颚式破碎机结构设计研究

陈峰 温海生

摘 要：复摆颚式破碎机的技术性能，主要受结构参数及主参数的影响。由于在设计中影响参数的因素较多，精确计算的难度较高。因此，在设计破碎机参数时，可根据其性能要求，采用经验公式计算。在本文中，笔者从参数设计和机架模态分析两个方面探讨了颚式破碎机的结构改造与设计。

关键词：颚式破碎机;结构改造;设计;研究

在中等石料破碎中，常用的破碎设备为复摆颚式破碎机，由于该种类型的破碎机价格低、结构简单，且易于操作，成为生产和应用最为广泛的破碎机类型[1]。颚式破碎机的性能，受结构参数的影响较大，本文对复摆颚式破碎机的结构参数及主参数进行计算，进而优化破碎机的结构和性能。

1.破碎机的结构参数设计

1.1 技术参数要求

颚式破碎机包括动颚、定颚和推力板等，小型PE250×400型复摆颚式破碎机的技术参数要求，详见表1。

表1  250×400型复摆颚式破碎机技术参数表

进料口尺寸

（250×400）mm

出料口尺寸

20～40mm

进料块最大尺寸

210mm

产量

7.5㎡·h

物料最大抗压强度

MPa

1.2破碎机的结构参数设计分析

（1）啮角α。定颚与动颚之间的夹角称之为啮角，主要受物料粒度大小、形状和性质等影响，对破碎机的生产效率、破碎腔敢赌均有直接性影响[2]。如啮角较小，可提升生产率，在如果破碎比一定，则会增加破碎腔的高度。如啮角过大，虽然破碎腔高度降低，但进料口的物料无法被颚齿板夹住，生产率无法保证。在物料被夹持时，x、y两个方向分力之和为0，计算公式为：

Tanα=2f/（1-f2）

其中，f表示动颚齿板与物料之间的摩擦系数，f为0.3。在实际的生产中，该角度值一般取理论值的65%，因此破碎机的啮角α为22°。

（2）动颚水平形成Sx。破碎机动颚的水平行程，对生产效率也具有一定的影响。一般而言，行程小则效率低，行程大则生产效率高。但如果排料口水平行程过大，物料可能堆积在排料口，损坏过载保护部件[3]。动颚水平行程的计算公式为：

Sx≤（0.3～0.4）bmin

Sx-0.054B

其中，bmin表示排料口的最小尺寸;B表示进料口的宽度，单位mm。根据该破碎机的技术参数，得到B为250mm，Sx为13.5mm。

（3）偏心距e。破碎机的传动功率和生产率，均受偏心距的影响。在设计破碎机时，应将其作为一个重要的参数，适当增加偏心距，可提高其生产效率。不过也会增加功率消耗[4]。因此，在水平行程一定情况下，可减小偏心距。偏心距的大小，根据动颚行程决定，经验计算公式如下：

e=Sx/2.2

将上文中计算得到的Sx值代入，得到e值为6.1mm。

1.3 主参数设计

（1）最大破碎力。最大破碎力的确定，存在两种方法：第一，按照破碎机的结构接功率，推导出理论计算公式;第二，按照实验及实际数据，获取经验计算公式[5]。由于多种因素的影响，理论值与实际值之间往往差距较大，因此多用经验理论公式来计算，最大破碎力的计算公式如下：

Fmax=εBHBK/20

其中，εB表示物料抗压强度，单位MPa;K表示物料充填系数;H表示破碎腔有效高度，单位mm。经计算得到Fmax为756000kN。

（2）主轴转速。颚式破碎机传动件偏心轴为主轴，为其主要的性能参数之一。因此，主轴的参数对生产效率、过粉碎产品含量与比功耗等均有重要的影响。转速的计算公式为：

n=665tanα/Sx

经计算，得到偏心轴转速n为114r/min。

（3）电动机功率。电动机功率由动力源与工作条件两个因素决定，复摆颚式破碎机的电动机功率，与动颚水平行程、偏心距、规格、偏心轴专属和物料特性等，均具有一定的相关性。所以，破碎电动机功率的计算公式为：

P=0.114LDmax

其中，L表示进料口长度，单位mm;Dmax表示最大给料粒度，单位mm。经计算得出P=9.765kW。

2.机架的模态分析

2.1 三维建模

Solidwords软件的三维建模与虚拟装配功能强大，在建模时，通过旋转、切割和拉伸，以及参数化建模方法，对破碎机的各个零件行三维实体建模，并采用虚拟方法装配。

2.2 网格划分

将破碎机机架三维实体模型导入有限元软件ANSYSWorkbench中，并设置各参数，然后进行网格划分。按照不装配体的不同位置、尺寸，调整网格尺寸，共得到21808个单元和55742个结点。

2.3 约束及求解

对破碎机机架进行固定支承约束，模拟工作下的状态。由于四自由模态分析，无需添加外荷载，因此工作转速低，在设置求解器时，进提取前6阶模态即可。

2.4 模态计算结果

破碎机各阶的频率依次为：1阶：175.9Hz;2阶，248Hz;3阶，317.5Hz;4阶，378.3Hz;5阶，405.3Hz;6阶;443.2Hz。模态计算公式为：

f=3.14ndnr/60L

经计算，得到f为2.6Hz。由此可知，驱动电动机、皮带转动及驱动传动造成的激励频率低于机架最低固有频率，不会产生机架共振现象。

3.结语

本文根据颚式破碎机的技术参数要求，利用计算公式，主要是经验计算公式，设计并计算出复摆颚式破碎机的啮角α、偏心距和动颚水平行程等结构参数，主轴转速、电动机功率、生产率和最大破碎力等主参数，并探讨了机架的模态分析结果，完成了对破碎机结构的改造及设计。

参考文献：

[1]罗红萍.复摆颚式破碎机颚板失效分析及材料选择[J].矿山机械，2012，5：62-65.

[2]褚志明.复摆颚式破碎机的动颚行程计算[J].机械工程与自动化，2010，11：153-154.

[3]王军峰，孙康，陈锋.PE250×400型复摆颚式破碎机的参数设计[J].矿山机械，2012，10：73-74.

[4]肖永山，刘少军，宋福民.基于有限元方法的贴片整机模态研究[J].机械设计与研究，2010，12：103-106.

经计算，得到偏心轴转速n为114r/min。

（3）电动机功率。电动机功率由动力源与工作条件两个因素决定，复摆颚式破碎机的电动机功率，与动颚水平行程、偏心距、规格、偏心轴专属和物料特性等，均具有一定的相关性。所以，破碎电动机功率的计算公式为：

P=0.114LDmax

其中，L表示进料口长度，单位mm;Dmax表示最大给料粒度，单位mm。经计算得出P=9.765kW。

2.机架的模态分析

2.1 三维建模

Solidwords软件的三维建模与虚拟装配功能强大，在建模时，通过旋转、切割和拉伸，以及参数化建模方法，对破碎机的各个零件行三维实体建模，并采用虚拟方法装配。

2.2 网格划分

将破碎机机架三维实体模型导入有限元软件ANSYSWorkbench中，并设置各参数，然后进行网格划分。按照不装配体的不同位置、尺寸，调整网格尺寸，共得到21808个单元和55742个结点。

2.3 约束及求解

对破碎机机架进行固定支承约束，模拟工作下的状态。由于四自由模态分析，无需添加外荷载，因此工作转速低，在设置求解器时，进提取前6阶模态即可。

2.4 模态计算结果

破碎机各阶的频率依次为：1阶：175.9Hz;2阶，248Hz;3阶，317.5Hz;4阶，378.3Hz;5阶，405.3Hz;6阶;443.2Hz。模态计算公式为：

f=3.14ndnr/60L

经计算，得到f为2.6Hz。由此可知，驱动电动机、皮带转动及驱动传动造成的激励频率低于机架最低固有频率，不会产生机架共振现象。

3.结语

本文根据颚式破碎机的技术参数要求，利用计算公式，主要是经验计算公式，设计并计算出复摆颚式破碎机的啮角α、偏心距和动颚水平行程等结构参数，主轴转速、电动机功率、生产率和最大破碎力等主参数，并探讨了机架的模态分析结果，完成了对破碎机结构的改造及设计。

参考文献：

[1]罗红萍.复摆颚式破碎机颚板失效分析及材料选择[J].矿山机械，2012，5：62-65.

[2]褚志明.复摆颚式破碎机的动颚行程计算[J].机械工程与自动化，2010，11：153-154.

[3]王军峰，孙康，陈锋.PE250×400型复摆颚式破碎机的参数设计[J].矿山机械，2012，10：73-74.

[4]肖永山，刘少军，宋福民.基于有限元方法的贴片整机模态研究[J].机械设计与研究，2010，12：103-106.