海绵钛破碎过程中降低剪切式破碎机故障率措施浅析

王再军 岑春铁

贵州遵钛集团

海绵钛破碎过程中降低剪切式破碎机故障率措施浅析

王再军 岑春铁

贵州遵钛集团

由于海绵钛具有硬且韧的特殊性质，对其进行破碎一直是一项难度很大的技术对破碎机的性能有着很大的考验。剪切式单辊破碎机作为海绵钛的主要破碎设备，在环境恶劣、持续时间长的工况中，存在着不少突出问题：首先，破碎机齿辊很容易磨损失效而导致设备寿命很低；其次，破碎机破碎线过长，造成海绵钛破碎效率低，且破碎粒度不够均匀。因此，对剪切式单辊破碎机的关键结构进行结构优化设计，改善破碎机的工作性能，提高破碎机的寿命和效率显得意义十分重大。

海绵钛；破碎；故障

一般来说，通过外力把大颗粒物料变为小颗粒物料的过程叫作破碎，所使用的机械装备称为破碎机。物料破碎是一种被广泛应用在矿山、冶金、化工、电力、建材等工业部门的工艺过程，每年全国需要进行破碎的原料和再回收废料数量十分庞大。伴随着现代工业飞速发展，各类金属、非金属矿物及水泥、建材等物料的社会需求量迅速增大，物料的破碎量和破碎设备的需求量也随之加大，这使得破碎行业快速发展起来，成为工业中不可或缺的行业领域。

1 剪切式单辊破碎机的工作原理

剪切式单辊破碎机作为辊式破碎机的一种，破碎主要还是依靠齿辊的转动来完场的。剪切式单無破碎机的破碎原理为：破碎机的电动机通过减速装置带动主轴旋转，主轴又通过键将转速和扭矩带给其上安装的齿辑。物料自上而下通过导料槽从入料口送入，齿維向固定齿板方向转动，将物料咬入破碎腔。随着破碎腔的逐步变小，物料受到来自齿辊辑齿向下的压力越来越大，而固定齿板因阻烧物料向下而产生的摩擦力也随之越来越大，两者合力对物料产生剪切作用，当剪切力达到物料的破碎极限时，物料被剪切破碎，并从排料口排出。此时，破碎机完成一次单级破碎。通过调整固定齿板和齿辑之间的间距可以控制破碎粒度的大小。剪切破碎避免了对物料，尤其是海绵钛的过度挤压，排出料被压实形成的致密块很少。

破碎过程分析：破碎过程大致可分为三步：(1)大块的海绵钦从运输导料槽中排下，落入破碎机的入料日，被正在向固定板转动的破碎齿辊咬入；(2)动力装置的驱动下，破碎机齿辊不断旋转，海绵认在辊齿和固定板的共同作用下承受压力和剪切力，随着破碎空间的逐步减小，所受的力也开始逐步增大，最终被不断破碎成小块；(3)海绵钦被破碎成符合要求的粒度，被破碎机排料排出。

2 剪切式单辊破碎机中存在的问题

剪切式单辊破碎机的工作环境比较恶劣，需承受很大的机械冲击和扭矩。山于其工作部件整体重量大，磨损失效后进行拆装和检修都极为不便。对破碎机的关键零部件进行结构优化设计不仅可以改善设备的破碎性能和破碎效果，还可以延长其使用寿命，降低检修强度和次数，提高经济效益，从各方而看都具有深远的意义。我国目前常用的优化手段就是依靠经验来对原设备进行优化改进，该方法的优点是：在实际工况中，可以针对所出现的毛病和问题进行不断调整，改善后的效果又一可以在实际应用中得到验证，但是山于缺乏对设备的计算和定性分析，经验设计可能需要进行多次尝试和改进才能达到最优，浪费了人力物力和时间，因此还是具有一定局限性。

3 优化海绵钛过程，降低剪切式破碎机故障

3.1 单辊破碎机齿辊的结构优化

由于单辊破碎机的整个齿辊模型结构较复杂但又有具有规律性，因此还是先选取其中一片齿辊进行优化。

3.1.1 确定目标函数和设计变量。想要对齿辊进行优化，第一步就是先建立齿辊的优化数学模型，这就需要确定齿辊优化的设计变量和目标函数。显而易见，齿辊的主要失效形式是齿根的断裂和齿刃的磨损，根据齿辊应力分析可以确定，齿辊在齿刃部位所受的应力最大，即齿刃为最薄弱环节，因此在齿刃处的最大应力值即为目标函数。对该目标函数进行优化也就意味着追求最大应力在一定限制范围内的最小值。对于齿辊的几何参数，有些对其强度有很大影响，而有些无关紧要，因此在选择设计变量时要尽量挑选最重要的影响参数，比如距离、半径、厚度、宽度等，要注意到设计变量选择的不宜太多。

3.1.2 优化设计的求解过程。优化设计的求解过程在经典ANSYS软件中进行，由于之前己经对齿辊建立了有限元模型并分析了其应力，因此在之后进行的求解过程可以在之前分析的基础上进行，步骤可以大致可以分为6步：

(1)在ANSYS界面中进入到后处理阶段后，创建一个齿辊模型优化数据表文件；

(2)在界面菜单中完成对文件路径的定义和数据映射设置，其中需要定义等分参数，本次优化等分参数数值为10；

(3)将齿辊优化文件日志的名字命名为“chigun"，设置齿辊的优化文件：

(4)对齿辊优化模型的设计变量，即对齿辊强度影响较大的结构参数定义名称和变化范围；

(5)对设计变量和目标函数进行设置，将目标函数定义为MISES；(6)选择子问题法作为优化齿辊的方法，并目开始运行程序。

3.1.3 结果优化。对剪切式单辊破碎机的齿辊进行了结构参数优化，将在齿辊齿刃上所受的最大等效应力作为目标函数，通过ANSYS软件优化齿辊的齿宽、齿厚、辊齿倒角和齿辊直径的尺寸，降低了最大应力，达到了优化效果：(1)介绍了优化设计的基本理论和求解方法，并详细介绍了ANSYS软件进行优化设计的特点和步骤；(2)确定齿辊齿刃处的最大应力为目标函数，并设定了4个设计变量的变化范围；(3)运用ANSYS软件对齿辊进行结构优化，通过优化计算得出优化后最大应力的最小值(278MPa)及各尺寸对应的优化值，并分析了优化效果。

剪切式单辊破碎机在实际工况中常常会出现破碎齿辊易磨损，寿命短的问题，大大影响了破碎机的生产质量和使用寿命。本文结合现代计算机技术对剪切式单辊破碎机的关键结构一一齿辊进行了应力和模态的有限元分析，通过对齿辊结构参数的优化提高了齿辊的强度和寿命。

[1] 徐雯. 剪切式海绵钛破碎机关键结构的有限元分析及结构优化[D].兰州理工大学，2014.

[2] 袁聿新. 小粒度海绵钛破碎设备与工艺研究[J]. 稀有金属，1991，04：306-309.

[3] 肖印杰. 谈降低海绵钛中杂质氧含量的途径[J]. 钛工业进展，1998，02：31-33.