颚式破碎机齿板齿形参数匹配研究.pdf

中图分类号婴垒1 分类号U D C 鱼21 硕士学位论文 学校代码幽 密级公珏 颚式破碎机齿板齿形参数匹配研究 S t u d y o nL i n e rS h a p eP a r a m e t e r sf o rJ a wC r u s h e r 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 朱贤云 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 母福生副教授 论文答辩日期丝 竺 篓 厂答辩委员会主席 中南大学 二O 一四年六月 万方数据 学位论文原创性声明渊躞 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名燃日期．盟年』月卫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名趣导师签名必 日期业年』月旦日 万方数据 硕士学位论文摘要 颚式破碎机齿板齿形参数匹配研究 摘要颚式破碎机齿板直接接触物料使其发生破碎，挤压破碎物料时伴 随巨大的冲击载荷和剧烈的磨损现象，导致齿板是破碎过程中最易损耗 的部件。齿板齿形对产品粒度、破碎力、粒形等指标都有影响，关乎企 业的经济效益。然而，目前齿板齿形对破碎性能的影响机理与规律缺乏 系统研究。因此，开展对齿板齿形的系统研究对颚式破碎机设计与应用 有重要价值。 本文求解了不同物料状态下的破碎力与齿面应力，研究了齿形参数 和参数组合对破碎性能的影响规律，获得最优齿形参数组合，并通过实 验进行规律验证。主要内容如下 1 ．使用材料力学与弹性力学理论求解单颗粒物料破碎的破碎力与 齿面应力，包括单颗粒块体物料与单颗粒球形物料。基于C o u l o m b ．M o h r 强度理论提出多颗粒物料破碎状态下的齿面应力求解方法。 2 ．采用有限元法模拟单颗粒块体物料在齿板压缩动作下的裂纹拓 展与破碎模式，深化对物料破碎行为的认识。获得单因素条件齿形参数 对破碎性能的影响规律。数值模拟结果与理论计算结果吻合。 3 ．采用正交试验设计方法拟定模拟试验方案，使用离散元法模拟多 颗粒破碎过程，研究齿形参数多因素对破碎力、齿面应力和破碎效果的 影响规律。提出齿形体积比与齿形系数概念，研究表明齿形体积比与破 碎性能有一定的相关性。分析表明影响综合指标的主要因素是齿底宽， 其次是齿形角，并得到了最优参数组合；通过方差分析可知在多颗粒物 料破碎过程中，齿底宽在O ．1 水平下对破碎的综合性能有较显著的影响， 齿距和齿形角对物料破碎的综合性能有一定的影响。 4 ．对不同齿形参数条件下的单颗粒块体物料与多颗粒物料进行破 碎实验，结果表明，块体物料破碎实验破碎力与理论计算值二者基本吻 合，验证了块体物料破碎理论的正确性。多颗粒物料破碎力与齿形体积 比有较好的关联度，验证了齿形体积比的提出及相关理论分析的正确 性。 图1 15 幅，表1 4 个，参考文献5 7 篇。 关键词齿板齿形；破碎性能；有限元法；正交试验；离散元法 分类号T D 4 5 1 万方数据 硕士学位论文 S t u d yo nL i n e rS h a p eP a r a m e t e r sf o rJ a wC r u s h e r A b s t r a c t L i n e ro fja wc r u s h e ri St h ee r i e c t i v ep a r t c o n t a c t i n gw i t h m a t e r i a ld i r e c t l yt oc r u s hm a t e r i a l ．S e v e r ei m p a c ta n di n t e n s ea b r a s i o n e x i s t i n gi nt h em a t e r i a lc o m p r e s s i o nr e s u l ti nt h a tl i n e ri st h ee a s i e s tp a r t t ow e a ra n dt e a ra m o n gc r u s h e rc o m p o n e n t s ．L i n e r s h a p ea f f e c t sp r o d u c t p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n ，c r u s h i n gf o r c ea n dp a r t i c l es h a p e ．T h e s e p e r f o r m a n c e sh a v ed i r e c tr e l a t i o nw i t he c o n o m i cp r o f i tf o re n t e r p r i s e ． H o w e v e r , p r e s e n ts t u d yh a sn os y s t e m i ck n o w l e d g ei nt h ee f f e c to fl i n e r s h a p eo nc r u s h i n gp e r f o r m a n c e ．I ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yl i n e rs h a p e s y s t e m i c a l l yf o rs t r e n g t h e nc r u s h e rf u n d a m e n t a lt h e o r y ． T h i sp r e s e n t a t i o nd e a l sw i t hc r u s h i n gf o r c ea n dl i n e rc o n t a c t i n g s t r e s su n d e rd i f f e r e n tm a t e r i a ls t a t u s ．E 毹c to fp a r a m e t e r so fl i n e rs h a p e u n d e rm o n o - f a c t o ra n dm u l t i - f a c t o r sc o n d i t i o nw a so b t a i n e d ．O p t i m i z e d p a r a m e t e r sg r o u pw a sg o ta n dv e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t ．T h em a i n w o r ki n c l u d e s 1 ．C r u s h i n gf o r c ea n dl i n e rs t r e s sf o rs i n g l ep a r t i c l ew a sa n a l y z e d u s i n gm a t e r i a lm e c h a n i c sa n de l a s t i cm e c h a n i c sm e t h o do nb o t hb l o c k a n ds p h e r ep a r t i c l e ．T h em e t h o dt oc a l c u l a t el i n e rs t r e s so f m u l t i ．p a r t i c l e s w a sp r o p o s e db a s e do nC o u l o m b ．M o h rc r i t e r i o n ． 2 ．T h ek n o w l e d g eo nm a t e r i a lc r u s h i n gb e h a v i o rw i l lb er i c h e nb y s t u d y i n gf r a c t u r ea n df r a g m e n t a t i o nm o d eo fc r u s h i n gp r o c e s so fs i n g l e b l o c kp a r t i c l eu n d e rc o m p r e s s i o no fl i n e r ．E f r e c to fs i n g l el i n e rs h a p e p a r a m e t e r o nc r u s h i n gp e r f o r m a n c ew a so b t a i n e d ．S i m u l a t i o nr e s u l t s c o i n t i d ew i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t s ． 3 ．S i m u l a t i v ee x p e r i m e n tp r o g r a mw a sd e t e r m i n e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n td e s i g nm e t h o d ．E 毹C to fm u l t i ．f a c t o ro ft o o t hs h a p e p a r a m e t e ro nc r u s N n gf o r c e ，l i n e rs t r e s sa n dc r u s h i n gr e s u l tw e r es t u d i e d u s i n gd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ．R e l a t i v ec o e 伍c i e n t sw e r ep r o p o s e d ． R e s u l t ss h o wt o o t hs h a p ev o l u m ei n d e xh a sc o i n c i d e n c ew i t hc r u s h i n g p e r f o r m a n c e ．T h ei n t u i t i v ea n a l y s i ss h o wt o o t hb a s ew i d t ha f f e c t s s y n t h e t i c a li n d e xs i g n i f i c a n t l y , t h e ni st o o t hs h a p ea n g l e ．O p t i m i z e d p a r a m e t e r sg r o u pw a so b t a i n e d ；V j 疵a n t ea n a l y s i ss h o wt h a tt o o t hb a s e w i d t ha f f e c t ss y n t h e t i c a li n d e xs i g n i f i c a n t l yu n d e rl e v e lO ．1 ．Ⅵ1 h i l et o o t h p i t c ha n dt o o t hs h a p ea n g l ea l s oh a v ei n f l u e n c e ． Ⅲ 万方数据 硕士学位论文 4 ．C r u s he x p e r i m e n t so fs i n g l ep a r t i c l ea n dm u l t ip a r t i c l eu n d e r d i f f e r e n tt o o t hs h a p ew e r ed o n e ．R e s u l t ss h o wt h a tc r u s h i n gf o r c e so f m o n op a r t i c l ec o i n c i d ew i t ht h e o r e t i c a lv a l u e st h u s v e r i f y i n g t h e r e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a lm o d e l ．C r u s h i n gf o r c e so fm u l t i ．p a r t i c l e sh a sa g o o dr e l a t i o n s h i pw i t ht o o t hs h a p ev o l u m ei n d e x ．T 1 1 i sv e r i f i e st h e r a t i o n a l i t yo fp u R i n gf o r w a r dv o l u m ei n d e xa n dr e l a t i v e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ． 1 15f i g u r e s ，14t a b l e s ，5 7r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s l i n e rt o o t hs h a p e ；c r u s h i n gp e r f o r m a n c e ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d C l a s s i f i c a t i o n 卫D 4 51 I V 万方数据 硕士学位论文 目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I I 目勇毛⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题来源及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 颚式破碎机齿板齿形研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 物料的破碎机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 齿板及其齿形与物料破碎的相互作用关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 数值模拟在物料破碎中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 2 齿板破碎物料的力学参数研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 2 ．1 物料的物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．1 物料的物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．2 物料的变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．3 物料强度及影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 ．4 物料破碎的类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．2 单颗粒破碎的力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 单颗粒块体物料破碎⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．2 单颗粒球形物料破碎⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 多颗粒破碎的力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．1 多颗粒物料破碎力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．3 ．2 多颗粒物料破碎齿面应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 物料破碎过程数值模拟及齿形参数对破碎的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 基于有限元法的物料破碎过程数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．1 显式非线性动态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．2 非线性接触问题的求解方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．1 ．3 材料失效模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．1 ．4 几何模型与材料参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 单颗粒破碎数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 齿板碎矿过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．4 齿形参数对单颗粒破碎性能的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．4 ．1 齿距对破碎性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．4 ．2 齿底宽对破碎性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．4 ．3 齿形角对破碎性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 基于离散元．正交试验的齿形参数组合匹配研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．1 基于离散元法的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．1 ．1 离散元法的基本思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．1 ．2 物料颗粒的黏结模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 V 万方数据 硕士学位论文 目录 4 ．1 ．3 齿形参数组合模拟试验的几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 齿形参数组合对破碎性能的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．1 正交试验设计方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．2 正交试验模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 试验模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．1 多颗粒破碎模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 ．2 多指标的综合评定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 ．3 齿形有关系数的提出与研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 ．4 直观分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 ．5 方差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．4 最优齿形参数组合模拟试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 实验设备、材料与步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 ．1 实验设备及其主要参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．2 ．2 实验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．2 ．3 实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．3 实验结果和分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 ．1 块体物料破碎结果和分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．3 ．2 多颗粒物料破碎结果和分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．2 论文不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 附录应变花与三向力传感器应变信号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 v I 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 ．1 课题来源及研究意义 矿产资源为工业提供物质基础，对人类的生存和发展不可或缺。矿产的开发 与利用是推动国民经济发展的重要驱动因素。矿物加工是矿业的重要环节，为其 他的领域提供原材料。破碎是矿物3 n - r - 流程中不可或缺的工艺过程，破碎的基本 任务是提供具备一定粒度、粒度分布，并且充分解离但未被过度粉碎的加工原料， 以利于下一步流程的加工、处理和使用。破碎过程中的能量耗费巨大，伴随的材 料消耗也高。据不完全统计，我国黑色、有色、贵金属、化工、建材等行业，每 年破碎矿石和各种物料约为1 8 亿吨，用电量为2 5 0 ～3 0 0 亿千瓦时，占全国总用 电量8 ％- - - 1 0 ％，钢耗约为2 5 0 万吨。在金属选矿企业中，破磨作业的能量消耗占 选矿总能耗的4 0 0 ／o , - - 7 0 ％。每年仅齿板材料高锰钢这一项消耗的量约达6 万吨【1 1 。 破碎、磨矿环节的节能与降耗就成为选矿企业降低生产成本、增加经济效益的重 要手段之一。 传统的颚式破碎机由于结构简单、工作可靠、制造容易、维修方便、价格低 廉、适用性强等优点，所以在工业上得到广泛应用。破碎机齿板是破碎过程中直 接作用于物料使物料产生破碎的作用部件，挤压破碎物料时伴随着巨大的冲击载 荷和剧烈的磨损现象，导致齿板是破碎过程中最易损耗的部件。一旦损耗到一定 程度，就会出现功率消耗增大、容易发生“闷车”现象、单位时间产量下降等等 【2 】。失效齿板的更换，意味着要停机，甚至整个破碎工艺的产线停线维护，对于 企业来说，齿板失效无疑给企业增加了运营维护成本。频繁的更换齿板，将制约 企业的生产率以及经济效益。故齿板的耐磨性决定了齿板的使用寿命以及因更换 齿板导致停机维护的成本。 同时，由于颚式破碎机齿板是直接作用于物料使其发生破碎行为的部件，破 碎齿形状的优劣便直接影响破碎机的破碎性能，如生产率、比能耗、产品粒度、 粒形、破碎力等，对后三个影响尤其明显【3 J 。 综上所述，鉴于日益严峻的资源短缺，在节能减排的大背景下，提高破碎机 整机的可靠性和总体性能势在必行。齿板作为破碎机的关键部件，一定程度决定 了其性能水平。故很有必要对齿板的齿形进行研究，得到破碎效果最佳同时耐磨 性良好的齿形。 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 ．2 颚式破碎机齿板齿形研究现状 1 ．2 ．1 物料的破碎机理研究 颚式破碎机中单颗粒破碎主要的破碎模式是压碎、劈碎、折碎、冲击破碎。 压碎是物料在压应力作用下达到材料的抗压强度而发生破碎。劈碎是物料位于一 个平面与带尖楞的工作平面之间。当带尖楞的工作平面对物料产生挤压时，物料 沿压力作用线的方向劈裂。劈裂的原因归结于劈裂平面上的拉应力大于或等于物 料的抗拉强度极限。破碎的物料多为脆性材料，材料抗拉强度极限比抗压强度极 限小的多。折碎是物料受弯曲作用而发生破碎。被破碎物料承受集中载荷作用可 看作是二支点筒支梁或者多支点梁，当物料的弯曲应力达到物料的弯曲强度时， 物料就会被折断而发生破碎。冲击破碎时物料受到剧烈的冲击作用力发生破碎， 破碎力是瞬时的，其作用效率高、破碎比大、能量消耗小。在破碎机的中上部大 颗粒多发生这种破碎模式[ 4 1 。 尚舞六团妥』人 毕盗铲_ 悬’函5高 d e l a b c ⋯’ I e J 图l - 1 单颗粒物料破碎原理示意图 a 压碎 b 劈碎 c 劈碎 d 浙碎 e 冲击破碎 在物料破碎的强度理论研究方面，有基于剪切破坏的G r i f f i t h 强度理论、最 大剪应力理论等，有基于脆性破坏的强度理论，它是在三个主应力全是拉应力的 情况下，以其中最大拉应力是否达到临界值来判断物料是否破坏，其他两个拉应 力则不作考虑。物料的材料往往是不均一的，宏观的破坏现象是一些列微观破坏 的综合表现，这些不均质的微观破坏只能用统计的办法来研究。由此采用微观破 坏的统计规律来表达强度的数学期望，称其为统计强度理论。 A ．G r i f f i t h 认为脆性物料的破坏是由材料内部存在的裂隙所决定的。由于固 体内微小裂隙的存在，在裂隙尖端存在应力集中现象，从而使裂纹扩展，以致破 坏。对于单个裂隙，当其裂隙扩展时，将释放弹性能，同时新的裂隙表面将有表 面能的增加，当释放能量与增加的表面能平衡，则裂隙停止扩展，如裂隙的增加 导致总能量的减少，则整个固体变成不稳定系统，裂隙会继续发展。二维问题简 化模型为弹性体中一个椭圆形的微裂隙 如图1 ．2 所示 ，外力作用使裂隙表明 的拉应力不同，先求得裂隙表面的最大应力，当裂隙方位变动时，最大拉应力也 万方数据 硕士学位论文l 绪论 随之变化。G r i f f i t h 准则表达式【5 】如下 当q 3 ％≥0 时， q - 巴 2 8 q q 吒 0 当o “ 1 3 0 “ 3 0 时，c r 3 一q 西 西 图1 - 2G r i f f i t h 裂隙模型 1 ．2 ．2 齿板及其齿形与物料破碎的相互作用关系 1 - 1 1 2 1 齿板破碎力研究 东北工学院丁耀武【6 】评述了破碎力研究的三个基本观点，对巴乌曼与奥列夫 斯基的破碎力计算方法进行分析评价。通过理论分析，得到单颗粒与多颗粒破碎 的破碎力计算公式。 中南大学刘省秋【『7 】探讨了破碎力的基本性质与变化规律，总结并分析了几种 破碎力的计算方法，并推导出最大破碎力在动颚齿板上作用点位置的计算公式。 中南大学母福生等【8 】根据所研发的双腔颚式破碎机颚齿板的运动规律分析 破碎力的变化规律，针对破碎模式提出双腔颚式破碎机的最大破碎力计算公式。 M ．L i n d q v i s t t 9 1 根据E v e r t s s o n 的研究‘10 1 ，行程压缩比与层压物料压缩力的关 系得到齿板的压力分布，再对齿板受力进行研究。 2 齿板的横向比较及综合研究 衬板的断面形状一般可分为平滑型工作面和齿形工作面，后者又分为梯形表 面和三角形，如图1 ．3 所示【引。 一一 图1 ．3 齿板示意图 a 梯形齿C o 三角齿 b 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 对平滑表面衬板的实验表明，在相同的条件下与齿形衬板比较，生产率提高 4 0 ％左右，寿命提高5 0 ％左右；但破碎力增加约1 5 ％，又不能控制破碎产品粒度， 而且功率消耗略有增加。因此，对破碎层状物料，要求产品粒度较高的条件下， 不宜采用平滑衬板，对于破碎腐蚀性很强的极坚硬物料，为延长衬板寿命，也可 采用平滑衬板。为保证衬板齿形对破碎机生产率、比能耗没有明显影响，仅对产 品粒度组成、粒形以及被破碎物料性质有关。故可按下式计算齿高 h 熹 1 - 3 3 ．1 6 墨马 式中h 一齿高，m l T l l K 1 一考虑衬板齿形系数，三角形齿K I 0 ．8 ，梯形齿厨 O ．7 ； 娲一考虑矿石种类系数，石英石、玄武岩局 1 ．1 ，花岗岩、正长岩等恐 1 ．0 ， 石灰石恐 0 ．8 ； 如。x _ 产品最大粒度。 李生光认为当排料口宽度相同，其他参数不变时破碎机生产率和破碎效率随 着破碎齿高度的增加而降低，而衬板的磨损速度又随着齿形高度的增加而显著加 大【l l 】。由于实际应力状态复杂，并不能简单的数学推导出破碎力的具体数值。 虽然不能定性得出结论，但可以定性指出，采用平滑衬板进行破碎物料所受的破 碎力最大。 齿形衬板与能耗的关系是随着所要求得破碎产品粒度的变化而变化的，一般 细碎产品平滑衬板的能耗比齿形衬板要少，但随着排料粒度的增加两者的能耗相 接近，若进一步增大排料粒度 粗碎时 平滑衬板的能耗要大大高于齿形板。又 由于平滑衬板具有生产效率高、破碎效率高以及磨损小的优点。而齿形衬板具有 降低破碎力的优点。因此一般大中型颚式破碎机均采用齿形衬板，而小型破碎机 采用光滑衬板。 郎宝贤【3 】指出大型颚式破碎机都采用圆弧齿，如S v e d a l a 集团某款颚式破碎 机就是采用圆弧齿，图1 ．4 所示为1 2 0 0 X1 5 0 0 破碎机所用的圆弧齿。 图1 - 4 圆弧齿 郭年琴㈣认为一般梯形齿比三角齿耐磨，衬板使用寿命更长。但三角齿的 机能更好，在相同的破碎力作用下对岩石产生的压应力更大，容易把岩石破碎。 3 齿板工作状况的研究 李生光对大、中型颚式破碎机的工作状况进行观察发现，破碎齿在破碎腔上 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 部和排料口处没有发挥应有的作用【1 1 】，即对矿物产生弯曲、剪切等作用 如图 1 - 5 a 所示 。在排料口附近齿顶尖的距离最小，物料被挤在齿底。物料是靠挤压 破碎，齿顶和对应的齿底将颗粒压碎，此时所产生的破碎力要大于劈碎和折弯破 碎。此时摩擦面积增大很多，排料不畅，破碎齿的磨损加剧，生产率也受到影响。 a 折弯破碎 b 冲f I 压破碎 图1 - 5 破碎齿的两种工作状态 关润浩【l3 J 研究认为，随着破碎腔随着向排料口逐渐缩小，造成不同位置上 被破碎物料相对运动也不同，随着张口的缩小，运动趋势增加。在排料口底部的 磨损方式属于“凿削式磨损”。 齿板在与接触物料的挤压、冲击、破碎作用下，齿板与物料之间发生挤压和 研磨现象，齿板材料表面出现挤压坑，或者发生微小疲劳裂纹，随着破碎作用的 持续齿板表面形成剥落坑。由于齿板中存在冶炼、铸造过程中形成的夹杂物和气 孔的缺陷以及金属晶格缺陷会使应力集中而发生微裂纹，并在冲击、挤压循环作 用下逐步扩展，造成齿板断裂。 齿板的寿命取决去三个因素材质、物料性质、齿板结构、齿形【1 4 1 。齿板 结构就是齿板的形状，使破碎腔的具有一定的形状。通过检测发现，齿的顶端和 两侧面在工作的期初阶段，齿顶端很快磨损，并很快使齿顶向宽、钝方向发展 如 图1 - 6 所示 。周树德根据这个规律对齿形进行修正，把齿项宽加宽来弥补损耗， 达到延长寿命的目的。 荆帕嘲嘲■一 图1 - 6 齿形磨损演变 万晓航【1 5 l 使用有限元法分析得到齿板的齿顶距越小，物料越容易破碎，但 是会削弱齿的强度。过分减小齿距，会导致齿边缘出现弯曲应力，造成齿面出现 裂纹，齿面材料脱落，降低衬板的使用寿命。在这个结论基础上对梯形齿进行优 化。优化方法是加高齿顶、增大齿边缘圆弧半径。 一 一 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 姚小马【1 6 】对衬板三角齿形进行修圆，在实际生产中收到良好效果。 梁敏【1 7 】运用P r o ／E 的C A E 功能模块对衬板进行静力分析和齿形优化，得到 齿形高为某数值时衬板受最大剪切应力比其他齿高时要小。 从齿形研究现状的分析来看，目前还有对齿形系统研究的制约因素主要有 1 物料处于随机、离散的状态，对物料颗粒群的破碎过程的动态过程分 析具有一定的难度。 2 物料的随机分布导致破碎过程中破碎齿的受力状态复杂，一次破碎动 作，物料发生的破碎次数多，齿板的受力变化复杂，在衬板上的分布也具有不确 定性。要提出理论性齿形设计方法有一定的难度。 1 ．2 ．3 数值模拟在物料破碎中的应用 数值模拟法在材料的破碎研究方面得到广泛应用。R ．D a s 等使用基于颗粒的 拉格朗日方法研究单轴压缩状态下的岩石裂纹拓展与整体破坏【1 引。破坏进程由 每个颗粒的应变历程决定的。不同形状的岩石样本经过模拟试验确定形状对破碎 模式和冲击破碎的能量耗散的影响 破碎情况见图1 ．8 。研究表明岩石形状对破 碎进程、碎片尺寸、能量耗散以及碎片破碎后的行为模式都有显著的影响。 图1 - 圆柱体与球体物料的破碎情甜1 8 】 唐春安【1 9 】等使用R F P A 程序模拟了单颗粒在不同载荷模式下的破碎行为，结 果表明主要的失效模式是突变的劈裂与渐进的破碎，二者都受载荷的模式影响。 唐春安等【2 0 】用同样的手段模拟了多颗粒的破碎，指出破碎过程中存在三个主要 区域弹性变形区、破碎发生区、硬化区。应力应变曲线表明颗粒群存在宏观的 延展行为。 离散元法是一种数值求解颗粒运动破碎的计算方法，被广泛接受并应用于解 决颗粒及离散材料有关工程问题的有效分析方法【2 l 】，特别是在颗粒流、粉末力 学、岩石力学和粉碎应用方面。在粉体工程方面主要针对物料的动力学行为研究、 多相混合材料以及其他具有复杂结构的材料力学特性研究。学者及工程师使用离 散元法模拟分析颗粒系统的粒子流动、颗粒剪切效果和颗粒的填充性等圈。 万方数据 硕士学位论文1 绪论 母福生等1 2 3 J 对单颗粒物料在齿板挤压下的能量消耗规律进行了模拟，得出 破碎能耗、破碎力与冲击速度等因素的定量关系。 雷强1 2 4 】基于离散元法对颚式破碎机不同破碎条件下的破碎力、产品粒度等 进行了研究。 D ．N ．W h i t t l e s 等【2 5 】采用离散元法与试验分析单轴压缩破碎，探讨了应变率、 冲击能量、破碎程度与破碎能量效率之间的关系。 A ．R e f a h i 等【2 6 】采用离散元法模拟立方体物料与球体物料在两块颚板之间的 挤压破碎过程，研究模拟的应变能与由B o n d 破碎系数估计的应变能之间的关联。 破碎样本材料模型为基于C o u l o m b ．M o h r 强度理论的弹塑性模型。成果指出虽然 剪切与拉伸断裂同时存在，剪切破坏模式消耗了破碎能的绝大部分。A ．R e f a h i 等【2 7 】另外模拟了球体物料与立方体物料在带破碎齿的颚板挤压作用下的破碎行 为，比较估计的破碎能耗与模拟