立轴冲击破碎机转子出料特性仿真实验

邢大伟，房怀英，杨建红

（华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门361021）

立轴破起源于20世纪70年代的新西兰，我国于20世纪90年代开始引进生产［1］.立轴冲击式破碎机主要由转子、破碎腔、电机、传动装置、主轴系统、润滑系统以及电控系统组成［2］，广泛适用于各种岩石、水泥熟料等多种硬脆物料，对建筑、筑路用砂尤为适宜［3］.立轴冲击式破碎机核心技术和市场主要为国外大公司掌握，如Bamac，Metso及Sandvik等［4］.总体来说，由于理论研究不足，我国立轴冲击破碎机在设计制造上与世界先进水平有较大差距.对立轴冲击式破碎机的研究主要集中在对转子和破碎腔流场的研究［5－6］.王嵩等［7］对不同流道口数下的转子进行了仿真分析，证明当采用6个流道口安装时，转子对颗粒的加速效果最好.对荷兰的Kyran Csteel制造样机进行试验，证明了同步转子概念［8］.制砂过程中，石料经常会在转子中堆积，导致出料口堵塞或者从入料口溢出，对转子以至于整个制砂系统的处理量产生很大影响，对稳定性、安全性都有极大的危害.因此，本文通过对颗粒离散单元法建模［9］，研究出料口处数据采集区通过的物料数量及均匀性分布情况.

1 立轴破碎机仿真建模

1.1 破碎机转子系统模型的构建

采用US7破碎机的转子，主要部件包括流道板、分料盘、同步抛料锤、喂料环、耐磨板等.转子的三维实体模型，如图1（a）所示.将转子三维实体模型导入离散单元法分析软件EDEM 中，离散单元分析的模型，如图1（b）所示.为简化计算过程，圆球形石料代替待破碎石料.

1.2 离散元仿真条件和约束参数的设定

将模型导入离散元仿真软件中，设定颗粒与颗粒、颗粒与几何体相互作用的物理属性.沿z轴的重力加速度为－9.81m·s－2.按所查资料和现场调研数据，设定转子的材料为钢铁.钢铁料属性泊松比为0.28，剪切模量为71MPa，密度为7 800kg·m－3.颗粒的材料属性泊松比为0.2，剪切模量为50MPa，密度为2 640kg·m－3.颗粒与颗粒之间的材料恢复系数为0.1［10］，静摩擦系数为0.545，滚动摩擦系数为0.01.颗粒与转子之间的材料恢复系数为0.2，静摩擦系数为0.5，滚动摩擦系数为0.01.为模拟实际工况，设定颗粒尺寸为0～13mm 的正态分布，转子转速为831r·min－1.为了模拟实际生产中的进料流［11］，创建一个与转子同轴的圆柱体颗粒工厂，设定颗粒生成速度为55kg·s－1，仿真时间为10s.

图1 破碎机转子建模Fig.1 Model of the crusher rotor

2 仿真实验

物料进入转子后，被分料盘均匀地分成多股料流，并进入流道中［12］，在流道板上挤压、研磨破碎，最终经出料口甩出转子.为了研究不同的转子部件结构、落料参数和破碎机处理量特性关系，分别选取不同的分料盘高度、分料盘夹角、喂料环内径、落料高度进行离散单元仿真，分析出料口采集区颗粒的分布位置和均匀性，进而得出与破碎机处理量的特性关系.

2.1 出料口采集区域的设计

在出料口设计采集区域，单元区域的标号从下到上依次为1～10.同时，让采集单元格随转子同速转动，颗粒在流道板上分布的均匀性，如图2所示.通过离散单元法仿真，统计每个采集区域通过颗粒的数量，找出颗粒在转子出料口的分布规律.

图2 出料口采集区域Fig.2 Collection area on discharging outlet

2.2 分料盘参数化仿真

在立轴冲击式破碎机中，分料盘作为转子内部第一个接触物料的部件，对物料起分流作用.分料盘的高度和夹角的改变对物料在流道板分布特性有较大影响，不同的分料盘高度使物料接触到分料盘的速度不同，反弹力、挤压力、摩擦力也会有所不同；不同的分料盘夹角使物料进入流道的速度和角度不同，将影响颗粒通过的均匀性.

分料盘结构，如图3所示.当分料盘夹角固定为20°，高度（h）为110，140，170，200，230mm 时，进行转子抛料特性研究，如图3（a）所示.h1保持不变，当h为170mm，分料盘夹角（θ）为15°，20°，25°，30°，35°时，进行转子的抛料特性研究，如图3（b）所示.由图3可知：顶部平面面积随夹角增大而增大.

图3 分料盘结构Fig.3 Structure of the material dispersing cone

不同分料盘高度下转子出料口上颗粒分布情况，如图4（a）所示；分料盘高度对转子出料口颗粒分布均匀性的影响特性，如图4（b）所示.由图4（a）可知：当分料盘高度较小时，颗粒在出料口抛出的位置较低，大部分颗粒从出料口的下半部分抛出；随着分料盘高度的增加，颗粒在出料口抛出的位置整体上移，接触流道板的初始高度也增加，之后，在离心力、摩擦力、重力、压力等合力的作用下，紧贴着流道板快速向转子外缘运动.颗粒分布的均匀性随分料盘高度的增加先变优后变差，从仿真结果来看，选择170mm 左右分料盘高度能使大部分颗粒从出料口中部抛出，且均匀性较好.

图4 分料盘高度对颗粒分布的影响Fig.4 Influence of the material dispersing cone height on particle distribution

分料盘夹角对转子抛料特性的影响，如图5所示.不同分料盘夹角下转子出料口上颗粒分布情况，如图5（a）所示.分料盘夹角对转子出料口颗粒分布均匀性的影响特性，如图5（b）所示.由图5（a）可知：颗粒在4，5采集区域通过的颗粒数最多；在1，10采集区域通过的颗粒数最少；分料盘夹角的变化对颗粒在出料口的分布情况影响较小.跟踪单颗物料颗粒和物料流的运动轨迹发现：物料在重力的作用下，以近铅垂的方向撞向分料盘，撞到分料盘上的大部分物料几乎无法反弹，而是在离心力、压力、摩擦力、重力等作用下直接在分料盘表面上分流.

在其他结构参数不变的情况下，分料盘的夹角越小，分料盘的顶部平面则越小，斜面面积越大.增大的斜面面积有助于分料盘上物料的分流，提高转子的物料处理量.小部分没有受到后续物料加入影响的物料，撞击到分料盘斜面后反弹，分料盘夹角越小，反弹到流道板上的竖直高度越大，使得通过出料口上部的颗粒数增多，抛出颗粒在出料口上分布的均匀性越好.由图5（b）可知：随着分料盘夹角的增大，颗粒在出料口分布的均匀性变差.

图5 分料盘夹角对颗粒分布的影响Fig.5 Influence of the material dispersing cone angle on particle distribution

2.3 落料特性参数化仿真

喂料环内径参数，如图6（a）所示.图6（a）中：外径为480mm；内径（D）分别为200，250，300，350，400mm；分料盘锥底直径395mm；分料盘夹角为20°.落料高度参数（H），如图6（b）所示.图6（b）中：高度为660，860，1 060，1 260，1 460mm.

在分料盘结构尺寸一定时，物料通过喂料环进入转子，不同的料流截面与分料盘的相对面积发生变化，影响物料在分料盘上的反弹情况和分流效果；不同的落料高度直接影响物料进入转子内的速度，较高的落料高度导致颗粒与颗粒，颗粒与转子的撞击、干涉、挤压更强烈，直接影响颗粒分布均匀性.

图6 落料特性参数Fig.6 Feeding parameters

喂料环内径影响特性，如图7所示.由图7（a）可知：喂料环内径的改变对颗粒在出料口处的整体分布趋势影响不大，多数物料分布在3～6采集区内.由图7（b）可知：颗粒分布的均匀性会随喂料环内径的增加，先减小后增大.

图7 喂料环内径对颗粒分布的影响Fig.7 Influence of the feeding ring inner diameter on particle distribution

图8 颗粒反弹路径Fig.8 Rebound paths of the particles

颗粒反弹路径图，如图8所示.图8中：分料盘顶部平面直径为120.25mm.由图8可知：当喂料环内径较小时，进入转子的物料多数接触分料盘的顶部平面，并受到后续进料的干涉，无法反弹，进入转子的物料与分料盘接触的斜面面积小，不利于物料的分流；随着喂料环内径的增大，与分料盘的顶部平面接触的物料比例下降，可以反弹的物料比例增多，而斜面反弹点的高度降低（A，B 点所示），料流可接触的分料盘斜面面积增大，促进与分料盘接触料流的分流，提高物料分布的均匀性.

反弹后撞到流道板上的初始高度下降（C，D两点所示），从而造成了图7（a）中随着喂料环内径增大，出料口下部颗粒数增多，上部颗粒数减小的现象.当喂料环内径增大到400mm 时，料流与分料盘接触点高度进一步降低，出料口上部颗粒数减小，且此时料流截面大于分料盘的直径，分料盘底部堆料严重，出料口物料分布均匀性急剧下降，从仿真的数据来看，应取300mm 左右的喂料环内径.

不同落料高度下，颗粒在出料口上的分布情况，如图9所示.由图9（a）可知：颗粒在出料口中间区域通过的颗粒数较多.不断进入转子的颗粒会对已经接触到分料盘的颗粒产生挤压，最终使颗粒沿着分料盘的斜面运动.随着高度的增加，这种挤压作用越强烈，从而出现了实验结果中随落料高度的增加，出料口上颗粒分布整体下移，上部颗粒少的现象.由图9（b）可知：颗粒在出料口分布的波动性增大，但在仿真参数内，颗粒分布均匀性增大值小于5%，因此，可以忽略不计.

图9 落料高度对颗粒分布的影响Fig.9 Influence of the feeding height on particle distribution

3 抛料特性对处理量的影响

物料被转子抛出后，在破碎室内形成物料衬层.在出料口上，分布位置和均匀性的不同，直接影响物料到达破碎腔内壁后形成物料衬层的形状和质量，影响颗粒撞击到破碎腔内壁后反弹的速度大小和方向，进一步对同步抛料锤的二次破碎和整形产生作用，最终影响破碎效果和破碎机处理量.

不同落料高度下颗粒在出料口上的分布情况，如图10所示.当物料从转子出料口抛出的位置偏上、均匀性较差时，物料在破碎腔内会形成物料衬层，如图10（a）所示.此时的物料衬层上部大、下部小，后续抛射进入的物料经物料衬层整体向下部反弹，造成同步抛料锤的二次破碎的效果不佳，且大量物料会堆积在出料整形区.同时，物料衬层也容易坍塌，不利于对物料的整形和物料的下落，影响处理量，如图10（b）所示.当物料从转子出料口抛出的位置适中、均匀性较优时，形成的物料衬层较为均匀，质量高.此时，颗粒经反弹后的路径分散，能充分发挥同步抛料锤的二次破碎功能，在出料整形区对物料进行有效地研磨整形，有助于物料的下落，提高处理量.当物料从转子出料口抛出的位置偏下、均匀性较差时，物料在破碎腔内会形成物料衬层，如图10（c）所示.大量的颗粒堆积在破碎腔下部，降低了同步抛料锤在出料整形区的整形效果，不利于物料的下落，严重影响处理量，甚至会造成转子堵塞，引发安全事故.因此，当物料从转子出料口抛出的位置适中、均匀性较优时，能提升破碎机处理量.

图10 破碎腔内物料运动特性Fig.10 Motion characteristics of the particles in crushing chamber

4 结论

以提高破碎机处理量为研究目标，对转子结构和落料特性进行优化，构建冲击破碎机转子仿真模型.基于离散单元法，分析颗粒在出料口的分布特性.仿真研究了分料盘高度、分料盘夹角、喂料环内径、落料高度与出料口颗粒分布特性的关系，可以得出以下4种结论.1）随着分料盘高度增加，转子处理量也相应提高；当提高到一定高度时，出现峰值，之后，则呈下降趋势.2）增加分料盘夹角会降低转子出料特性，影响处理量.3）随着喂料环内径的增加，转子的处理量相应得到提高，增加到某一尺寸时，出现峰值，之后，呈下降趋势.4）不宜通过提升落料高度优化转子的处理量.

仿真研究生产参数对转子出料特性的影响规律，以提高破碎机处理量为目标优化转子的设计参数，为立轴冲击式破碎机的研究提供借鉴.

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