業(yè)有限公司 作者：趙冬博 李樂
摘要：針對(duì) PCKF1825 可逆雙反擊錘式破碎機(jī)在實(shí)際投入使用后發(fā)現(xiàn)的諸多問題，進(jìn)行了深入的研究和分析，運(yùn)用 Solidworks 軟件對(duì)回轉(zhuǎn)部建立三維模型，優(yōu)化關(guān)鍵部件并對(duì)主軸進(jìn)行仿真模擬校核，最終達(dá)到了降低設(shè)備維護(hù)成本、延長(zhǎng)部件使用壽命、強(qiáng)化設(shè)備整體性能的目的。
關(guān)鍵詞：可逆雙反擊錘式破碎機(jī) 回轉(zhuǎn)部 錘頭 錘盤 Solidworks 主軸
PCKF1825 可逆雙反擊錘式破碎機(jī)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(jī)相比有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際使用中也存在錘頭、錘柄組件更換率高，錘盤磨損嚴(yán)重等問題，這給設(shè)備的使用效率和經(jīng)濟(jì)效益帶來直接影響。為解決上述問題，運(yùn)用 Solidworks 軟件對(duì)設(shè)備回轉(zhuǎn)部進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)和工作要求。
1、 PCKF1825 可逆雙反擊錘式破碎機(jī)
PCKF1825 可逆雙反擊錘式破碎機(jī)( 以下簡(jiǎn)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(jìn)入主破碎腔，高速?zèng)_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(jī)主體、電動(dòng)機(jī)、液力偶合器及液壓站等組成。破碎機(jī)主體主要由中箱體、側(cè)箱體、底座部及回轉(zhuǎn)部組成。
圖 1 原回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)示意
1—錘頭; 2—錘頭銷軸; 3—錘柄; 4—錘柄銷軸; 5—錘盤; 6—隔套; 7—主軸
回轉(zhuǎn)部( 見圖 1) 是整臺(tái)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(jī)為高速度。同樣的電機(jī)功率，當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑加大時(shí)，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(dòng)調(diào)心，能承受較大的動(dòng)載荷和震動(dòng)。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(dāng)一側(cè)錘頭與反擊板磨損過大時(shí)，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(zhǎng)使用壽命。
2 、優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性
盡管 PCKF1825 錘破與傳統(tǒng) PC 型錘式破碎機(jī)相比有諸多優(yōu)勢(shì)，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; 可逆的回部，具備高轉(zhuǎn)速、大破碎比、能耗低的性能，可以正反轉(zhuǎn)進(jìn)行工作，提高了錘頭和齒板的利用率，延長(zhǎng)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)左右箱體同步變化，克服了分點(diǎn)調(diào)節(jié)因錯(cuò)位而引起的同側(cè)箱體間隙不均，保證出料細(xì)度均勻，提高出料細(xì)度百分率等特點(diǎn); 但在設(shè)備實(shí)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(jī)最為關(guān)鍵的零部件之一，PCKF1825 錘破原設(shè)計(jì)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，在破碎物料過程中，尤其是破碎鐵礦石時(shí)，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(jì)算，大概 4 ～ 5 d 就要將 1臺(tái)份( 共計(jì) 104 個(gè)) 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(shí)還需要對(duì)錘頭組件進(jìn)行配裝，個(gè)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?yàn)殄N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(duì)破碎物料的使用效率及性能，同時(shí)也無法給錘頭良好的支撐。尤其是當(dāng)錘柄磨損率達(dá)到某一程度時(shí)，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(jī)腔內(nèi)不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，對(duì)設(shè)備生產(chǎn)安全和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，錘頭的磨損使其有效的打擊面積變小，在運(yùn)轉(zhuǎn)中不能對(duì)物料進(jìn)行充分的打擊破碎和對(duì)錘盤及主軸進(jìn)行有效的保護(hù)。
( 2) 錘盤磨損嚴(yán)重。對(duì)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(zhǎng)度為 2 458 mm，在該跨度中均勻分布 27 個(gè)錘盤，錘盤直徑為 800 mm，單個(gè)錘盤的厚度為 40 mm，兩個(gè)錘盤之間圓周方向均布 4 個(gè)錘頭組件，整個(gè)回轉(zhuǎn)部的錘頭交叉排列。雖然設(shè)備運(yùn)行時(shí)回轉(zhuǎn)部是高速運(yùn)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(huì)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(shì)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(duì)于普通碳鋼材質(zhì)的錘盤是極大的沖擊，尤其對(duì)錘盤外圓更是造成嚴(yán)重的磨損。原設(shè)計(jì)并未充分考慮上述幾點(diǎn)，也未針對(duì)錘盤外圓進(jìn)行有效的耐磨保護(hù)，進(jìn)而造成錘盤外圓磨損嚴(yán)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(jìn)方式及優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過對(duì)上述問題的分析、研究與總結(jié)，決定對(duì)PCKF1825 錘破回轉(zhuǎn)部進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。
3． 1 錘頭的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)
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(shí)，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(duì)鑄造工藝的研究，在鑄造時(shí)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(shí)，物料粉末就可被吸附在錘頭上，對(duì)錘頭進(jìn)行有效的保護(hù)。通過理論設(shè)計(jì)和設(shè)備實(shí)際運(yùn)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(zhǎng)度變短至 390 mm。將錘頭設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)安全性; 降低更換錘頭的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。通過計(jì)算和 SolidWorks 模擬分析，對(duì)錘頭的質(zhì)量和打擊平衡中心進(jìn)行了重新計(jì)算，同時(shí)保留原錘柄位置的限位塊設(shè)計(jì)，錘頭重量由39 kg 降至 29 kg。
改進(jìn)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(dòng)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(shí)對(duì)錘盤也起到了更好的保護(hù)作用。
圖 4 改進(jìn)后錘頭結(jié)構(gòu)示意
3． 2 錘盤的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)
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 800 mm增加到 1 125 mm，進(jìn)一步減小了物料在破碎腔內(nèi)對(duì)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(jìn)后的左、右兩端的錘盤( 見圖5) 厚度由 40 mm 變?yōu)?45 mm，中間錘盤( 見圖 6) 厚度由 40 mm 變?yōu)?33 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(hù)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(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)
在對(duì)回轉(zhuǎn)部?jī)蓚€(gè)主要零件改進(jìn)后，再將錘盤、錘頭進(jìn)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(zhǎng)度不變的情況下，將錘盤間距由 53 mm 變?yōu)?61 mm，錘盤總數(shù)由原來的 27 件/臺(tái)變?yōu)?26 件/臺(tái)，錘頭數(shù)量由原來的 104 件/臺(tái)變?yōu)?100 件/臺(tái)。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?jī)蓚€(gè)錘盤之間增加 1 個(gè)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(jìn)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(duì)回轉(zhuǎn)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)主軸的強(qiáng)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(jìn)后總重增 加至9 583 kg ，總 載荷增加 了約18 個(gè)百 分 點(diǎn) 。
圖 7 改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)示意
運(yùn)用 Solidworks 對(duì)主軸進(jìn)行模擬分析，在固定主軸兩端軸承座位置的圓柱面后，對(duì)主軸的主要承載表面均布施加 一 個(gè) 100 kN 的 外部 載荷，然 后通 過Solidworks 對(duì)主軸進(jìn)行強(qiáng)度運(yùn)算得出結(jié)果。運(yùn)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(jì)要求。運(yùn)算結(jié)果見圖 8。由運(yùn)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)?．3 × 10－ 5。由于主軸材質(zhì)為 45 號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)后的抗拉強(qiáng)度為 590 MPa，根據(jù)軸的材質(zhì)和抗拉強(qiáng)度，查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［4］得其許用應(yīng)力為 95 MPa。主軸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，最大位移和最大應(yīng)變對(duì)主軸及回轉(zhuǎn)部的整體影響也極小，基本可忽略不計(jì)，故主軸仍滿足設(shè)計(jì)和工作要求。
4、 結(jié) 論
( 1) 通過對(duì) PCKF1825 可逆雙反擊錘式破碎機(jī)回轉(zhuǎn)部的性能研究，結(jié)合設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中回轉(zhuǎn)部錘頭、錘盤等部件出現(xiàn)的問題，運(yùn)用 Solidworks 三維軟件建立模型，對(duì)回轉(zhuǎn)部、錘頭、錘盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)改進(jìn)后主軸重新校核，確認(rèn)仍滿足設(shè)計(jì)和工作要求。
圖 8 主軸強(qiáng)度校核
( 2) 采用一體化高強(qiáng)度錘頭、錘盤堆焊耐磨層等設(shè)計(jì)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(jī)的技術(shù)性能。
( 3) 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況反饋，改進(jìn)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(shí)長(zhǎng)也明顯降低，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和使用效率明顯提高，降低了維護(hù)成本和更換部件所產(chǎn)生的費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
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