圆锥破碎机衬板耐磨性的工业试验研究

王跃辉，吴佳佳，贾进峰，郭 雷

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

3中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

圆锥破碎机在矿山、建材、骨料等行业应用广泛，仅以矿山行业为例，在选矿碎磨工艺流程中，圆锥破碎机可承担三段破碎回路的二段和三段破碎作业，在半自磨/自磨回路中可承担顽石破碎作业。作为选矿碎磨工艺环节的重要组成部分，圆锥破碎机的生产能力直接影响到整个作业流程的生产能力，而破碎机衬板的服务周期对破碎机的生产能力有着重要影响[1-4]。

圆锥破碎机虽然应用广泛，但其衬板的使用寿命较短，矿用中碎圆锥破碎机的衬板寿命通常只有 30 d左右，而细碎圆锥破碎机的衬板寿命通常只有 15～20 d 左右[3-4]。破碎机衬板消耗量大，频繁更换衬板耗费大量的人工成本，而且对整条生产线的作业率产生负面影响。

1 衬板耐磨性评价指标

很多矿山和衬板供应商为了延长衬板的使用寿命做了大量的工作，但是由于众多因素都能够对衬板寿命产生影响，对于衬板的耐磨性评价尚不能达成一致意见，缺乏相对客观、可比照的评价标准。目前圆锥破碎机衬板更换的最佳周期主要依赖操作者的经验[5]，从可操作性上讲需要相对简化的考核指标，比如目前广泛采用衬板累计破矿吨位[6]、累计破矿小时数[3-4,6-8]对衬板的寿命进行衡量和评价。这些指标尽管被广泛采用，但客观情况是不同的工况条件和工艺参数对它们的影响是巨大的，其适用性和客观性也颇受质疑。

为了选择更加合理的衬板耐磨性评价指标，首先要研究衬板使用结果的差异性与诸多工况条件、工艺参数之间的关联关系。E.M.Tитивский[1]为了对影响破碎机衬板磨损诸因素进行量化评价，将矿石硬度、研磨性(二氧化硅含量)、原矿粒度、含水率及破碎机的小时处理量作为自变量，衬板的平均寿命(千吨)作为因变量，采用多重相关回归分析法建立了衬板的磨损量回归模型。工业试验结论认为，对衬板磨损影响最大的是矿石研磨性，其次是矿石硬度，然后是生产能力，粒度和含水率也产生影响，但弱于前面几个因素。张文友[7]的试验结果则认为，衬板耐磨性的主要影响因素不是矿石硬度，而是矿石整体的耐压强度。上述结论的矛盾凸显出衬板耐磨性研究过程中存在的问题。由于能够产生影响的因素太多，不论是仿真还是工艺试验能够控制的因素有限，使得衬板寿命的模型研究具有一定的“灰箱”特点[9]。

由于衬板寿命分析和评价模型的复杂性，仅凭理论分析或有限的原型试验得出一些定性指导结论，已经不能为矿山企业和衬板供应厂商提供有效的决策参考，有必要进行相对浩大的工业试验，收集大量的工业运行数据进行对比性试验[10]。而进行这样的试验，对样本的数量、有效性和准确性提出了较高要求，并且需要有深入专业背景知识的技术人员对采集的数据进行专业分析。样本的准确性不言而喻，样本的数量主要与矿山规模、试验时间有关，而样本的有效性则需要相对较长的采集周期，按照统一的规程、规范对数据进行采集和处理，这样的工业试验数据极其宝贵，有时为了攒够一定数量的样本，需要把不同矿山的衬板应用数据集中起来进行分析。公开的文献中E.M.Tитивский 等人[1]将 5 个不同矿山的圆锥破碎机集中在一起进行了统计回归分析，张文友等人[7]则集中了 2 个矿山 2 种不同材质的 5 组衬板进行了组合工业试验。

2 衬板耐磨性评价现状

长期以来衬板的耐磨性缺乏规范的评价标准，往往只存在于衬板供应方和需求方的合同约定中，在需方市场的现实背景下主要由需求方制定。合理的衬板耐磨性评价体系应具有稳定性(当前条件下的确定性和同等条件下的可预测性)，同时应能体现差别性。

早期的衬板质量评价指标非常简单，直接采用衬板累计装机时长[7]进行评价，这种方法实际忽略了设备运转率的问题。后来又把设备有效的运行时间[8]作为参考指标，但仍忽略了设备实际的运行负荷(在整个衬板生命周期)的差异。目前为业界广泛采用的是累计破矿量[1,6]，虽然较之前的评价方法有所进步，但仍不能把类似排矿口、最终磨损率这些关键指标考虑在内。即使衬板耐磨性相同，这些指标也会得到不同的评价结果，理论上的“确定性”都得不到保证。

可预测性(互换性)主要是指调整工况条件下衬板寿命可预期，指相同质量的衬板，比如同一厂家、同一批次、同一炉浇注、性能非常接近的衬板，在相似条件下表现出相同的使用性能。即使用在不同的破碎机上，但破碎机的工艺参数和设备规格、物料情况都相同，同样的衬板应有相同的性能表现(下文的“相同”均包含可接受的误差范围，不再赘述)。

影响到衬板最终寿命的因素有很多，其中最重要的因素包括衬板质量、矿石性质、给料粒度分布和产品粒度控制。衬板质量包括衬板的材质、铸件质量和衬板的腔型曲线；矿石性质包括矿石的耐冲击性、耐磨性、矿石的预处理状态(指矿石开采后经过的挤压破碎次数和破碎程度)；矿石的给料粒度分布和衬板的腔型匹配相关并相互影响；衬板的粒度控制主要是针对下一级设备或最终产品的需求，体现在排矿口这个参数上。由于可能产生影响的因素众多，并且以上因素往往同时产生作用，建立衬板寿命的评价模型时需要把影响显著的因素尽可能考虑在内，或者在这些因素较为一致的条件下进行衡量。

进行工业试验时，由于客观原因任何 2 套衬板都不可能具备完全相同的工况条件，即使条件相似，如果样本数量不足，对比的结果也不具可靠性。和许多其他的工业试验一样，样本的数量对结论的准确性起着决定性的影响，而客观上每个现场的破碎机数量、每年使用的衬板数量有限，通过工业试验总结出比较实用的评价指标难度较大。

3 衬板耐磨性工业试验

澳大利亚某特大型矿山采用自磨+顽石破碎的磨选工艺，每条生产线使用 2 台圆锥破碎机作为顽石破碎机，整个矿山拥有 8 台相同的破碎机，便于对比分析。该破碎机装机功率为 800 kW，衬板腔型为短头、中碎腔型，设计排矿口为 16 mm，实际排矿口为13～30 mm。笔者以 2017 年全年有完整记录的 80 套衬板为样本进行研究。

结合试验目的，在不影响企业正常生产的情况下主要进行了下面几组试验研究：一是不同排矿口下，相同破碎机、相同厂家衬板的耐磨性比较，研究排矿口这一关键工艺参数对衬板耐磨性的影响；二是相同排矿口下，不同破碎机、相同厂家衬板的耐磨性比较，研究排矿口外其他工艺参数对衬板耐磨性的影响；三是相同排矿口下，相同破碎机、不同厂家衬板的耐磨性比较，研究衬板自身差异在各运行指标中的反映情况。最后对该年度所有用到衬板的运行数据进行分析，研究相关因素之间的相互影响关系，找出其中的规律性。

4 衬板磨损过程运行指标变化规律

破碎机运行过程中衬板的磨损是不可避免的，排矿口随着衬板的磨损实时发生变化，衬板磨损后，破碎机排矿口变大，产品粒度变粗，功率下降，破碎效果变差。为了使最终的破碎产品粒度保持在一个均匀的水平，需要定期对排矿口进行标定，以尽可能保持排矿口恒定。而排矿口的标定间隔受到工作班制、工人工作习惯等的影响，使得衬板生命周期内排矿口不断变化[9]，不同衬板之间的平均排矿口处于不同水平；同时，排矿口的变化影响破碎产品粒度、破碎机自身运行功率和处理量等。因此，破碎机排矿口的变化反映了衬板磨损程度的变化，有必要对衬板生命周期内各项运行指标的变化规律进行分析，特别是它们相对于破碎机排矿口变化的规律进行研究。

4.1 单位功耗的变化规律

破碎机的单位功耗反映破碎每吨矿石所消耗的电能。衬板平均单位功耗与排矿口的关系如图 1 所示。

根据试验结果，衬板的单位功耗随排矿口的增大呈现出整体下降的趋势，下降速度在小于等于设计排矿口时较快，但随着排矿口的继续增大，下降速度逐渐放缓。排矿口越小，设备实际承担的负荷越重；排矿口越大，设备实际做功量降低；而当排矿口明显大于设计排矿口时不能形成层压破碎，虽然破碎的通过量持续增加，但实际发生的有效破碎减少，破碎效果变差。

4.2 处理量的变化规律

破碎机的小时通过量反映破碎机的生产能力，它与破碎产品的粒度负相关，排矿口越小，粒度越小，产能越低。衬板平均处理量与排矿口的关系如图 2 所示。

图2 平均处理量与排矿口的关系曲线Fig.2 Curve of relationship between average throughput and CSS

从图 2 可以看出，随着排矿口的增大，在整个排矿口范围内设备通过能力表现出逐渐增加的趋势，这与圆锥破碎机的运行规律是相符的。但是也能明显看出，排矿口小于设计排矿口时衬板处理量下降较快，而正常运行时(大于等于排矿口)时处理量变化非常缓慢。

4.3 A 值的变化规律

A值反映动、定锥衬板相对高度的实时变化情况(补偿磨损量)，是衬板磨损情况的主要监控指标。A值与磨损率的关系如图 3 所示。从图 3 可以看出，A值和磨损率表现出完全线性关系，可见通过A值对衬板磨损程度进行直观检测是合理的。

4.4 运转功率的变化规律

运转功率与排矿口的关系如图 4 所示，从图 4 可以看出，平均运转功率表现出一定的稳定性，仅在排矿口明显放大时略有下降。按照圆锥破碎机的运行规律，随着排矿口的增大，在整个排矿口范围内运转功率都应表现出下降的趋势，但实际上破碎机的运转功率与破碎机和自磨机之间料仓的料位是连锁控制的，破碎机的给料速度对破碎机的平均运转功率产生了重要影响，这也纠正了理论分析的一些误区。

图3 A 值与磨损率的关系曲线Fig.3 Curve of relationship between value of A and wear rate

图4 平均运转功率与排矿口的关系曲线Fig.4 Curve of relationship between average operating power and CSS

4.5 累计破矿量的变化规律

累计破矿量是目前大型矿山的主流衬板评价指标，行业内对于排矿口与小时处理量的关系较为明确，但对于累计破矿量常常进入一个误区：认为衬板的质量和累计破矿量是简单对应的，累计破矿量高，衬板的质量好，累计破矿量低，衬板的质量就差，这与图 5 结果显然不符。这种评价没有估计或没有充分估计到排矿口对衬板累计破矿量的巨大影响，另外也没有考虑到衬板拆卸时其磨损率(最终磨损率)是否相同。

4.6 相同磨损率下累计破矿量的变化规律

累计破矿量与衬板磨损拆卸的标准有关，由于缺乏统一的预防性维护标准及操作习惯的影响，有的衬板拆得早，有的衬板拆得晚，导致最后的累计破矿量不同，但这是由于操作因素造成的，与衬板本身的耐磨性无关。为了聚焦衬板耐磨性这一因素的影响，在相同的最终磨损率下，对累计破矿量进行修正后，结果如图 6 所示。即使经过修正，累计破矿量仍受到排矿口的影响而表现出较大差异。基于此，笔者提出在相同排矿口情况下，以单位磨损率的破矿量作为衬板耐磨性的评价指标。

图5 累计破矿量与排矿口的关系曲线Fig.5 Curve of relationship between accumulated throughput and CSS

图6 相同磨损率下累计破矿量与排矿口的关系曲线Fig.6 Curve of relationship between accumulated throughput and CSS at same wear rate

4.7 累计运行时间的变化规律

累计运行时间与排矿口的关系如图 7 所示，累计运行时间和累计破矿量一样，虽然经常被使用，却不具科学性。

图7 累计运行时间与排矿口的关系曲线Fig.7 Curve of relationship between accumulated operating time and CSS

4.8 分析总结

从以上分析可以看出，以累计运行时间和累计破矿量作为衬板的评价指标是不可靠的，排矿口和磨损率都会对结果产生明显影响，在制定评价指标时应当把这 2 个因素考虑在内。同时排矿口对破碎机运行的影响是全面的，也不建议采用修正的排矿口，或者以排矿口、磨损率结合累计破矿量或累计运行时间的多维分析工具对衬板的磨损规律进行评价。下一章节将以相同排矿口、单位磨损率的累计破矿量为分析工具，研究对衬板的磨损特性进行评价的可行性。

另外将单位功耗和平均运转功率作为衬板耐磨性的评价指标也是不可靠的。由于对不同排矿口下的数据进行了平均，磨损率的因素已经有所体现，却没有在评价时将排矿口的影响考虑在内。

5 单位磨损率的累计破矿量

根据前面的分析，在指定排矿口下，将单位磨损率的累计破矿量作为关键指标进行考察，主要从 2 个角度进行分析：一是在所有外在条件相同时，该指标是否具有一定的稳定性；二是改变某些关键因素，以测试该指标是否发生明显变化。

5.1 确定性

选择同一厂家同型号破碎机(402)、相同排矿口(～20 mm)的 2 套衬板(1 号、2 号)，研究这 2 套衬板是否呈现相似的规律性。2 套衬板累计破矿量与磨损率的关系如图 8 所示。

图8 2 套衬板累计破矿量与磨损率的关系曲线Fig.8 Curve of relationship between accumulated throughput and wear rate of two sets of liner

由图 8 可以看出，在排矿口接近的情况下，2 套衬板的曲线近乎重合，可以认为这 2 套衬板的质量是相同的。相同质量的衬板在工况条件和设备运行参数等条件相同的情况下体现了稳定性原则，用该工具进行衬板质量的衡量是有价值的。

5.2 各运行参数的影响

在确定相同衬板具有一定规律性的基础上，选择不同的操作参数，以确定使用该指标的灵敏性，是否能凸显不同条件衬板的差别性。

对相同排矿口(20 mm)不同厂家衬板的应用情况进行对比。累计破矿量与磨损率的关系如图 9 所示。可见同一生产线上，装在 401 破碎机的衬板明显不如402 破碎机的衬板。

图9 累计破矿量与磨损率的关系曲线Fig.9 Curve of relationship between accumulated throughput and wear rate

5.3 衬板不同磨损阶段磨损特性分析

从上述分析可以看出，单位磨损率的破矿量不仅反映了不同衬板之间耐磨性的差异，在服役周期的不同阶段，不同衬板的耐磨性也各不相同。图 10 所示为衬板全生命周期内磨损特性的变化情况。

图10 衬板全生命周期内累计破矿量与磨损率的关系曲线Fig.10 Curve of relationship between accumulated throughput and wear rate during whole lifespan of liner

从图 10 可以看出，302 破碎机的衬板自始至终其磨损率近乎呈线性，说明衬板从表层到内里表现出相似的磨损规律，衬板的铸造质量比较稳定且均匀；而 401 破碎机衬板在不同的应用阶段其磨损并不均匀。

6 讨论

虽然本次研究已经将尽可能多的因素考虑在内，并采集了尽可能多的样本数据，但是为了研究主要参数的影响规律，仍不可避免地忽略了一些潜在的可能影响到试验结果的因素：如假定同一厂家、同一批次的衬板质量是相同的，但客观上，因为铸造水平的差异，可能与实际情况仍存一定的偏差；没有考虑到进出料粒度分布的影响，假定它们是一样的；每套衬板在运行初期和后期的几何形状也有一定的差异，本次研究没有考虑在内；本次研究跨距一年，假定物料的物理特性变化并不明显。这些还需要在后续的研究中进一步跟踪和分析。

7 结论

基于本次工业试验研究结论，将现场后期的衬板质量评定规则重新进行了修订，按照不同排矿口范围分段指标评定的方法，取得了矿山用户和衬板供应商的一致认可，获得了良好的社会效益。通过本次研究可以得到如下结论。

(1)任何的衬板质量评价体系都必须建立在相同排矿口的前提下，脱离排矿口建立的指标体系都是没有意义的。不仅如此，排矿口作为一个关键指标对破碎机的性能和衬板的耐磨性影响是全面和复杂的，也不建议采用对不同排矿口进行修正的方法进行比较。

(2)在给定排矿口的情况下，单位磨损率的累计破矿量跟衬板质量的关系密切，将单位磨损率的累计破矿量作为衬板质量的评价标准是可行的。不同厂家、不同质量或不同材质的衬板能够体现差异性；相同厂家、相同批次的衬板在相同的物料和运行参数下表现出相同的性能指标，体现出确定性；在不同的破碎机和生产线，该指标表现出可互换性。

(3)单位磨损率的累计破矿量不仅能对衬板的整体性能进行评价，还能反映衬板整个生命周期内耐磨性的变化情况。