一种新型双腔复摆颚式破碎机的设计

内蒙古科技大学机械工程学院 内蒙古包头 014010

铁矿资源作为我国重要的战略性矿产资源，为国民经济发展提供了重要保障。虽然我国矿产资源丰富，但总体呈现“贫、细、杂”的特点[1]。随着我国铁矿业生产的不断发展，对破碎机的生产效率以及对生产所需铁矿品质的要求逐渐提高，导致选矿成本居高不下。在选矿生产中，破碎机械占有重要地位。复摆颚式破碎机由于结构简单、维修方便，在选矿破碎作业中得以大范围应用，但存在生产能力低等不足，为此研制了一种高效的新型双腔复摆颚式破碎机。

1 复摆颚式破碎机工作原理

复摆颚式破碎机主要用于矿石的粗碎，破碎腔由定颚板和动颚板组成，动颚上端直接悬挂在偏心轴上，下端用铰接的方式与肘板相连，偏心轴转动时带动动颚作周期性的连续摆动实现连续生产[2]。当动颚向上运动时，动颚板与定颚板间夹角变小，此时矿物受挤压、弯曲、搓磨等多重作用，达到破碎矿物的目的[3]；当其向下运动时，动颚远离定颚，动颚板与定颚板间夹角变大，动颚板在拉杆弹簧的作用下离开定颚板，此时粒度变小的矿物在重力和动颚的推动作用下从排料口排出。复摆颚式破碎机可简化为四连杆机构，偏心轴为曲柄，曲柄回转一周仅破碎一次，当曲柄回转到一定范围，设备处于排料状态时不进行破碎，此时处于非工作行程，但仍消耗能量。

2 双腔复摆颚式破碎机结构及工作原理

双腔复摆颚式破碎机的结构以倒置四连杆机构的形式居多，其工作原理如图 1 所示。该机运用倒置四连杆机构[4]，中间动颚简化为连杆，连杆与摇杆、摇杆与机架均为铰接，倒置四连杆机构中偏心轴相当于曲柄置于摇杆的下方。破碎机有 2 个破碎腔，即破碎机中间布置动颚，两侧为定颚，破碎腔对称分布，破碎机可在双工作行程状态下运行[5]。当曲柄在一定角度范围内回转时，破碎腔Ⅰ进行物料破碎，破碎腔Ⅱ进行排料；当曲柄转出该角度范围时，破碎腔Ⅱ进行破碎，破碎腔Ⅰ进行排料，如此往复循环。

图1 双腔颚式破碎机工作原理Fig.1 Working principle of double-cavity jaw crusher

这种结构形式的破碎机不存在空行程，破碎机的处理能力提高约 1 倍。此类破碎机结构紧凑，在生产能力相当的情况下，外形尺寸比普通的复摆颚式破碎机更小，质量更轻。该机型啮角小，生产效率高，作为深腔型破碎机，其破碎比更大，产品粒度更加均匀。但是这种双腔复摆颚式破碎机的布置对动颚的结构和联接形式提出了更高的要求；并且当设备损坏时不易维修，更换肘板也极为不便；当飞轮储存动颚空行程时的能量再用以工作行程时，导致能量密度输入不足。

3 新型双腔复摆颚式破碎机的设计

3.1 设计要求

(1)可调节出料口大小，避免肘板磨损造成出料口变大，保证产品粒度要求。

(2)具有过载保护功能，当不易破碎的矿石进入破碎腔后，为避免设备零部件损坏，应装有过载保护装置。

(3)矿石有多种受力状态，以提高破碎效率。

(4)机构受力合理，不产生偏载。

(5)结构简单，工作可靠，易于维修。

3.2 结构与工作原理

如图 2 所示，该新型双腔复摆颚式破碎机主要由液压缸、连杆、导轮、机架、动颚、定颚等部件组成。同样将单腔破碎机改进为左右对称的双腔颚式破碎机，即在传统颚式破碎机活动颚板的另一侧增加一个定颚板，与动颚板再形成一个破碎腔。同时采用了新的结构设计，液压马达输出轴带动偏心轮转动，从而驱动拉杆带动导轮在导轮槽上滚动，动颚在导轮的往复滚动下左右摆动。由于动颚下端同时受到摇杆的约束，进而产生复杂的平面运动，当导轮向左滚动时实现对左腔矿石的挤压、搓磨和弯曲作用，此时右腔料块在重力的作用下向下移动，占据新的位置，当料块尺寸小于破碎腔出料口时离开破碎腔。右腔排料时左腔进料破碎，左腔排料时右腔进料破碎，如此重复循环作业。调整座内加装液压缸，利用液压装置来调整定颚架在机体的位置，从而调整动颚板与定颚板之间的距离，实现未破碎矿石从排料口排出，同时还可作为破碎机的过载保护装置。

图2 新型双腔颚式破碎机工作原理Fig.2 Working principle of new-type double-cavity jaw crusher

当普通颚式破碎机飞轮储存的空行程时的能量再用以工作行程时，可导致能量密度输入不足。而本设计不设置飞轮和带轮结构，由液压马达直接驱动，结构更加简单，且能量输入密度增加，能源效率提高；拉杆、摇杆置于机体两侧，便于维修；保险装置采用液压系统，较肘板折断的方式操作起来更加方便，省时省力。

新型双腔复摆颚式破碎机的三维结构如图 3 所示。液压马达输出轴与传动轴通过联轴器连接，传动轴两侧安装有轴承，传动轴上安装一偏心轮，偏心轮通过轴承与连杆连接。传动轴转动带动偏心轮偏心旋转，从而带动连杆一端运动，连杆的另一端与心轴产生相对转动。机体的前后壁分别设置导轮槽，导轮置于导轮槽内，导轮与置于机体内的双面动颚体通过心轴连接并支撑。双面动颚体的两侧动颚板通过楔块分别固定在动颚体的两面，双面动颚板的下端与机架上的摇杆相连接。定颚体一端通过长销轴与机体固定，另一端通过拉杆螺栓和压缩弹簧与机体固定，利用楔块将定颚板固定在定颚架上。机体下端设有调整装置，肘板垫通过螺栓紧固于调整座和定颚上，肘板铰接于调整座与定颚之间，调整座水平焊接在机架上，调整座内装有柱塞缸，破碎机排料口的间隙靠柱塞前后移动，通过肘板使定颚前后摆动来调节。柱塞缸除了具有调整排料口的间隙作用外，当破碎腔内进入了坚硬的不易破碎物，破碎力猛增的情况下液压油顶开溢流阀，迅速排油使定颚后退，还起到保险作用，避免设备损坏。压缩弹簧用来保证定颚和破碎机架的紧密连接。双面动颚体与定颚架之间上部设有加料口，下部设置出料口，机架下部左右底板支撑机体，中部位置空出方便出料。

图3 新型颚式破碎机三维结构Fig.3 3D structure of new-type jaw crusher

液压马达输出轴转动时，偏心轮带动连杆一端回转，连杆另一端受到导轮槽的约束作用做水平往复运动，与此同时，连杆带动导轮在导轮槽上往复滚动，从而带动双面动颚体上部做水平往复运动。双面动颚体下部受到位于机架上摇杆的约束，围绕摇杆另一端做定轴摆动，从而使动颚产生复杂的运动，实现对矿石的挤压、搓磨及弯曲作用。

3.3 轨迹分析

新型双腔颚式破碎机动颚两侧的运动轨迹如图 4所示，图中导轮运动到O1、O2位置分别为动颚靠近左右腔定颚的极限位置。图中A点靠近给料口，C点为动颚的中点，E点靠近排料口。从图中可以看出，双腔颚式破碎机的运动特性为周期往复运动，动颚板上越靠近给料口处，运动轨迹的曲率半径越大，即水平行程大，垂直行程小；越靠近排料口处，运动轨迹的曲率半径越小，即水平行程小，垂直行程大。依据破碎物料的角度分析，要求动颚在给料口处的水平行程大，在排料口处的水平行程小，这种理想的动颚运动轨迹，使破碎机具有较优的运动特性。

图4 动颚运动轨迹Fig.4 Motion trajectory of movable jaw

3.4 性能及特点

该新型双腔复摆颚式破碎机具有以下性能及特点。

(1)设计新颖、结构紧凑 采用连杆带动导轮在导轮槽滚动的方式驱动动颚运动，导轮在导轮槽内滚动相比滑动摩擦力更小，导轮不易磨损，延长了零部件的使用寿命。

(2)独特的调整方式 在肘板与机体之间通过液压装置来调整定颚在机架上的位置，从而可改变排料口尺寸，达到破碎所需要的粒度。

(3)有过载保护，安全性能高 当矿物过硬不易破碎时，破碎力急剧增大，液压油顶开溢流阀迅速排油使定颚后退，起到保险作用，避免设备损坏。并且 2 个破碎腔分别有各自的保险机构，互不干扰。

(4)不存在空行程，生产能力大幅提高 采用双腔结构，一腔进行进料破碎作业，另一腔进行出料作业，提高了破碎效率，生产能力大幅提高。

(5)矿石受力合理 当矿石在左腔被破碎时受到动颚的压力逐渐增大，当增大到一定程度后被破碎，此时动颚上端向左水平移动，下端受到摇杆的摆动约束向右上移动，动颚下端对矿物的作用力减小。

4 结语

此新型双腔复摆颚式破碎机具有 2 个破碎腔，突破了传统四连杆机构的运动形式，采用动颚上端水平运动、下端绕摇杆摆动的运动方式。与传统的复摆颚式破碎机相比，新型双腔复摆颚式破碎机结构更加紧凑，具有更高的破碎成品率，降低了运行能耗，且生产能力大幅提升，具有良好的综合性能和广阔的应用前景。