环锤式碎煤机的选型设计

张智荣

临汾职业技术学院，山西 临汾041000

破碎机是指通过外力将大颗粒转变成小颗粒材料过程中使用的相应装置，主要应用于矿山，煤炭、水泥、建筑、建材、公路和化工等等行业.在深化国家城镇化建设的前提下，加工效率大大提高，对破碎设备提出了更高的要求.同时，在国内基础工业基础设施大发展的推动下，市场对破碎产品的需求强劲.近年来中国工业的快速发展，矿山机械破碎机产业已成为工业化进程中非常重要的产业.随着中国城市化建设全面进入发展时期，破碎设备企业迎来了前所未有的机遇.本文主要研究的环锤式碎煤机是火电厂输煤系统的主要设备之一，它可以有效且经济地将原煤破碎至规定的粒度以供锅炉使用.

1 碎煤机工作原理

环锤式碎煤机是火电厂输煤系统的重要设备之一，是当前我国碎煤广泛采用的破碎机械，它是利用悬挂于转子上的环锤(高速旋转)，对物料进行冲击及破碎，被冲击后的物料又在环锤及筛板之间受到挤压、剪切、碾磨等作用，达到所需要的粒度以后，再经过筛板栅孔下部出料口排出.

2 机器型号及技术参数

2.1 机器型号

图1 机器型号Fig.1 Machine model type

2.2 技术参数

表1 技术参数Tab.1 Technical parameters

3 碎煤机结构

本机由七大部分组成，如图2，即机体部件1，机盖2，转子3，筛板架调节机构4，筛板架5，前门板6，衬板7(吊转子时须先拆掉)［1］.

机盖和机体部件，全部是采用钢板焊接而成的，机盖和机体通过铰链，用起吊装置可以进行翻转开合，如果需要更换环锤等零件时，先卸下紧固螺栓(在结合面上)，然后利用开启装置打开机盖，从圆盘上把压盖拆下，即可抽出环轴，便可更换.

图2 碎煤机结构Fig.2 Coal crusher structure

4 传动方式

采用YKK 系列的三相异步电动机，通过限矩型液力偶合器同环锤式碎煤机连接，这样可以对碎煤机及电动机起到过载保护的作用.与传统传动方式相比，该系统可以使电动机的配备功率大大减少，达到节约投资降低能耗的目的.

5 转子的工作参数

5.1 转速

它取决于环锤所需的圆周速度和物料所需的破碎粒度，同时不得超过临界转速.线速度越高，破碎比越大［2］，但环锤的磨损也越加剧.环锤式碎煤机的转子载速度一般为:V 介于40 m/s ～45 m/s 之间.转子的转速

式中，D 转子的直径m.

5.2 转动惯量

转动惯量是转子旋转惯性的度量，它于各零件的定量及其回转半径有关，需分别计算而后合成，见表2.

表2 转动惯量计算Tab.2 Calculation of moment of inertia

表中采用了转动惯性的一般表达式I =∫mr2dm 导出的下列公式:

(1)质点I = MR2;(2)圆I = MR2/2;(3)环I = M(R2-r2)/2;(4)矩形I = M(b2+h2)/12;(5)平移I = Ic + Md2，其中，M、R 和m、r 分别为圆形截面外圆和内圆的质量及半径;Mi、ri复合件各部分的质量及半径;单位:M、m—kg;R、r、b、h—m;I—kg·m2.

5.3 转子飞轮矩

即飞轮的惯性矩，也是回转体惯性的度量.在计算上比较方便. 算出飞轮矩，再折算到电机轴上，以备校核功率之用.先用表2 算出I 值(kg m2)在单位上加以换算，即

GDa2= 4gI = 4 ×9.8 ×981.25 = 38 465 N·m2

5.4 转子工作时环锤具有的功能

环锤式碎煤机是利用高速旋转着的环锤获得的动能对物料进行破碎作业的.环锤所具有的功能为

式中，m 转子回转部分的质量，G 环锤的重量kg;g 重量加速度g = 9.8 m/s;v 转子(环锤轨迹圆)线速度m/s.

5.5 环锤的离心力和圆周力

环锤是通过环轴均匀地套在转子圆周上的，可径向自由地串动.工作时既随转子一起公转，受到煤块的反作用力又能绕环轴自转，从而使外缘磨损均匀.一个环锤工作时的离心力(即回转法向惯性力)为

式中，F齿，F圆分别为一个齿环和一个圆环的离心力

其轴功率N = η·Nm= 0.96 ×400 = 384 kW，式中，η 限矩型液力偶合器的效率;Nm电动机功率kW;D 转子直径m.

环锤的离心力对煤块进行冲击和挤压作用，而圆周力施以剪切和研磨，并且清除异杂物.

5.6 转子工作的动力荷载

由于零件的制造和部件装配的误差，易产生转子的质心偏离回转轴心现象，当碎煤机运转时，则产生附加惯性力(动力荷载，亦称扰力)，引起冲击和振动，影响机件的寿命和安装基础的可靠性.

计算扰力值的目的是为碎煤机的安装基础设计进行动力计算提供依据，计算方法是以转子部件来进行，本机的扰力值为

式中，m1转子部件的回转质量;m2液力偶合器涡轮的回转质量;m1= G1/g = 6 972 kg;m2= G2/g =670 kg;e 偏心距m.

转子部件的平衡精度要求e 不大于0.5 mm.为运行安全可靠，计算扰力值时一般取e = 1 mm.［3］

6 碎煤机的生产率

现有的破碎理论均有一定的局限性，没有完全地解释矿物被破碎的实质，所以在计算碎煤机的生产率时，只能采用经验公式进行近似计算.碎煤机属于中细碎机械，应用第二破碎理论(即体积破碎假说)建立生产率的计算公式［4］.

假设碎煤机进行破碎作业时，都是由入料最大块度为d1的立方体块煤，破碎成出料粒度为d2的立方体碎煤.当碎煤机转子旋转一转时，已碎煤的体积为

考虑转子工作时在筛板栅孔上排料不均匀，取系数μ = 0.6 又煤质的堆比重为γ，则碎煤机的最小出力为Q = 188.5LDnd2γμ.取烟煤的平均堆比重γ = 0.9 t/m3，排料不均匀系数μ = 0.1(即碎煤透筛率为90 %)本机的生产为

式中的L，D，d2单位均为m.由计算式可以看出，碎煤机的生产率与转子的直径，工作长度及转速等成正比.由于破碎比i = d1/d2而d2= d1/i 故生产与破碎比成反比.通过碎煤机的出力试验，该计算式比较适用.

7 碎煤机的电机功率

电机功率与给料块度，排料粒度.煤质状况，转子转速等诸多因素有关，煤块在碎煤机破碎腔内的运动很复杂，所以，难以准确地计算碎煤机的成需功率，设计碎煤机时，一般用经验公式或比功率耗近似地计算功率，在转子结构设计完成后，计算出转子的转动惯量和飞轮矩，再校核电机的起动功率［5］.

(1)初定碎煤机的所需功率

a.比功耗法:比功耗是破碎一吨煤所消耗的电能.即

根据选型样本选取电机功率为400 kW.

(2)核算电机起动功率

由于碎煤机转动惯量或正改矩GD2很大，当碎煤机的结构设计完成后，又选定了电动机和液力偶合器，即可在传动设计计算中校核电机的起动功率［6］.

a.转子的静态力矩Ma:转子的静态力矩Ma等于转子自重在两轴承中产生的摩擦力矩Mc，于是

式中，R 两轴承的径向负荷即为转子重量N;r 轴承内半径m;f 摩擦系数，对于双列向心球面湔滚子轴承f= 0.001 8 ～0.002 5.

b.转子的动态力矩Mb

机器转动部分分析处到电机轴上的飞轮力矩GD2为

式中，ηa电动机的效率.∵ 设计选定的电机功率Nm= 400 kW，远大于电机启动所需要的功率，因此，电动机有足够的起动功率.

8 转子的平衡精度

为了提高碎煤机的技术性能，减小振动，达到产品标准规定优等品要求轴承座的单振幅≤0.03 mm，在转子部件的装配工艺过程中需进行两次平衡，一是在未装环锤、环轴前要作静动平衡试验. 二是在装配环锤时作重量平衡［7］.

转子的平衡试验是根据静力等效原理向两校正面简化不平衡惯性力，在设计转子时需确定静动平衡试验的许用平衡量，作为试验的精度要求.

当主轴、键、摇臂、隔套、园盘及锁紧螺母装配后，此时转子重量W =49.7 kN，转子转速n =570.24 r/min，角速度ω = 59.715 rad/s 由于本机的转速较高，故确定平衡等级为G6.3，即4 级精度，则相当于单面平衡转子重心的速度［8］A = eω/1 000 = 6.3 mm/s，得偏心距e = 1 000 A/ω = 1 000 ×6.3/59.715 = 105.5 μm，重径积Gr = We =5 068.8 ×0.105 5 =534.76 kgmm，而单位转子重量许用不平衡重径积Gr/W =534.76/5 068.8 =10.8 mm/N.

上述e、Gr/W 是建立平衡等级A = 6.3 mm/s 后的确定单面平衡转子的许用不平衡量.由于本机转子的重心相对于左右两端圆盘外测校正面距离相等，采用双面平衡［9］，所以两校正面的许用不平衡量为偏心距e左= e右= e/2 = 105.5/2 = 52.75 μm，单位转子重量许用不平衡重径积

平衡试验应达这两项精度指标要求.重径积Gr 同转子重量有关系，它是一个相对量，用来表示给定转子的不平衡量，可以平衡操作.而偏心距e 与转子重量是无关的，它是一个绝对量，用来衡量转子程度和动平衡机检测精度，便于直接比较［10］.

9 设计参数的选定

根据上述计算将计算和选型结果见表3.

10 结论

环锤式碎煤机作为一种破碎机械，其运行工况虽比较复杂，但我们运用动力学原理来分析问题，仍能发现其内在的规律性，这里通过HCSZ800 型环锤式碎煤机的设计，导出了环锤式碎煤机的一般设计方法，以期达到抛砖引玉的目的.

表3 设计参数Tab.3 Design parameters