破碎理论及破碎机的研究现状与展望_高强

破碎理论及破碎机的研究现状与展望＊

高强1,张建华2

(1.天津渤海职业技术学院机电工程系,天津　300402;2.河北工业大学机械工程学院,天津　300130)

摘要:破碎机是物料破碎的主要设备,被广泛应用于冶金、矿山、建材、筑路、化学和硅酸盐行业中。文中针对破碎理论及各式破碎机的研究现状进行了分析和总结,并针对目前存在的问题,提出了破碎理论及破碎机的发展方向。

关键词:破碎机;破碎理论;展望

中图分类号:T D451 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2009)10-0072-04

利用外力将大颗粒变成小颗粒物料的过程称为物料破碎,

其使用的相应设备称为破碎机。破碎机被广泛用于冶金、矿山、

煤炭、水利、建筑、建材、环保和化工等行业,据资料的统计分

析,在大型选矿厂,用于破碎粉磨的生产费用通常占全部费用

的50%以上,其投资约为选矿厂投资的50%～60%[1],由此可

看出,其在相应生产工艺中起着极其重要的作用,更为重要的

是,破碎过程还决定着后续工艺能否有效能进行。

随着我国经济的高速发展,这些行业每年所需经过碎磨工

艺处理的物料呈现几何级数增加,物料碎磨的作业日益显示其重

要性。影响破碎过程的因素有很多,都与破碎设备性能相关联。因

此,设备性能的优劣将极大地影响到工作效率和能耗的高低。基

于设备的节能降耗,提高碎磨设备工作效率,不断优化碎磨作业,

从而提高相关工业部门的经济效益,深入研究破碎理论并研制开

发新型、高效、节能和环保的现代碎磨设备具有非常重要的现实

意义[2-6]。文中对破碎理论及破碎机的研究现状进行了分析,并

针对目前存在的问题提出了破碎机的发展方向。

1　破碎理论和破碎机的研究现状

1.1　破碎理论的研究现状

针对破碎作业,许多学者试图采用定量分析的方法,建立

破碎理论假设,揭示能量消耗与物料粉碎状态之间的内在联

系。在破碎理论的研究上,主要有三大粉碎功耗学说[7]及在三

大学说的基础上发展起来的相关学说[3]。

(1)面积学说。

V o nR i t t i n g e r PR于1867年提出了著名的面积学说,认为

外力破碎物体所做之功将转化为新生表面积上的表面能,故粉

碎能耗与粉碎时新生表面积成正比,即粉碎单位质量物料的能

耗与新生的比表面积成正比,如式(1)所示:

d A

1

=γd S(1)

式中:d A

1———生成新表面积d S所需的功;

γ———比例系数。

破碎质量为Q的矿石所需的功为:

d A

1

=γQ

δk

2

D3

d(k

1

D2)(2)

考虑到给矿和破碎产物为混合粒群,采用平均直径进行计

算,积分后得:

A

1

=K

1

Q[

1

D p

-

1

D o

](3)

式中:K

1

=

2γk1

δk

2

;

D p,D o———破碎产物的平均直径和给矿的平均直径。

田中达夫于1954年根据极限表面理论,即当粉碎颗粒达到

一定细度时,颗粒会出现微塑性变形,颗粒会发生锻焊或焊合

作用而相互聚合长大,使颗粒变粗,把该细度范围称作粉碎极

限,提出了有界粉碎能耗理论,如式(4)所示:

A=

1

K T

l n

s∞-s o

s∞s

(4)

式中:K

T

———比例系数;

s∞,s o,s———极限比表面积,给料的比表面积,产物的比表面积。

Π.A.列宾杰尔于1962年发现石英粉碎后,不仅存在极限

比表面积,也存在塑性变形,且机械的活化作用使石英无定形

化。提出了粉碎石英所需能量的关系式:

ηΔε=(

e c

αF

)l n(

s

s o

)+

e c

αF

+(βl+σ)s∞(5)

式中:η———机械效率;

Δε———输入粉碎机的有用能量;

e———比弹性变形能;

c———比例系数;

αF———粉体形状系数;

β———比塑性变形能;

l———无定形层的厚度;

σ———比表面自由能。

u r a l G a sE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m(B e i j i n g C a m p u s),B e i j i n g102249,C h i n a)

A b s t r a c t:Ak i n d o f n e wt y p e dh i g h p r e c i s i o n l e n g t hc o n t r o l s y s t e m o f e m b o s s i n gm a c h i n ew a s i n t r o d u c e d.T h i s d e v i c eu s e s t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m c o n s t i t u t e db y t h e p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r a n dt h et o u c h i n gs c r e e nt ol e t t h ed a t ac o l l e c t e db y c o d e r b e d i s p l a y e d i n t h e t o u c h i n g s c r e e n.U s i n gt h e s e r v o-m o t o r t oc o n t r o l t h et r a v e l i n gl e n g t h o f t h ee m b o s s i n gm a c h i n et h u s e f f e c t i v e l yl o w e r e dt h ef a i l u r er a t eo fm o t o ra n d e n h a n c e dt h e e c o n o m i c b e n e f i t a n d c o m p e t i t i v e s t r e n g t h o f e n t e r p r i s e s.

K e yw o r d s:h o t p r e s s i n g m a c h i n e;P L C;t o u c h i n gs c r e e n

F i g7T a b0R e f4“J i x i e S h e j i”8773

第26卷第10期2009年10月

机　械　设　计

J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N

V o l.26　N o.10

O c t. 2009

＊收稿日期:2009-06-23;修订日期:2009-07-29

作者简介:高强(1963-),男,天津人,副教授,学士,主要从事机电一体化教学和研究工作,发表论文4篇。

面积学说着重在物料破碎后的新生表面积,面积学说理论

认为破碎功全都是用来克服新生表面物料原分子之间的内聚力。这一理论在较大破碎比时,与实验结果较为吻合。

(2)体积学说。В.Л.吉尔皮切夫和F .基克(1885年)认为,外力粉碎物料所作的功,完全用于使物料发生变形,当变形能储至极限,物料即被破坏。即为使几何相似的同种物料,粉碎成形状相同的产品,所需的功与它们的体积或质量成正比,可用下式表示:

d A 2=

K d V (6)式中:d A 2—

——破碎体积为d V 的物体所需要的功;K ———比例系数。

经积分计算后得:

A 2=K 2Q [l n D o -l n D p

](7)

式中:K 2=3K Q

δD

体积学说以弹性理论为基础,着重在于分析物料受外力作用而发生变形的程度。体积学说对物料的其他性质,如表面形状、质地等未考虑。故一般较符合物料的压碎和击碎过程。

(3)裂缝学说。1952年B o n d FC 根据一般碎矿和磨矿设备得到的实验数据,建立了经验公式:

W i =

W 10P (F

F-P

)(8)

式中:F ———给矿的80%能通过方筛孔的宽;

P ———破碎后的产品的80%能通过的方筛孔的宽;

W ———将1t 粒度为F 的给矿破碎到产品粒度为P 所消耗的功;W i ———功耗指标。

随后B o n d FC 对建立的经验公式进行进一步的解释:破碎

矿石时,外力作用的功首先使物体发生变形,当局部变形超过临界点,即生成裂口,裂口形成之后,储在物体内部的形变能使得裂口扩展并生成断面。提出了著名的裂缝学说,即破碎物料所消耗的能量与物料的直径或边长的平方根成反比。由于岩矿是具有裂缝和缺陷的非均匀固体,因此岩矿实际承受的极限破碎应力应小于其理论强度。基于脆性物料的尺寸效应及韦布尔的统计推断,H o l m s J A 对脆性物料的破碎进行了相应的理论研究。

1957年C h a r l e s RI 综合了上述三大粉碎理论,提出了一个粉碎能耗的普遍公式,即:

d A=-C

d x

x

N (9)

式中:C ———与粉碎机械有关的系数;

x ———物料粒度;

N ———与物料特性有关的系数。

积分可得:

A=∫D p

D o

-C d x

x N (10)

当N 分别取2,1和1.5时,就可分别得到V o n R i t t i n g e r P R 提出的面积学说公式,В.Л.吉尔皮切夫与F .基克的体积学说公式和B o n dFC 的裂缝学说公式。

由于面积与体积破碎理论所建立的功耗数学模型过于简单,不能全面反映物料粉碎的实际情况,而B o n dFC 理论来自试验数据的提炼与总结,故物料粉碎的能耗与产品粒度的关系也较符合实际情况。

(4)其他破碎理论。

T k a v o v a K 将破碎过程看作一个物理化学过程来研究,认

为破碎过程一个不可逆的热力学过程。1979年首次从热力学的角度研究了破碎系统的内能、熵、自由焓等参数的变化规律,并建立了热力学能量平衡方程式:

A=ΔU m +ΔU i

-Q (11)

式中:ΔU m —

——被破碎物料内能的增加量;ΔU i ———粉碎介质内能的增加量;Q ———热损失。

1985年加巴洛夫从结构化学的角度研究了粉碎能耗问题,建立了关系式:

A n =∑N 1i =1∑N 2j =1∫a

i j f i j (r i j )d r i j

(12)

式中:A n

———形成新生表面积所需的功;N 1—

——构成i 组原子的数量;N 2—

——构成j 组原子的数量;f i j (r i j )———原子间的相互作用力;r ———原子间的距离。

以三大粉碎功耗学说为代表的传统破碎理论在粉碎领域

中起着重要的指导作用,促进了物料破碎技术的发展。但三大粉碎功耗理论都有各自的适用范围,具有一定的片面性,已不能满足破碎工业的发展。因此,建立完整的、系统的粉碎功耗理论,全面揭示物料粉碎的机理成为必要。1.2　破碎机的研究现状破碎机按照工作原理和结构特征可分为颚式破碎机、旋回式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机和冲击式破碎机[8]。

(1)颚式破碎机。美国人B a k e EW 发明了颚式破碎机,由于其结构简单、容易制造、工作可靠、使用维修方便等优点,在矿山、冶金、建材、筑路、水利、化工、煤炭多种行业中得到广泛应用。

为了改善颚式破碎机性能和提高工作效率,国内外研制出各种颚式破碎机[9]。主要有:简摆双腔颚式破碎机,该破碎机不仅具有大破碎比、产品粒度细,而且使间歇运动变成连续工作,提高了破碎机工作效率;双动颚颚式破碎机,该破碎机在动颚破碎机的基础上拆除了破碎机的前墙,由2个破碎机对置而成,并在偏心轴上设计了一对开式齿轮,保证了两动颚的同步运转,双动颚颚式破碎机具有可强制排料、生产能力较高和使用寿命较长等特点;外动颚匀摆颚式破碎机,该机将动颚与连杆分离,动颚为连杆上的延伸部分,因此改变机构参数即可调整动颚运动轨迹。连杆作为破碎机的边板,并把动力传递给动颚,该机具有处理能力大、外型低、给料高度及整体重心低、破碎比大等优点;振动颚式破碎机利用不平衡振荡器产生的离心惯性力结合高频振动对矿石进行破碎,具有破碎强度大、破碎比高等特点。

(2)旋回式破碎机。

旋回式破碎机是大型矿石破碎和坚硬物料破碎的典型设备,广泛应用于黑色、有色冶金、建材、化工和水利等行业。

旋回式破碎机由上机架构成定椎体,动锥安装在主轴上,动锥和定锥均安装衬板,构成破碎腔,由电动机通过传动装置带动动锥运动,实现对矿石的连续破碎,矿石靠重力排出。由于旋回式破碎机采用连续破碎的方式,因此其生产能力大,与颚式破碎机相比,旋回式破碎机的生产量是其2倍以上。因此,旋回式破碎机主要具有大破碎比、高产量、产品粒度细、节能和高效等优点。

73

2009年10月高强,等:破碎理论及破碎机的研究现状与展望

目前,旋回式破碎机的制造商有[10]:日本神户、德国K l u p p、瑞典s v e d a l a、芬兰M e t s o等。

(3)圆锥破碎机。

圆锥式破碎机[11-13]可用于破碎细碎和中碎等不同硬度的物料,是一种连续作业,效率较高的破碎设备,在矿山企业中应用非常广泛。

弹簧式圆锥破碎机由内锥、外锥和动力部分组成,利用安装在主轴上的偏心套驱动动锥做旋摆运动,动锥衬板时而靠近时而离开固定锥衬板,使得物料在腔内不断被挤压和弯曲,从而产生破碎。液压圆锥破碎机简化了破碎机的结构,利用液压装置调整排矿口,目前液压圆锥破碎机主要有底部单缸、上部单缸、周边单缸、高能液压圆锥破碎机等多种形式。

中信重工公司研发出大型高效新型液压圆锥破碎机,该破碎机不仅破碎腔深、进料粒度大、产能高、破碎粒度均匀,而且能耗少,能够适应多种复杂、恶劣工况、坚硬岩石的破碎作业。

(4)辊式破碎机。

辊式破碎机[14]利用2个转动的圆柱形棍子,矿石受到挤压和磨剪的作用破碎,当矿石达到粒度要求则从两辊之间排出。按辊子数目,辊式破碎机分为单辊、双辊和双段三辊、双段四辊4种,按照辊面形状,分为光面辊机和齿面辊机两种。辊式破碎机具有结构简单、紧凑、轻便、工作可靠、调整破碎比较方便、可对含水物料进行破碎等优点。

M MD双齿辊式破碎机是英国M M D公司开发的一种新型破碎机,与传统破碎机相比,该机采用“体积压缩原理”,利用剪切和张力的作用破碎物料。M M D的双齿辊破碎机的齿又高又大,直接影响到物料通过两辊间隙时的速度、吃料与排料能力,而且辊间间隙也比普通辊式破碎机的大得多。该型破碎机体积小、功耗低,生产率高,出料粒度均匀,特别适于矿山破碎作业。

(5)冲击式破碎机。

冲击式破碎机分为锤式和反击式两种,锤式破碎机[15]利用高速旋转的锤子冲击和物料自身撞击到衬板而破碎,当物料达到粒度要求后,从下部的筛条缝隙中排出,锤式破碎机适用于中细碎中等硬度及脆性的物料,具有生产效率高、破碎比大、构造简单、尺寸紧凑、功耗较少、维护简单等优点。

反击式破碎机由转子高速旋转,物料进入后,与转子上的板锤撞击破碎,然后又被反击到衬板上再次破碎,从出料口排出。反击式破碎机将打击、反击、离心冲击、剪切、研磨有机结合在一起,具有破碎效率高,出料细而均匀,易损零件少,维护保养方便,能耗低等特点。目前,反击式破碎机分为立式和卧式两种。

自冲击破碎机由涡动破碎腔、进料分料装置、转子旋冲器、动力传动装置、机架等组成。自冲击破碎机是利用石料与石料之间的冲击破碎。一部分石料通过高速旋转装置获得动能,另一部分则通过落下的石料冲击破碎,在破碎腔内的石料形成石料自衬。自冲击破碎机最显著的特点主要表现在破碎发出在石料与石料之间,使设备的磨损损耗大大降低,减少了维修,延长了设备寿命。

2　破碎理论及破碎机的发展趋势

以三大粉碎功耗学说为代表的传统破碎理论在粉碎领域中起着重要的指导作用,促进了物料破碎技术的发展。然而,三大粉碎功耗理论都有各自的适用范围,具有一定的片面性,随着科技的发展,三大粉碎功耗学说所代表的传统破碎理论已不能满足破碎工业的发展。粉碎过程是一个十分复杂的物理化学过程。因此,需要在多学科支持下建立完整的、系统的粉碎功耗理论,全面揭示物料粉碎的机理。

对于我国许多中小矿山矿主而言,由于资金有限,多集中在小型破碎机的研究上,而业内人士一致公认国际上的破碎设备正在向大型化、高产、高效及节能降耗等方向发展。因此,大型破碎设备,如大型旋转破碎机、圆锥破碎机市场基本被国外公司占领。

目前,破碎机的发展主要存在如下问题:

(1)应用新型耐磨材料较少。

目前,破碎机常选用常规的高铬铸铁、超高锰钢等。实际上破碎机中一些易磨损件应采用较好的新型耐磨材料,可有助于提高破碎机的使用寿命。因此,对破碎机中关键部件,采用新型的耐磨材料应该是破碎机发展中的一个方向。

(2)计算机辅助设计水平较低。

众所周知,采用现代设计方法,如计算机辅助设计,可以提高产品的性能和可靠性,缩短产品开发周期,提高产品竞争力。目前,利用计算机进行二维设计已经十分普及,然而,利用三维绘图软件,如P r o/E进行设计的较少,对破碎机的关键部件采用有限元软件A N S Y S进行分析的较少,利用运动学软件A D A M S对整机进行动力学分析的也较少。因此,利用计算机对破碎机进行优化设计的研究应该进一步加强。

(3)破碎机的制造工艺水平较差。

破碎机的制造水平是研发先进破碎机的基础条件,而目前矿石机械中,多为粗放式的加工工艺,且缺少先进的加工设备,这将难以保证破碎机的加工精度,破碎机的使用寿命和运行的稳定性也将难以保障。因此,提高破碎机制造工艺水平也需提高。

3　结论

在冶金矿山、建材、筑路、化学和硅酸盐行业中,破碎机是物料破碎的主要设备。从国内破碎机的现状及发展前景来看,国内破碎机还有很大的发展空间,同时也需要一段时间的积累和探索,要缩小差距并赶超国外先进技术,必须增加投入,加强破碎基础理论的研究,提高耐磨材料性能,提高制造工艺水平,利用计算机对破碎机进行优化设计的研究,借以提高产品性能和可靠性,并扩大使用范围,是积极参与竞争、开发中国破碎机市场的关键。

针对目前物料破碎理论和各种破碎机的研究现状进行了分析和总结,并针对目前存在的问题,提出了破碎理论及破碎机的发展方向。

参考文献

[1]　瓦伊斯别尔格.选矿前矿石准备技术与工艺新进展[J].国外金

属矿选矿,2002(9):34-39.

[2]　母福生.破碎理论的研究现状及发展要求[J].硫磷设计与粉体

工程,2006(4):20-24.

[3]　母福生.破碎粉磨技术进展[J].矿山机械,2003(4):6-8.

74机　械　设　计第26卷第10期

形状记忆合金在结构阻尼性能优化中的应用＊

杨树莲1,2,任勇生3,侯志强2

(1.山东工商学院计算机基础部,山东烟台　264005;2.海军航空工程学院研究生管理大队,山东烟台　264001;

3.山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛　266510)

摘要:文中研究了通过嵌入N i T i-S MA丝提高自由阻尼层结构损耗性能的方法。首先描述了普通阻尼层材料的贮能模量及损耗因子随温度变化规律。基于一维S M A的B r i n s o n模型给出了N i T i-S M A丝受限回复应力的计算公式,建立了含N i T i-S M A丝的自由阻尼处理梁结构损耗因子的计算公式。通过数值计算揭示了含N i T i-S M A丝的聚氨脂自由阻尼处理梁的耗散特性,分析了N i T i-S M A丝含量及阻尼层厚度对自由阻尼处理梁耗散特性的影响。结果表明,埋入N i T i-S M A丝之后,阻尼结构的损耗因子得到了显著提高。

关键词:形状记忆合金;自由阻尼处理;损耗因子;弹性模量

中图分类号:T B3;T H14 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2009)10-0075-04

自由阻尼层结构就是将一层具有大阻尼的材料直接粘附在需要作减振降噪处理的机器零件或结构件上,当结构产生弯曲振动时,阻尼层材料随基本层一起振动,在阻尼层内部产生拉压变形,阻尼材料将机械能转变为热能,从而起到耗能的作用。自由阻尼层结构结构简单,施工方便,尤其对结构复杂的薄壳表面,更体现出它的优越性。进行结构阻尼处理的最根本目的是使设备具有良好的阻尼减振效果,而衡量结构阻尼减振效果的最重要指标是系统的损耗因子。对于选定的粘弹性阻尼材料来讲,材料本身的损耗因子是确定的,于是,为了寻求自由阻尼处理结构最佳的阻尼效果,往往要求增加阻尼层厚度,这必定是以结构质量的增加为代价的。形状记忆合金(S MA)最显著的特性是具有形状记忆效应(S M E),以及与之相关的超弹性特性。在实际应用中通过将S M A丝或颗粒作为增强纤维嵌入树脂、金属及复合材料的基体中,组成由S M A丝、普通粘弹性阻尼材料和基体复合而成的混杂复合材料阻尼结构,利用S M A丝在变温下的回复应力和弹性模量变化可以自动修改结构的刚度特性。由于自由阻尼层处理的损耗因子与阻尼层的刚度(弹性模量)有关,那么通过嵌入的S M A丝调节阻尼层的刚度性能就可以改善自由阻尼层处理的损耗特性,从而实现对结构的变形、噪声和振动响应等的控制,而且具有阻尼性能良好、质量轻的优点[1-4]。

[4]　赵昱东.破碎机械在金属矿山的使用与发展[J].矿业快报,2005

(5):1-6.

[5]　李爱芝,黄新平,李霞,等.水泥熟料破碎机生产研究现状及发展

趋势[J].机械工程师,2005(3):12-13.

[6]　郎宝贤,郎世平.国内外破碎机的差距与发展趋势[J].矿山机

械,2004(9):71-73.

[7]　蔡赟烽,胡明振,刘超,等.破碎理论与数学模型发展综述[J].

黑龙江科技信息,2008(4):48-49.

[8]　连钦明,孙成林,王清发.破碎机械的回顾与展望[J].有色矿

冶,2005(7):45-46.

[9]　郎宝贤.颚式破碎机现状与发展[J].矿山机械,2004(1):9-10.

[10]　夏晓鸥,罗秀建,唐威.日本破碎设备制造发展概况[J].国外金

属选矿,2000(1):2-5.

[11]　郎宝贤.圆锥破碎机现状和发展方向[J].矿山机械,2001(1):

21-22.

[12]　赵昱东.圆锥破碎机的新发展[J].中国钨业,2004(2):42-

45.

[13]　李伯奎,陈前亮,谷勇霞.单缸液压圆锥破碎机的现状及发展趋

势[J].矿山机械,2006(4):14-15.

[14]　赵显东.新型高效破碎设备综述[J].矿山机械,2004(4):22-23.[15]　柴增田,于立国.破碎机锤头生产工艺发展现状[J].矿山机械,

2005(1):24-26.

C u r r e n ts t a t u sa n d p r o s p e c t so n t h es t u d y o fc r u s h t h e o r y a n dc r u s h e r

G A O Q i a n g1,Z H A N G J i a n-h u a2

(1.D e p a r t m e n t o f E l e c t r o-M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,T i a n j i n

B o h a iI n s t i t u t e o f V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y,T i a n j i n300402,

C h i n a;2.S c h o o l o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,H e b e i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,T i a n j i n300130,C h i n a)

A b s t r a c t:T h ec r u s h e ri st h em a i n d e v i c e f o rm a t e r i a l s b r e a k i n ga n d i s b e i n g w i d e l y a p p l i e dt o i n d u s t r i e s o f m e t a l l u r g i c a l m i n e s,b u i l d i n g m a t e r i a l s,r o a d c o n s t r u c t i o n,c h e m i c a l sa n d s i l i c a t e.A n a l y s i s a n ds u m m a r y w e r e c a r r i e do u t i nt h i s p a p e r o n t h e c r u s h i n gt h e o r ya n dc u r r e n t s t a t u s o f r e s e a r c ha n da i m e da t t h e c u r r e n t l y e x i s t e d p r o b l e m s t h e c r u s h i n g t h e o r y a n d d e v e l o p i n g d i r e c t i o n o f c r u s h e r w e r e p u t f o r w a r d.

K e yw o r d s:c r u s h e r;c r u s h i n gt h e o r y;p r o s p e c t

F i g0T a b0R e f15“J i x i e S h e j i”9396

第26卷第10期2009年10月

机　械　设　计

J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N

V o l.26　N o.10

O c t. 2009

＊收稿日期:2008-12-05;修订日期:2009-04-28

基金项目:山东省自然科学基金资助项目(Y2006F37);国家安全生产监督管理总局安全生产科技发展指导性计划资助项目(08-122,07-383);山东工商学院2008年校内重点资助项目

作者简介:杨树莲(1966-),女,山西离石人,副教授,研究方向:振动分析与控制,系统检测及故障诊断,发表论文30余篇。