大型圆锥破碎机常见故障诊断及维修关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司， 江西 贵溪 335424)

目前，国内外大型矿山破碎工艺流程皆以采用三段一闭路为主。闭路破碎机是实现粗、中、细三段“多破少磨”的关键设备，而圆锥破碎机俗称圆磨，属于大功率高效破碎设备，一直是中细碎坚硬、中硬矿岩设备选择的主流，成为高端市场的热销设备，广泛应用于金属矿山、冶金、化工、建筑、水泥等工业，可将350 mm各种矿岩或鹅卵石等中细碎成10 mm以下不同级别、均匀且小的颗粒，其处理工效高，可缩小入磨粒度。

国内某铜矿属于特大型斑岩铜矿，其斑岩与千枚岩矿石矿量之比为3∶7，以硫化矿石为主，属易选中硬矿石。该矿现有进口HP800圆锥破3台(中碎1台、细碎2台)、进口MP800圆锥破9台(中细碎各4台，顽石破1台)，其工况条件恶劣，作业任务繁重，常因喂料不均、破碎腔过铁或混入不可破碎硬物，突发超载险情，尖峰作业负荷常超过平均负荷的3倍，主要表现为运行电流波动大，破碎效率低，偏心部、支承部故障率偏高，排除故障耗时较长。为改善最终碎矿产品粒度，实现“多碎少磨”和节能降耗，应摸索出大型圆锥破常见故障诊断与维修关键技术，以提高设备碎矿处理能力和使用效率。

1 大型圆锥破碎机设计原理及其分析

1.1 主要设计原理

大型圆锥破作业时，电动机带动传动轴、圆锥齿轮，由主轴驱动动锥衬板作偏心旋转，动锥时而靠近、时而远离固定外锥，使矿物持续受到挤压和冲击，进而完成破碎和排料[1]。其结构设计复杂，如破碎腔形状的主要设计要求是提高机器产能、破碎效率；防止机器超载、堵塞；碎矿排出顺畅；物料在破碎腔内分布均匀；衬板磨损均匀；保证碎矿粒度细小而均匀。其主要结构性能包括平行区长度；给、排料口尺寸；悬架高度等。其主要技术性能参数包括偏心度y、转速n、排料口摆动行程St、偏心距e等。

大型弹簧圆锥破的主要设计要求是靠调节弹簧来调节排料口尺寸，以悬挂点与动锥的底点为不动点，松开弹簧可增大排料口尺寸；拧紧弹簧则减小排料口尺寸。大型液压圆锥破的主要设计要求是靠驱动液压缸活塞来调节排料口尺寸；以定锥的底点为不动点，仅需控制液压缸回油量来缩小排料口尺寸，控制液压缸进油量来增大排料口尺寸。单缸液压破的主要设计要求是靠动锥单向挤压和弯曲破碎物料；调整排矿口大小控制产品粒度，物料相互作用较弱，破碎过程无选择性，发展受限；需缩小排料口获得小粒度产品，但物料易堵塞，使产量锐减，可增大排料口、加大摆程及提高动锥转速等；为改善该机性能，AC公司推出高能液压圆锥破，电动机功率更大，可提高产量，降低产品粒度；改进破碎机腔型、提高动锥摆动次数，能大幅提高山特维克单缸液压破的性能，其独特优点是结构简单、性能稳定、制造成本低、维修便利。多缸液压破的主要设计要求是高摆频、大摆程、大底锥角且三者必须达到最优匹配；优化型破碎腔采用层压破碎原理，实现选择性破碎，再输入高能量，以满足“多碎少磨”工艺要求，在单缸液压圆锥破的基础上又节能降耗，性能更优越。

现以HP800圆锥破为例。它属于MetsMineralsHP系列，主要用作中细碎破碎。它是在Symons圆锥破、Gyradisc Crushers 旋盘破和Omnicone液压圆锥破的基础上，成功研制的高能层压多缸液压圆锥破，主要包括动锥、定锥、主轴、水平轴、传动装置、主机架、锁紧缸、释放缸、调整环、锁紧环、液压锁紧和马达调整系统、液压和润滑系统及智能化控制系统等部分。它由液压马达驱动，靠升降调整环上的定锥来调整排矿口大小；过载时，巨大的破碎力可使调整环抬起，提供过铁保护。它采用“层压破碎”原理和挤满给矿方式，定量向物料层施压，全方位挤压、磨剥、剪切物料，破碎效果好，对基础的冲击振动小，可使物料破碎更充分，成品粒度更均匀，粒形更优异，经济使用价值更高。

1.2 主要分类及选用原则

随着我国经济发展的突飞猛进和碎矿技术进步，大型圆锥破结构性能显著提高，多系列、多型号产品层出不穷，其中最具代表性的主要有RY、CS系列弹簧圆锥破，可分为特粗、粗、中、细碎型，突遇异物不可破碎或其它特殊状况，弹簧保险系统启动，能避免破碎物过硬损伤机体且予以保护；SMG系列液压圆锥破既有原破碎机优点，又可根据物料形状、物理特性等满足不同加工需求，有多种破碎腔可选；HCS系列高效液压圆锥破以破碎中硬及以上的矿岩为主；HPC系列高能液压圆锥破是破碎速度、偏心距(冲程)及高性能破碎腔型设计的完美结合，形成了高转速、高破碎容量、独特的专利设计，其产能、破碎效率、稳定性高且易维护，适用于中细碎、超细碎作业。

选用大型圆锥破时，应综合考量破碎比、处理量、最终产品粒级等破碎目的之不同，破碎物料的硬度、含矿量、含水量、含泥量、给料粒度分布和冲击功指数等技术参数的差异，破碎机工况条件、性能区别等。Symons圆锥破选用原则是由入料粒度、排料粒大小决定，入料粒度小，产品粒度细，应选用细、中型圆锥破，反之选用粗、特粗型圆锥破；标准型、短头型圆锥破分别以应用开路、闭路循环居多；其入料粒度尺寸=0.85×开边最大进料口尺寸，产品平均尺寸=最大入料÷破碎比。液压圆锥破选用原则是多缸液压圆锥破适用于破碎硬度大、难破碎的物料；底部单缸液压破适用于破碎中软物料；中速圆锥破适用于破碎含水量多、腐蚀性高的物料；高速圆锥破适用于处理最终产品，破碎极细物料。

衬板的选用原则是根据最大给料尺寸、粒度变化、给料粒度分布、物料硬度和耐磨性来决定，应优先考虑产量、功耗和耐磨性。长衬板功耗更高，对硬、软物料应分别选用短、长衬板；在物料分布上，粗、细物料应分别选用长、短衬板；在进料粒度分布上，小于闭口边排料口的物料不得大于10%，否则功耗上升，产品粒度会变成片状；在物料水分上，通常不超过5%，因为粘性物料含水份量的上升皆能影响物料的通过量；在功率使用上，标准型、短头型圆锥破应分别达到75%～80%、80%～85%。

1.3 运动学与动力学分析

大型圆锥破碎矿作业时，作空间摆动的动锥轴线与机器中心线形成夹角β且相交于O点，动锥则以O点为定点作圆锥面运动。由动锥绕机器中心线作旋转运动(进给或牵引运动)、绕自身轴线作旋转运动(自转或相对运动)组成复杂的规则运动，可归结为动锥绕瞬时轴线旋转的角速度向量是按平行四边形法则而相加，即进给和自转角速度向量的几何和；角速度向量的所在线与动锥的转动轴相重合，其方向决定于右螺旋规则。根据运动学分析，大型圆锥破主要研究动锥自转原理、偏心部件(动锥与偏心套)角速度之间的关系。设计破碎机时，必须掌握动锥的运动规律，以确定最佳运动状态；使用检修破碎机时，需制定合理工作制度，以正确诊断设备故障，确保偏心部件检修质量等。

大型圆锥破腔体最小的位置为阻塞点，而该点则为单颗粒破碎和层压破碎的分界点[2]。根据动力学分析，动锥、偏心轴套的质心皆不在其回转中心线上，由动锥产生的惯性力、惯性力矩是呈周期性、对回转中心的，因而对偏心轴套的惯性力设计就显得极为重要。碎矿作业时，动锥、偏心轴套的惯性力远小于破碎力，根本体现不出其危害性，特别是破碎机空转或物料由少到多直至满负荷运转时，惯性力、惯性力矩会逐步使偏心角α增大，但偏心角α受到机架轴套的限制不能增大；惯性力、惯性力矩作用于机架上时，则成为呈周期性变化的动载荷，对球面轴套、机架衬套产生的作用力会随偏心轴套回转，产生有害的冲击振动，必须平衡惯性力、惯性力矩的大小和方向，保障机器的正常运行。

2 大型圆锥破碎机常见故障诊断及维修关键技术研究

2.1 油压、油温异常

大型圆锥破内的油路或稀油润滑系统油管堵塞时，易引起油压、油温同时升高(回油管堵塞时，水封防尘装置处漏油，使水封排水中带油，但油压未升高)，需停机排除故障；偏心轴套部分故障，油温>55 ℃、油压未升高时，应停机排除直衬套、锥衬套故障；过滤器堵塞时，其前后油管油压不同，若油压差>0.04 MPa，可先不经过滤器供油，再拆洗过滤器，但直接向破碎机供油应小于2～3 h；油温低，油开关未开好，油泵运转不良时，会引起油量指示器内无油流，油泵虽运转，但油压<0.05 MPa，需加热油、开好油开关，检修或更换油泵；冬季油温太低，安全阀失灵或泵油能力太大，给油压力过大时，会使破碎圆锥被抬起，应加热油、调整安全阀或更换油泵；轴承、衬套、轴套、锥齿轮等部位故障，环境温度过高，无冷却水、冷却水水压低或冷却器堵塞，引起油温>60 ℃时，应停机排除故障，并供给冷却水、增大冷却水水压或清洗冷却器。

2.2 电流过高

大型圆锥破给矿过多、不均、含粉矿过多或潮湿，应调整设备均匀连续给矿，给矿前清除含粉矿过多的矿石；润滑不良时，需拆检、润滑运动部件；轴承或球面轴承损坏时，需更换备件；轴承接触面接触不良时，应重新刮研或更换；大圆锥齿轮上部与球面轴承座下部产生摩擦，应在球面轴承座下部加垫；主轴折断时，则换主轴。

2.3 圆锥衬板磨损失效

大型圆锥破转速高、破碎力大，压缩、剪切压力巨大，圆锥衬板易发生切削、塑变和疲劳等磨损失效形式，产生复塑性变形、疲劳裂纹剥落等，损耗量最大。面对“贫、细、杂、难磨、难选”等矿性多变难题，该矿持续对衬板结构参数进行优化改进和试验研究，衬板制作由原“标配”改为随时定制，使用寿命波动较大；而进口衬板制作、运输、报关等程序复杂，供货渠道少、手续繁琐、交货期长、费用昂贵等是美卓公司的“短板”，严重影响时效，易错过最佳矿性匹配时间。

为降低HP800圆锥破衬板损耗，该矿发明了“调整环读齿法”，检测衬板磨损度相对准确，又分别给圆锥动锥、机架增设了“防护裙”“马甲”，并改变下矿点，使衬板使用寿命大增。为降低MP800圆锥破衬板损耗，通过优化衬板相关性能参数及试验性研究，国产衬板优化快、供货及时，细中碎衬板质量已赶超进口水平，年可节约采购成本超过20%。该选厂采用“进口+国产”完美组合是进口衬板难以匹敌的，2017年底JY800国产化圆锥破又整体落户该矿，比进口圆锥破性价比更高，更能适应实际生产需求。

2.4 动锥铜套烧损

该故障主要表现为破碎机电流过高，停机后不启动；有细粉黏料在破碎腔内、动锥表面偏上部位形成结饼。该故障主因是新换10 mm筛网筛除细粉黏料不彻底，破碎腔易形成结饼，而给矿机采用自动功率模式运行，停止喂料不及时，引起破碎机高电流持续运行约3 min，温度陡升，动锥铜套烧损；原电脑软件保护装置极限电流保护值即系统默认值设置过高，电流分别为90 A或75 A时，停机给料延时分别设定为5 s或30 s。

为避免偏析给料，保证沿破碎腔四周给料均匀，大型圆锥破应实行挤满给料运行方式，将起料位、目标料位分别设定于破碎腔内、高于分料盘顶部300 mm处，使矿料充满至覆盖分料盘；电脑显示屏主界面可增设破碎机电流调节系统、电流表且设定好上限值，采用自动功率模式运行，操作工能实时掌控破碎机工作电流的变化，并根据来料性质的变化来调节，改变以往破碎机的料位、工作电流仅靠调小排料口来控制的做法，避免破碎机在黏料且排料口过小时运行；应重新设定极限电流保护值，当电流分别达到62 A、62 A以上或70 A以上时，应立即停止给料、延时3s停主机或立即停主机；应增设高电流自动报警响铃装置，破碎机的工作电流>60 A时，会持续铃声报警。

2.5 主轴衬套烧损

大型圆锥破油泵泵油能力不足或油管堵塞，引起主轴衬套缺油时，油膜瞬间破裂，易烧损铜套，要定期排查油泵、管路，确保供油充足；更换衬套后，跑合期加载过快，易烧损铜套，应逐渐加载，确保主轴与新衬套接触良好；主轴与主轴衬套配合不良、间隙不当，主轴弯曲变形，与主轴衬套配合不良，破碎机运转发热，或破碎腔过铁，瞬间载荷极大，油膜遭破坏时，皆易烧损铜套，必须保证主轴与主轴衬套配合良好、间隙适宜，定期排查主轴状态，或在给矿胶带上增设状态灵敏可靠的金属探测仪，杜绝过铁现象。

2.6 破碎机“飞车”

该故障主要表现为大型圆锥破动锥自转速度异常。飞车时，碎矿来不及排出形成堵矿，破碎机超负荷运转，瞬间振动剧烈，工作电流陡增，回油温度骤升，惯性冲击力过大，严重挤压锥形铜套，易发生主电机烧毁、锥齿轮打齿、主轴断裂、机架开裂等突发事故。其故障主因是轴衬内壁刮研不良、装配不当或磨损过甚；破碎机运行磨合不充分，主轴与轴衬之间润滑油膜强度不足；轴衬与主轴配合良好，但动锥球面与碗形轴承磨损；过铁瞬时负荷过大，机体动平衡遭破坏；偏心轴套底部止推轴承磨损；冷却器故障或冷却能力低于系统产生热量；油压过高，主轴易失去动平衡；润滑油油质不良或遭污染，粘度变低。

应保证动锥主轴与轴衬的间隙适当，改变碗形轴承架与机体接触面的垫铁厚度；刮研或更换轴衬时，要保证其内锥孔上部1/3长度内的刮研质量，轴衬磨损面在偏心轴套的轻面，而重面难磨损，可转动轴衬180°简单处理后使用；若轴衬开裂且磨损较轻时，可在开裂处钻Φ8～10 mm的止裂孔，刮研后再用；正确刮研碗形轴承，可保证其与动锥球面接触良好；可在轻度磨损的偏心轴套上圆盘另一侧钻孔，调面再用，对重度磨损的则采用堆焊再车削修复；装配修复圆盘时，需在下圆盘下面垫铁，保证齿轮啮合间隙；应定期清洗、更换过滤器和热交换器，确保润滑冷却效果良好，保证润滑系统供油压力、温度、粘度、油质等正常，形成油膜强度高；将铜竖套改为尼龙竖套，使用效果极佳，尼龙套的塑性变形可弥补偏心轴套内锥孔向内凸起的轻微变形，它与主轴胶合后的粘结强度远低于铜套或合金套，发生飞车的动力极小，但采用尼龙轴衬油温较高，对冷却系统要求较高。

2.7 锥齿磨损过甚、打齿

大型液压圆锥破过铁状况虽少，但易磨损、打齿或伞形齿被根切，需频繁检修，且每次检修近24 h或更长，若外购伞形齿，检修时间难估。圆锥破设备状态和检修的不可控，会直接影响到渣铁筛分生产计划安排和经济指标的完成，形成生产技术“瓶颈”。其故障主因是保护装置不完善；喂入渣铁物料规格虽符合或超过大型圆锥破的设计要求，但进渣量过大或≥130 mm；喂入渣铁物料超过设备过铁最大尺寸而被卡死；圆锥破被堵停机，带重负载强行启动；配置传动电机不匹配，严重影响效率和设备正常运行。

应改进设备材质、堆焊硬质合金或综合处理；设计两道除铁，除原有喂入渣料皮带头轮除铁外，在喂入渣料的皮带上增设永磁吊挂除铁装置，可有效避免渣铁混入破碎腔；在带重载情况下，调整设备保护装置的电流，使其无法强行启动或瞬间保护跳闸；月检发现液压油箱内部的金属含量超标时，需及时处理；完善操作制度，加强对破碎机过铁的监管和连带责任考核，可提高机器作业效率和使用寿命，大幅降低运行成本。

2.8 调整环跳动频繁

试运行时，大型圆锥破沿破碎腔四周给料不均或偏析，难以实现挤满给矿，运行电流波动大，常使调整环产生跳动。而改进给矿料斗和动锥分料盘，可实现均匀挤满布矿[3]。要严格控制入料粒度，防止非破碎物混入破碎腔内；要锁紧调整帽；启动圆锥破前，需全方位排查，保证调整环、锁紧环螺纹的间隙合理，增大锁紧行程，减少调整环、锁紧环螺纹和锁紧螺栓的磨损；给矿漏斗设计极为重要，应保证落料中心尽量靠近破碎机中心；过载、过铁、筛分效率低下或超出设计限制条件时，锁紧螺栓易过载断裂，需更换新备件，调整好调整环、锁紧环间隙，且根据矿石性质将排矿口尺寸调整至适宜尺寸。

2.9 过铁及瞬时闷车

大型圆锥破过铁特别是高锰钢物件会使瞬间载荷陡增，迫使油膜破裂，易烧损铜套，且频繁过铁易引起断轴事故，危害极大，故过铁释放问题至关重要。一旦过铁及瞬时闷车，其液压自动过铁能液压起顶、自动排料，使铁块通过破碎腔；为保险起见，应增设金属探测仪，并使之保持灵敏可靠的状态，可实时监测过铁状况，避免因过铁卡死而停机，大幅降低了需停机进行人工排料的烦扰，保证在极端工况下实现效益最大化。

2.10 主轴变形、裂纹或断轴

采运矿石过程中，易掺杂来源不明的铰接销轴、铲齿、轴承、螺栓等易损件，若给矿胶带电磁铁吸附能力低、金属探测仪失灵，无法排出易损件，易引起大型圆锥破过铁频繁；给料过多，超负荷运行，频繁过载，主轴长期承受巨大的冲击、振动，易产生疲劳裂纹、变形或折断。缩小排矿口常可保证产品粒度合格，却会增加破碎腔过铁时卡铁、主轴危险断面弯曲应力达到最大值的次数，缩短主轴寿命；一旦偏心套、传动齿轮、传动轴等零件碎裂片混入啮合锥齿轮中，传动齿轮易崩损，使主轴压力陡增而断裂；主轴衬套烧损引起高温，易使主轴产生表面龟裂、变形或断轴；主轴结构设计、润滑系统油温保护设定值不合理，主轴材质、制造质量不良时，也会断轴。应定期润滑点检设备，保障各铰接销轴、铲斗、齿轮及运输带等的完好性，更换吸附能力强的电磁铁，保持给矿胶带金属探测仪灵敏可靠，及时监测过铁状况，确保无金属杂质掺杂[4]，适时维修或更换严重磨损件等。

2.11 球面瓦磨损、裂纹、烧损

大型圆锥破破碎作业时，锥球面相配合，球面瓦即球面轴承常易磨损或损坏，需及时更换备件，而动锥球面基本无磨损。球面轴承接触点数及接触面润滑不良，润滑油量、油压不足，油质不干净或粘度不合适，造成摩擦力增大，易使球面瓦磨损加剧，油沟深度变低、油量不足，导致油膜破裂；球面瓦磨损是由外圈向内圈渐进的过程，使用至后期内圈偶尔接触相当于球面轴承缩小，超出球面轴承以外的支反力会使动锥失稳，导致锥衬套下口卡住主轴而产生裂纹、损坏或“飞车”现象。油沟深度低于极限值时，需更换球面瓦。多次拆检易损伤球面瓦表面，导致其与瓦架过盈配合失效而松动，需更换；油路堵塞时，会使动锥主轴中心油孔缺油，也会酿成球面瓦烧毁的事故，要保证油路通畅。

2.12 润滑油失效

大型圆锥破运转过程中，防尘橡胶圈磨损严重引起密封不良时，机体内润滑油中易侵入大量粉尘，使油质迅速劣化，导致润滑不良，使用寿命骤降，易发生圆锥齿轮磨损过甚、轮齿折断、动锥高速旋转、抱轴或刮瓦等事故。正压风量不足会使润滑腔内的正压降低，易吸入粉尘，使油质快速劣化，需常检查破碎机正压吹风系统的正压风量；TU型迷宫密封失效，破碎腔内、润滑系统易侵入大量灰尘，使润滑油失效，应定期检查迷宫密封；超过使用周期20 000 h后，润滑油粘度等指标会骤降，必须定期更换。

2.13 破碎机振动过大

大型圆锥破喂料过多或不均，排料口过小，给料中有一定的细料和粘性物料，弹簧力不足时，常引起破碎机振动过大。应正确给料，将排料口调整在允许范围内，减少进料中的细料和粘性物料，按规定扭紧弹簧上压紧螺母或更换弹簧；锥形衬套间隙不足，主轴与衬套之间缺油或油中侵入灰尘，由于碗形轴承瓦磨损或制造原因，使接触面深达内圆，圆锥躯体下沉时，引起破碎机强烈振动，破碎圆锥部自转很高，应拆检或更换衬套、主轴等，排查缺油原因并消除；合理调整衬套间隙；重新刮研且达到要求。

3 结语

破磨作业是选矿的龙头，而大型圆锥破是“巨无霸”和钢耗能耗大户，其最终研究目的是降本增效，实现“多碎少磨”是其关键技术问题，降低破碎产品最终粒度是其重要监控指标。对此，要不断摸索出大型圆锥破零部件疲劳、磨损、变形、腐蚀等诱因及损坏规律，使用维修不当等导致事故性损坏的原因，掌握其常见故障诊断及维修关键技术，降低设备故障率，避免“过铁”、“卡壳”现象[5]，延长机器使用寿命，从而大幅提高矿山碎矿效率和产能。