基于颚破原理的新型工程机械破碎属具研发设计

童小冬

（安徽惊天液压智控股份有限公司，安徽马鞍山243000）

1 新型破碎属具概述（破碎铲斗）

所谓“破碎铲斗”就是机架外形成斗状，并与挖机配套使用的一种新型颚式破碎机。其具有结构灵活，工作可靠，制造维护容易，适应性强，成本低等突出优点，广泛应用于矿山、建筑材料、交通等行业中，特别是在建筑垃圾处理方面，体现出节能减排设计理念。破碎铲斗与挖机配套使用时，破碎铲斗安装在挖机臂上，随挖机臂一起运动，操作挖机臂铲装物料，破碎铲斗装满物料，物料在铲斗的破碎腔内进行破碎，如图1所示。

图1 破碎铲斗工作流程

2 破碎铲斗结构组成与工作原理

2.1 破碎铲斗结构组成

破碎铲斗主体结构由铲斗型机架、动颚部件、驱动部件、连接头部件、破碎齿板、调整装置、拉杆装置等组成，如图2所示。

图2 破碎铲斗结构组成

2.2 破碎铲斗工作原理

破碎铲斗破碎物料是由配套的挖机提供液压动力源，驱动马达通过联轴器带动小带轮，由皮带传递给大带轮，大带轮与偏心轴通过键固联成一整体，它是运动和动力输入构件，即原动件，其余构件都是从动件。当带轮和偏心轴绕轴线转动时，驱使输出构件动鄂做平面复杂运动，将进入破碎腔的物料进行破碎，物料靠自重由排料口排出。动颚上部与偏心轴相连，下部由推力板支撑。偏心轴转动时，动颚齿板不仅对定颚齿板作往复摆动，同时还沿定颚齿板有很大幅度的上下运动。动颚齿板上各点的运动轨迹如图3所示。上部的运动轨迹接近圆形，越向下水平运动幅度越小，运动轨迹也越呈椭圆形[1][2]。

图3 动颚各点运动轨迹图

3 破碎铲斗主要技术参数确定

3.1 主要结构参数

主要结构参数[3]包括啮角α=20°[3]、破碎腔高度H=1150 mm、动颚摆动行程S=15mm、传动角β=50°、偏心距r=15 mm、推力板长度W=320mm，如图4所示。

3.2 破碎功率N确定

3.2.1 采用矿石粉碎能耗确定破碎功率

采用单位体积矿石粉碎能耗对该机设计功率进行设计计算，矿石作为各向异性的脆性材料，在外力作用下的应力—应变关系并不完全服从虎克定律，但在应力—应变图中变形曲线所对应的弦所表示的范围内，仍可认为服从虎克定律。根据此理论可以得出设计的破碎机破碎矿石需用的功率为N（kW）[4]：

图4 主要结构参数

式中L——排（进）料口长度，mm

K1——矿石松散系数

n2——偏心轴转速

B——进料口宽度，mm

d——排料口宽度，mm

S——动颚水平行程，mm

α——啮角

设计确定的基本参数为：B=500 mm；d=20～100mm；L=700mm；α=20°；S=15 mm；n2=310r/min；K1=0.3；整机传动效率η=0.83。

σ,E，是矿石的物理机械性质，与矿石种类有关，在设计中假设该机破碎物料为铁矿石类，即压碎极限强度σ=100（MPa）；纵向弹性模量E=6.8×104（MPa）。

将上述参数代入式（1）可得到破碎矿石需用的输入功率Nλ

3.2.2 采用实测数据统计分析法确定破碎功率

由于破碎腔内的破碎力分布以及合力大小、作用点位置具有随机性，用理论分析的方法将会产生较大的误差，采用大量实测数据统计分析，再经过理论推导，建立实验分析计算式（2），能够近似反映出破碎力的变化规律并有较大的计算准确度，满载破碎时破碎力的最大峰值称为最大破碎力

式中μ1——有效破碎系数

α=20°时，取μ1=0.04；其余参数同上。

根据最大破碎力的计算公式及实测的功率值为依据，建立功率计算公式如下：

式中ke——等效破碎系数（取ke=0.032）

将已知参数代入式（3）得到

综合上述两种方法，得到的破碎功率约为28.6～31.3kW之间，由于上述计算功率是最恶劣的情况下计算的，即选用提供动力源为输出功率为35kW足以满足破碎功率需求。

3.3 液压系统参数

破碎铲斗工作由挖掘机提供液压动力源，根据设计参数（破碎功率35kW，偏心轴转速275～310r/min）、传动机构参数（传动比约i=2.5），可以确定破碎铲斗液压系统参数。

马达输入扭矩M为

马达转速n′为：

根据马达技术参数得出破碎铲斗液压系统参数（马达排量为90cm3/r，马达当量扭矩为17N·m/MPa）。油压P′、流量q′

式中ΔT——马达当量扭矩，N·m/MPa

ηmh——马达机械效率，（ηmh=0.98）

Vg——马达排量，cm3/r，（Vg=90）

ηv——马达容积效率，（ηv=0.98）

根据以上确定的结构参数，对该装置进行三维结构设计，如图2所示；即设计的装置基本性能参数为：给料口尺寸500×700mm，排料口尺寸20～100mm，功率35kW，主轴转速275～310r/min，额定压力26MPa，流量71L/min。

4 破碎铲斗工程应用领域特点

4.1 矿山开采

特别在道路狭窄，环境恶劣的工况下，大型设备无法进入开采现场，采用挖掘机挖掘，使用配套破碎铲斗进行破碎，破碎后物料通过小型车辆运输，减少矿产能源浪费，节约资源。

4.2 建筑垃圾处理

对建筑进行拆除产生的建筑垃圾，利用破碎铲斗现场破碎回填，减少运输体积，从而减少运输量，从而达到节能减排效果。

4.3 道路维护、拓宽与建设

在道路维修、拓宽与建设过程中，产生大量的混凝土与石料垃圾，利用破碎铲斗对混凝土与石料垃圾进行现场破碎，作为道路建设的二级或三级用料，既减少垃圾运输量，又节约道路建设的二级或三级用料。

5 结论

根据上述理论方法设计出破碎装置，在建筑垃圾处理中、道路维护建设中以及小型矿山开采中已经得到应用，社会效益良好，特别是节能减排方面优点特出，使用经济效益也非常可观。该装置是集铲装和破碎功能于一体的新装备，能快速与挖机装卸，在实际配套使用中，突显出使用方便，操作简单、维护简便，结构强度大，破碎效率高，机构灵活等特点，该装置的成功研制填补国内市场空白，同时开创破碎机的新功能与使用新领域。

[1]初明智.复摆颚式破碎机的动颚行程计算[J].机械工程与自动化，2005（2）.

[2]陈德华，仲梁维.颚式破碎机运动轨迹的计算机仿真研究[J].现代制造工程，2010（3）.

[3]杨绿云.复摆鄂式破碎机的几何参数优化[J].煤炭技术，2003（3）.

[4]戴少生，王旦容.复摆型颚式破碎机的功率计算（一）[J].水泥装备，2001（5）.