破碎机的结构及主轴的设计分析论述

文/北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

破碎机的结构及主轴的设计分析论述

文/北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

Design and analysis of crusher structure and spindle

本文简单概述了我国废钢加工设备的种类、特点，以及废钢破碎机应用现状，并较为详细介绍了废钢破碎机的结构特点、工作原理及废钢破碎线的生产工艺技术，对废钢破碎机的转子部件及主轴进行了技术分析计算。

废钢破碎生产线 废钢破碎机 破碎机主轴

采购来的原料废钢只有经过剪切、打包、破碎等机械设备的加工处理，达到增大密度、减小粒度以及出渣净化的目的，使其变成合格的废钢产品，达到一定的重量、尺寸和堆比度要求，并保证废钢洁净不含杂质后，方可入炉。

比较这三类废钢加工设备，可以说废钢破碎生产线是世界上比较理想的先进的废钢加工生产线设备，其加工种类多，生产率高，能剔除杂物，配以适当的分选设备，能将混在废钢里对炼钢有害的有色金属分选出来，得到非常纯净优质的黑色金属原料。

一、废钢 破碎设备的应用情况

世界上应用的破碎机，大多数都是在美国纽维尔公司的基础上衍生出来的，占有量近七成。在废钢破碎机制造上形成了以美国纽维尔公司为代表的美国制造技术、以德国林德曼公司为代表的欧洲制造技术和以日本富士车辆为代表的日本制造技术。台湾的正合兴重工业股份有限公司也提供废钢破碎机设备和技术服务。另外，目前法国亨息尔公司也开始涉足废钢加工设备及破碎线的生产和技术服务领域。

目前全球已有800多条废钢破碎线在运行，国内大型的废钢破碎机全部是进口产品，国内只能生产中小型的破碎机和生产线。国产的破碎线已有30多套在山东、天津、河北、江苏、浙江等地安装运行，但大都是1000HP以下的中小机型。而国外在运行的破碎线，驱动功率大都以中高马力破碎机为主。国内虽已能生产制造破碎机，并且也有不少投入了使用，但是还不能生产大型的破碎机，在设备的高效、节能、大型化和自动化上与国外设备还有不小的差距。

具体主要表现在以下几方面：

（1）主机功率较小，生产效率低，故障率偏高；

（2）对原料废钢规格的适应性较差，范围窄；

（3）部分易损件的更换不方便，且过于频繁；

（4）自动化控制系统的稳定性较差；

（5）对有色金属及其他非金属材料的分选不够全面精细；

（6）环保性较差，对环境易形成二次污染

根据笔者所收集到的各种资料以及对废钢加工考察的情况来看，随着铁矿石资源的不断减少以及中国经济的快速发展，可以预测，中国废钢市场前景看好。“多吃废钢，少吃矿石”必将成为炼钢产业倡导的一种环保理念，由于其符合目前的节能环保产业政策，顺应低碳经济发展潮流，废钢的加工处理也必将是一个方兴未艾的产业。

二、废钢破碎线的工艺技术

废钢破碎生产线技术先进、加工范围大、生产率高，能分选出有色金属、剔除非金属夹杂物，加工出纯洁度高的优质废钢，而且加工过程中环境污染少，是世界上最先进的废钢加工设备生产线。

1.生产工艺流程

图1 废钢破碎生产工艺流程图

如图1是废钢破碎生产工艺流程及常规配置设备示意图，经上料抓斗来的的废钢原料，通过鳞板输送机运至进料斜面，进料斜面上装有可转动的一高一低的两个碾压滚筒，将其压扁并送入破碎机内。在破碎机内，有一组固定在主轴上的圆盘和一组装在圆盘之间可以自由摆动的锤头，通过高速旋转产生的动能，对废钢进行砸、撕等破碎处理，将废钢处理成块状或团状，并穿过下部或顶部的栅格，落于振动输送机上。第一次未能处理成尺寸足够小的废钢，会在破碎机内被转动的圆盘子和锤头再次处理，直到能穿过栅格为止。在破碎机进行破碎的同时，对破碎机内进行喷水，以便降温和避免扬尘。

从破碎主机出来的破碎物，经过振动输送机、皮带输送机、磁力分选系统、空气分选净化系统，把黑色金属物、有色金属物、非金属物分离开，并由各自输送机送出归堆。有色金属和非金属物在输送机上会再次受到磁选设备的筛选，把游离的黑色金属物拣出，从而提高黑色金属物的回收率，同时可自动进行有色金属的挑选回收，提高回收效益。

2.破碎废钢的特点

经过废钢破碎生产线加工处理的废钢是洁净的优质废钢，其自然堆积密度为1.2～1.7t/m3，是理想的炼钢炉料。在钢铁冶炼中，破碎废钢具有以下优点：

（1）收得率高，即炼出的钢水与投入的废钢比例增高；

（2）每炉钢的化学成分稳定；

（3）由于有色金属及非金属物质已被分选，因此钢水中的硫磷含量低；

（4）和其他废钢混合加料时，破碎料可填充空隙，提高加料密度；

（5）冶炼时，加料次数减少、电极破损减少、炉内受热均匀；

（6）炉内耐火材料衬里的寿命延长；

（7）空气污染及炉渣减少；

（8）每吨钢水的耗电量低

三、破碎机的结构及主轴的结构分析

1.破碎机的结构说明

如图2是破碎机的结构示意图，废钢破碎机是废钢破碎生产线的关键设备，其作用是将轻薄型金属废料（如废旧汽车车身）破碎成小块，便于分选，得到纯净的黑色金属原料。破碎机核心原理就是利用锤子击打撕碎废钢，在高速大扭矩电机的驱动下，主机转子上的锤头轮流击打进入容腔内的待破碎物，通过衬板与锤头之间形成的空间，将待破碎物撕裂成合乎规格的破碎物，

图2 破碎机结构示意图

破碎机的主要结构特点：机身采用特厚钢板加斜撑的加强结构，能确保机器的强力破碎的超负荷要求，衬板、锤头采用特殊耐磨材料，提高了使用寿命；而且锤头采用活动安装结构，一旦遇到不可破碎物误入破碎机内，可以甩过而避开，同时可打开破碎机专置的不可破碎物排放门，将其从机内排除，从而降低对机器的破坏程度。

带着锤头与隔套并高速旋转的主轴及独特的底栅板结构，是高生产效率的保障。液压双滚筒碾压装置的核心功能是作为破碎机的入料预处理机构，可将外形尺寸较大的薄壳类及轻金属构件经压缩整形，变成可顺利进入破碎机进料喉口的物料，从而扩大了破碎机的加工物料范围，同时能提高破碎机的生产效率。

2.破碎机主轴的计算分析

如图3所示，破碎机的转子是破碎机的核心部件，其主要由支撑轴承、主轴、旋转轮盘、破碎锤头、锤头销轴等组成。各旋转轮盘和主轴以键牢固连接，轮盘周向均布六根轴向的贯穿全部轮盘的锤头销轴，每两轮盘间安装一组三个锤头，锤头可绕销轴自由旋转，相邻两组锤头要周向错开布置，确保破碎空间内锤头布置均匀。

图3 主轴结构简图及受力图

而破碎机主轴又是转子的最关键零件，在工作中其受到周期性的弯扭组合力的作用，易发生断裂或疲劳损伤破坏，影响设备的正常运行。所以在设计中一般都选用优质合金钢，如42GrMo、42GrNiMo等，并进行调质处理，硬度在240～280之间。

为简化设计计算分析，忽略在破碎过程中主轴受到的废钢的冲击力，主要考虑主轴受自身重力、轮盘、销轴及锤头的重力作用，并受驱动电机的扭矩作用。对主轴受力情况进行简化处理，将将销轴、 锤头、 隔套等小零件的重力转换到轮盘上，受力简图如图3中所示。从图示受力情况分析可知，B 处为危险截面，只要计算分析该处的应力值或求出该处所需的最小直径，从而选取合适的轴径，即可确保主轴的工作要求。

已知破碎机电机功率为 P（kw），转速 N（r/min），主轴重量G（kg），把锤头等重量折算到轮盘上，每个折算后的轮盘重量为F（kg）。根据机械设计手册中按照弯扭合成强度计算进行主轴校核计算分析。

B 点所受扭矩 T＝ 9550·P/N

主轴自身重力 G 在 B 点的弯矩 MG＝ G·c

轮盘 1 重力在 B 点产生的弯矩 M1＝ P·( L-b)·c/L

同理可以算出每个轮盘重力在 B 点的弯矩

B 点弯矩 M＝MG＋M1＋M2＋…+M9

根据机械设计手册中，弯扭组合应力的计算公式，则可求出B处的计算最小直径 d

考虑到工作过程中废钢铁、键槽以及此处应力集中的影响，B处直径可取 D≥2d。在空间允许的条件下增加 B处过渡半径，以利于减少应力集中。

图4 某破碎现场的主轴备件及替换下的破碎机锤头

四、 结束语

精料入炉必然要求废钢价格企业拥有先进的废钢加工处理设备，这给具有先进功能特点的废钢破碎生产线在我国的发展带来最大的机遇。废钢业应该紧随国家发展改革转型的大潮，适应市场的需要，大力开发研制功能更完善、配置更全面，分离更彻底更精细的废钢加工处理生产线，满足废钢加工行业的需要，促进废钢加工产业的发展。以适应当今资源再生循环经济的发展需要，促进我国钢铁工业低碳发展，实现节能减排，造福人类的宏伟蓝图。