矿用破碎机破碎效率优化分析

赵晋兵，朱殿瑞

(1.山西西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200;2.太原重工 轧钢设备分公司，山西 太原 030024)

0 引言

颚式破碎机是大块煤炭粗、中破碎的首选设备，其料口尺寸、啮角、颚板位置、曲柄转速等均对其破碎效率有影响。目前，大部分颚式破碎机的曲柄均以恒定转速来调整活动颚板与固定颚板之间的碎料腔。为优化传统破碎机因曲柄转速恒定而无法提高破碎效率的情况，本文以PEF500×760型复摆颚式破碎机为研究对象，设计了一套颚式破碎机曲柄调速的电机控制系统。该系统以破碎机生产能力为目标函数，分析排料腔与曲柄转速之间的关系，通过调整曲柄转速来保证破碎质量，提高破碎效率。

1 生产能力与曲柄转速关系的建立

所谓生产能力是指根据质量守恒原理，以曲柄转动一周松散棱柱型的矿石为单位，在规定时间内破碎机排出的碎料量。

根据层压破碎理论，曲柄带动颚板往复运动一次，受破碎的矿石会逐层下移排出破碎腔，具体单位时间内的排料质量，只需要计算单层的排料质量即可。破碎层横截面示意图如图1所示，破碎腔末端分割线为G1C，上一层分割线为K1Z，破碎机生产能力Q(t/h)计算公式为：

Q=60nSBρμ.

(1)

其中：n为曲柄转速，r/min；S为活动颚板与固定颚板之间的横截面积，即图1中ZK1IG1C围成的面积，m2；B为破碎腔纵向宽度，m；ρ为矿石密度，t/m3；μ为矿石松散系数。

图1 破碎层横截面示意图

根据公式(1)，以花岗岩矿石破碎为例，结合层压破碎理论计算可得到生产能力与曲柄转速之间的关系。假设破碎腔纵向宽度为1 m，花岗岩密度为3 t/m3，松散系数为0.7，得到的PEF500×760型复摆颚式破碎机曲柄转速与生产能力的关系如图2所示。

从图2可以看出：在破碎机结构参数不变的情况下，曲柄在180 r/min～220 r/min较低转速时，破碎机生产能力与曲柄转速几乎成正比例上升，这是由于曲柄转速的提高，增加了活动颚板的破碎频率，矿石被破碎的次数上升，致使矿石下落速度变快；但随着曲柄转速的逐渐升高，生产能力的上升趋势逐渐减小，在曲柄转速为300 r/min时生产能力达到最高值，这是因为随着曲柄转速的增加，动颚板的破碎周期逐渐减小，给大煤块的下落时间缩短，造成了物料堵塞；当曲柄转速超过300 r/min后，生产能力逐渐降低，这时的物料堵塞已经相对严重，碎料滞留破碎腔，降低了破碎效率。综合上述分析可以看出：破碎机的曲柄转速并不是越快越好，而是应该结合破碎腔型合理选择转速才能使生产能力最大化。

图2 曲柄转速与生产能力关系

2 破碎机生产能力优化

结合上述计算分析，将生产能力的优化按照非线性规划问题利用MATLAB编写目标函数进行优化设计。破碎机的生产能力是由曲柄转速和破碎腔型决定的。其中，破碎腔型尺寸是由进料口尺寸L1、出料口尺寸L2、啮合角L3和传动角L4等尺寸组成。因此，将上述参数与曲柄转速定义为设计变量，将生产能力作为目标函数，以fimicon函数格式为模板，用有效集法计算目标函数的最优解。

有效集法最优解的基本思想在于：将已经确定的设计变量作为起始数据，利用起始数据通过等式方程作为约束，通过计算得出在以上约束下目标函数和其余设计变量的极值，多次迭代后产生最优解。优化过程程序框图如图3所示。

图3 优化过程程序框图

将破碎机进行目标函数优化，所选定的设计变量并不是任意选取的，因此为保证优化的合理性及有效性，需给设计变量增加约束条件。根据研究对象PEF500×760型复摆颚式破碎机的参数可知具体约束如下：

(1) 650 mm≤L1≤760 mm。

(2) 125 mm≤L2≤140 mm。

(3) 通过研究发现啮合角减小，破碎效率升高，但会增加破碎机高度和质量，其约束条件通常为21°≤L3≤23°。

(4) 传动角为动颚与肘板之间的夹角，传动角的大小决定了颚板力的传递，根据机械原理，一般取值为50°≤L4≤60°。

(5) 180 r/min≤n≤340 r/min。

按照优化方法进行计算后，破碎机的生产能力从原来的464.2 t/h上升至540.3 t/h，产量提高了16.2%。仿真计算结果表明：按照上述优化程序在颚式破碎机在生产过程中检测并调整曲柄转速能够有效提高破碎效率。

3 电机转速控制

为实现对曲柄转速的控制，设计了新的电机控制系统，利用变频控制器调整三相异步电机转速，达到了调整曲柄转速的目的。转速控制系统结构框图如图4所示。

图4 转速控制系统结构框图

控制系统包括三个部分：

(1) 检测电路：检测电机转速、破碎腔相关参数等。

(2) 运算电路：优化程序执行运算核心控制模块，提出最优解。

(3) 驱动电路：控制电机转速。

变频控制器采用功率均衡原则选取，变频控制器容量Pcn(kW)计算公式为：

(2)

变频控制器额定电流Icn(A)为：

Icn≥kIe.

(3)

其中：PM为电动机额定功率，kW，本破碎机电动机功率为40 kW；k为电流波形补偿系数，一般取1.05；ξ为电动机效率，ξ=0.905；cosφ为功率因数，cosφ=0.89；Ie为电动机额定电流，A，本破碎机电动机额定电流为68.7 A。

通过计算，变频控制器额定容量为48 kW、额定电流为73.3 A。决定选用西门子MM440系列中6SE6440-2UD33-5FB1变频器，其额定容量为55 kW、额定电流为110 A。

4 优化前、后对比

为验证电机转速提高对破碎效率的有效性，将含调速控制系统的颚式破碎机与传统颚式破碎机进行了破碎试验比较，破碎后尺寸较小的碎料占总质量的比例越大，破碎质量越高，对比结果如图5所示。

图5 优化前、后的碎料粒度特征曲线

从图5中可以看出：含调速控制系统的颚板破碎机占比最大的碎料尺寸为30 mm，传统破碎机占比最大的碎料尺寸为40 mm；含调速控制系统的颚板破碎机0 mm～50 mm碎料的占比为38.65%，比传统破碎机高出8.92%，50 mm～100 mm碎料的占比为31.21%，与传统破碎机相仿，100 mm～140 mm碎料的占比为30.14%，比传统破碎机低8.38%。由以上数据可以判断，增加了调速控制系统后，破碎机的破碎质量明显提高。

5 结论

将PEF500×760型复摆颚式破碎机作为研究对象，分析了曲柄转速无法调节致使破碎效率下降的问题，以生产能力为目标函数，设计出一套调节曲柄转速的变频控制系统，通过现场试验，得出如下结论：

(1) 颚式破碎机曲柄的转速快慢对生产能力有很大影响，但并不是转速越快，生产能力越好。

(2) 以生产能力为目标函数，动定颚板尺寸及转速为设计变量，利用MATLAB编写了转速控制程序，仿真分析发现该程序可有效提高破碎效率。

(3) 设计新型变频控制器用于检测并调整破碎机曲柄转速，通过现场试验对比发现，调整曲柄转速不但能够提高破碎效率，还能保证破碎质量。