立轴冲击式破碎机叶轮最大处理量的确定方法及提高途径

李恒栓

洛阳大华重工科技股份有限公司 河南洛阳 471023

立 轴冲击式破碎机 (以下简称“立轴破”) 是目前机制砂最常用的破碎设备，随着砂石项目的不断大型化，立轴破的市场需求量不断增加，单机最大处理量也同时需要提高。而要提高处理量应首先分析与处理量相关的影响因素，根据各影响因素对立轴破进行优化设计，同时还可以根据各因素的影响程度进行整体考虑，做出最优的设计[1]。

1 立轴破工作原理及处理量的界定

立轴破的工作原理如图 1 所示，高速旋转的叶轮将物料颗粒加速到一定速度并抛射出去，利用物料之间的相互撞击进行破碎，可以通过改变叶轮的转速来改变破碎效果[2]。

图1 立轴破工作原理Fig.1 Work principle of vertical-shaft impact rusher

由图 1 可以看出，物料进入进料斗内分成了两部分：一部分经限料环流经给料管后进入到叶轮内，经高速旋转的叶轮加速后抛射出来撞击到破碎腔周围；另一部分经进料斗的外腔通道直接落入到破碎腔内。这两部分物料在破碎腔内发生碰撞而被破碎，立轴破的处理量是两部分物料的总和，即进入叶轮内物料量与进料斗分流量之和。

进入叶轮内部的物料经高速旋转的叶轮加速后，带着动能发射出来是需要消耗能量的；而进料斗分流部分的物料则是自由下落，不需要消耗能量，其分流量的多少可根据实际情况进行调整。笔者只讨论进入叶轮内的最大物料处理量，不考虑进料斗的分流量。

2 存在问题

目前各生产厂家立轴破的技术参数差别较大，处理量的范围宽，这给缺少使用经验的用户在设备选型上带来了很大不便。特别是在制砂设备大型化的今天，一些大型号的立轴破不断被开发出来，目前市场上已知的最大立轴破装机功率已达到 1 000 kW。随着装机功率的加大，处理能力也随之增大，但装机功率与相应处理量的关系，大多还主要依据小型号设备的类比推算出来，缺乏理论计算依据，给大型立轴破的设计选型带来了诸多困难。

3 处理量计算方法

分析立轴破的破碎工作原理不难看出，物料在叶轮内加速的过程是能量进行转化的过程，即电动机带动叶轮旋转后，将电能转化为机械能，物料进入高速旋转的叶轮内加速发射出来，又将机械能转化为物料的动能。因此，可用动能定理计算叶轮的处理量，即在某一段运动过程中，质点系动能的改变量等于作用在质点系上全部力在这段过程中所作功的代数和，

可假设一个计算模型，在一段时间内 (1 h)，立轴破的驱动功率与叶轮转速都确定，连续不断的物料进入高速旋转的叶轮内被加速，物料的初速度 v1为 0，离开叶轮的瞬间速度为 v2，将该模型看做质点系，1 h 内累计加速的物料颗粒总质量为∑m，则有

式中：W12为 1 h 内用于加速物料颗粒所做的有效功；P 为破碎机的装机功率；η为效率。

叶轮在实际运转中由于存在各种能量损失，致使物料颗粒实际获得的能量低于从原动机得到的输入能量，用η表示物料颗粒利用的能量效率。叶轮的能量损失包括：

(1) 风阻损失ηh由于叶轮在充满粉尘颗粒的破碎腔内高速旋转，这个过程会产生风阻损失，风阻损失与叶轮的几何形状、尺寸以及转速等因素有关。经测试不同直径的叶轮边缘不同的线速度 (60～80 m/s)空载运转时的数据，确定ηh的取值范围一般为 0.75～0.86。

(2) 摩擦损失ηv物料颗粒在叶轮内的加速过程中，其受力方向与运动方向存在一定的夹角，与积料层之前存在摩擦力并转化为内能。ηv的取值范围一般为 0.80～ 0.85。

(3) 机械损失ηm包括动力传动装置、轴承、油封之间的摩擦损失。机械损失可用机械效率ηm表示，它与传动方式的选择、轴承以及油封数量有关系，一般ηm的取值范围为 0.88～ 0.94。

由式 (3) 可知，如果能计算出物料的最终抛射径向速度，则叶轮总处理量∑m 便可确定。对于一个几何尺寸与转速已知的叶轮，物料离开速度与叶轮转速之间的关系是一定的。

根据理论力学知识可知，物料在叶轮内的速度是相对速度与牵连速度二者的合成。选择旋转的叶轮为动系，安装叶轮的机架等部分为定系，物料的相对速度 vr是沿积料层向外运动，牵连速度 ve是随叶轮的中心轴转动。所以物料的绝对速度 va是 vr与 ve的速度矢量和，即 va=vr+ve(垂直于积料层方向忽略不计)，如图 2 所示。

图2 速度合成Fig.2 Composition of velocity

根据图 3 受力分析得方程

图3 受力分析Fig.3 Force analysis

式中：F离为矿石颗粒受到的离心力；µ为物料与积料层的摩擦因数，一般取 0.9～ 1.5；α为离心力与运动方向的夹角；r 为矿石颗粒到旋转中心的距离。

矿石颗粒离开叶轮的瞬间速度

以目前市场上常用的 PL-1000 立轴破为例，已知叶轮转速 n=1 340 r/min，µ=1.1，r=0.41 m，α=54°(离开抛料头时的角度)，物料颗粒离开叶轮时的受力分析如图 4 所示。

图4 物料颗粒离开叶轮时的受力分析Fig.4 Force analysis of material particle while leaving impeller

将数值代入式 (6)～ (8)，得 vr=23.2 m/s，ve=57.5 m/s，va=73.6 m/s。根据以上数据便可计算出处理量与功率和转速的关系。

仍以 PL-1000 为例，装机功率为 500 kW，叶轮转速为 1 340 r/min，ηh=0.75，ηv=0.8，ηm=0.9，根据式 (3) 计算得最大处理量为 350.9 t/h。

4 提高处理量的途径

在实际生产过程中，物料颗粒的速度可根据用途提前确定下来。制砂时，为了尽可能提高成品率，往往采用较高一些的速度；而用于物料整形时，为避免出料中的细颗粒占比过大，可选用偏低的速度。同时一种机型的装机功率也是确定的，所以提高处理量也只能从提高叶轮的总工作效率入手。

总效率是 3 个效率的乘积，其中摩擦损失是由叶轮的原理结构决定的，同时也与物料颗粒的性质、生产工艺 (如干法或湿法生产) 有关，这部分的损失可优化的空间较小，故只能从风阻损失与机械损失两方面进行优化设计。

叶轮的风阻损失与其风阻系数、几何尺寸、速度等因素有关，叶轮应设计为低风阻形状，几何尺寸满足物料颗粒的最大通过量即可，要避免直径过大、高度过高。在减少机械损失方面，可以选择传动效率高的传动带，也可以考虑选择电动机直接驱动的方式。

5 结论

(1) 通过分析立轴破的破碎工作原理，使用动能定理推导出叶轮最大处理量的计算公式。最大处理量与功率 P、能量利用效率η成正比，与物料离开叶轮的合成速度的平方成反比。叶轮的总工作效率η在0.53～ 0.69 之间是比较低的，说明能量在转化与传递过程中的损失比较大。

(2) 通过分析物料在叶轮内部的运动状态，可知物料的绝对速度是 2 个分速度的合成。以 PL-1000 立轴破的叶轮为例，当装机功率为 500 kW，叶轮转速为 1 340 r/min 时，叶轮的最大处理能力为 350.9 t/h。

(3) 综合分析影响立轴破叶轮处理能力的各种因素，得出提高叶轮处理量应主要从减少风阻损失与机械损失等方面进行优化。