破碎理论及破碎机的研究现状与展望

A bstra ct: A k ind of new typ ed h igh p rec ision length con tro l system of em bo ssing m ach ine was in troduced. This device uses the serial comm unication system con stitu ted by the p rogramm able contro ller and the touching sc reen to let the da ta co llected by
田中达夫于 1954 年根据极限表面理论 , 即当粉碎颗粒达到 一定细度时 , 颗粒会出现微塑性变形 , 颗粒会发生锻焊或焊合 作用而相互聚合长大 , 使颗粒变粗 , 把该细度范围称作粉碎极 限 , 提出了有界粉碎能耗理论 , 如式 ( 4 ) 所示 :
A =
1
KT
ln
s∞ - so s∞ s
( 4)
“J ixie She ji” 8773
3 收稿日期 : 2009 - 06 - 23; 修订日期 : 2009 - 07 - 29
作者简介 : 高强 ( 1963 - ) ,男 ,天津人 ,副教授 ,学士 ,主要从事机电一体化教学和研究工作 ,发表论文 4 篇 。
2009 年 10 月
高强 ,等 : 破碎理论及破碎机的研究现状与展望
式中 :ΔUm — — — 被破碎物料内能的增加量 ; ΔU i — — — 粉碎介质内能的增加量 ;
Q— — — 热损失 。
1985 年加巴洛夫从结构化学的角度研究了粉碎能耗问题 ,
建立了关系式 :
A n = ∑ ∑∫ f ij ( rij ) d rij
i = 1 j = 1 ij N1 N2 a
经积分计算后得 :
A 2 = K2 Q [ lnD o - lnD p ]
( 12 )
( 7)
式中 : A n — — — 形成新生表面积所需的功 ;
N1 — — — 构成 i组原子的数量 ; N2 — — — 构成 j组原子的数量 ; f ij ( rij ) — — — 原子间的相互作用力 ; r— — — 原子间的距离 。
摘要 : 破碎机是物料破碎的主要设备 ,被广泛应用于冶金 、 矿山 、 建材 、 筑路 、 化学和硅酸盐行业中 。 文中针对破碎理 论及各式破碎机的研究现状进行了分析和总结 ,并针对目前存在的问题 ,提出了破碎理论及破碎机的发展方向 。 关键词 : 破碎机 ; 破碎理论 ; 展望 中图分类号 : TD451 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 2354 ( 2009 ) 10 - 0072 - 04 利用外力将大颗粒变成小颗粒物料的过程称为物料破碎 , 其使用的相应设备称为破碎机 。 破碎机被广泛用于冶金 、 矿山 、 煤炭 、 水利 、 建筑 、 建材 、 环保和化工等行业 , 据资料的统计分 析 ,在大型选矿厂 , 用于破碎粉磨的生产费用通常占全部费用 的 50% 以上 ,其投资约为选矿厂投资的 50% ～ 60% [ 1 ] ,由此可 看出 ,其在相应生产工艺中起着极其重要的作用 , 更为重要的 是 ,破碎过程还决定着后续工艺能否有效能进行 。 随着我国经济的高速发展 , 这些行业每年所需经过碎磨工 艺处理的物料呈现几何级数增加 ,物料碎磨的作业日益显示其重 要性 。 影响破碎过程的因素有很多 ,都与破碎设备性能相关联 。 因 此 ,设备性能的优劣将极大地影响到工作效率和能耗的高低 。 基 于设备的节能降耗 ,提高碎磨设备工作效率 ,不断优化碎磨作业 , 从而提高相关工业部门的经济效益 ,深入研究破碎理论并研制开 发新型 、 高效 、 节能和环保的现代碎磨设备具有非常重要的现实 意义 [ 2 - 6 ] 。 文中对破碎理论及破碎机的研究现状进行了分析 , 并 针对目前存在的问题提出了破碎机的发展方向 。
JOURNAL O F MACH IN E D ES IGN
Vo l . 26 No. 10 Oct . 2009
破碎理论及破碎机的研究现状与展望
高强 ,张建华
1 2
3
Байду номын сангаас
( 1. 天津渤海职业技术学院 机电工程系 ,天津 300402; 2. 河北工业大学 机械工程学院 ,天津 300130)
73
面积学说着重在物料破碎后的新生表面积 , 面积学说理论 认为破碎功全都是用来克服新生表面物料原分子之间的内聚 力 。这一理论在较大破碎比时 , 与实验结果较为吻合 。 ( 2 ) 体积学说 。 В . Л . 吉尔皮切夫和 F. 基克 ( 1885 年 ) 认为 , 外力粉碎物 料所作的功 , 完全用于使物料发生变形 , 当变形能储至极限 , 物 料即被破坏 。即为使几何相似的同种物料 , 粉碎成形状相同的 产品 , 所需的功与它们的体积或质量成正比 , 可用下式表示 : ( 6) dA 2 = KdV
式中 : K2 =
3 KQ
δ D
体积学说以弹性理论为基础 , 着重在于分析物料受外力作 用而发生变形的程度 。体积学说对物料的其他性质 , 如表面形 状、 质地等未考虑 。故一般较符合物料的压碎和击碎过程 。 ( 3 ) 裂缝学说 。 1952 年 Bond F C 根据一般碎矿和磨矿设备得到的实验数 据 , 建立了经验公式 :
Wi = W
10
P(
F FP
)
( 8)
式中 : F — — — 给矿的 80 %能通过方筛孔的宽 ;
P— — — 破碎后的产品的 80 %能通过的方筛孔的宽 ; W— — — 将 1 t粒度为 F 的给矿破碎到产品粒度为 P 所消耗的功 ; W i— — — 功耗指标 。
随后 Bond F C对建立的经验公式进行进一步的解释 :破碎 矿石时 , 外力作用的功首先使物体发生变形 , 当局部变形超过 临界点 , 即生成裂口 , 裂口形成之后 , 储在物体内部的形变能使 得裂口扩展并生成断面 。提出了著名的裂缝学说 , 即破碎物料 所消耗的能量与物料的直径或边长的平方根成反比 。 由于岩矿是具有裂缝和缺陷的非均匀固体 , 因此岩矿实际 承受的极限破碎应力应小于其理论强度 。基于脆性物料的尺 寸效应及韦布尔的统计推断 , Holm s J A 对脆性物料的破碎进 行了相应的理论研究 。 1957 年 Charles R I综合了上述三大粉碎理论 , 提出了一个 粉碎能耗的普遍公式 , 即 :
ec s ec
( 5)
u ra l Gas Eng ineering, Ch ina U n iversity of Petroleum ( B eijing Cam pus) , B eijing 102249, Ch ina )
coder be d isp layed in the touch ing screen. U sing the se rvo 2 mo to r to contro l the traveling length of the em bo ssing m achine thu s effectively lowe red the fa ilu re ra te of mo to r and enhanced the econom ic benefit and compe titive strength of enterp rise s . Key words: ho t p re ssing m achine; PLC; touching sc reen Fig 7 Tab 0 R ef 4
1 破碎理论和破碎机的研究现状
1. 1 破碎理论的研究现状
式中 : KT — — — 比例系数 ; s∞ , so , s— — — 极限比表面积 , 给料的比表面积 , 产物的比表面积 。
针对破碎作业 ,许多学者试图采用定量分析的方法 , 建立 破碎理论假设 , 揭示能量消耗与物料粉碎状态之间的内在联 系。 在破碎理论的研究上 , 主要有三大粉碎功耗学说 [ 7 ] 及在三 大学说的基础上发展起来的相关学说 [ 3 ] 。 ( 1 ) 面积学说 。 Von R ittinger P R 于 1867 年提出了著名的面积学说 , 认为 外力破碎物体所做之功将转化为新生表面积上的表面能 , 故粉 碎能耗与粉碎时新生表面积成正比 , 即粉碎单位质量物料的能 耗与新生的比表面积成正比 ,如式 ( 1 ) 所示 : ( 1) dA 1 =γdS
γ— — — 比例系数 。
破碎质量为 Q 的矿石所需的功为 :
dA 1 =γ
Q
δ k2 D 3
d ( k1 D 2 )
( 2)
考虑到给矿和破碎产物为混合粒群 , 采用平均直径进行计 算 , 积分后得 :
A 1 = K1 Q [
1
Dp ;
-
1
Do
]
( 3)
式中 : K1 =
γk1 2 δ k2
Dp , Do — — — 破碎产物的平均直径和给矿的平均直径 。
dA = - C dx xN
( 9)
式中 : C — — — 与粉碎机械有关的系数 ;
x— — — 物料粒度 ; N— — — 与物料特性有关的系数 。
积分可得 :
A = ∫- C
Do D p
以三大粉碎功耗学说为代表的传统破碎理论在粉碎领域 中起着重要的指导作用 , 促进了物料破碎技术的发展 。 但三大 粉碎功耗理论都有各自的适用范围 , 具有一定的片面性 , 已不 能满足破碎工业的发展 。 因此 , 建立完整的 、 系统的粉碎功耗理 论 , 全面揭示物料粉碎的机理成为必要 。 1. 2 破碎机的研究现状 破碎机按照工作原理和结构特征可分为颚式破碎机 、 旋回 式破碎机 、 圆锥破碎机 、 辊式破碎机和冲击式破碎机 [ 8 ] 。 ( 1 ) 颚式破碎机 。 美国人 B ake E W 发明了颚式破碎机 , 由于其结构简单 、 容 易制造 、 工作可靠 、 使用维修方便等优点 , 在矿山 、 冶金 、 建材 、 筑路 、 水利 、 化工 、 煤炭多种行业中得到广泛应用 。 为了改善颚式破碎机性能和提高工作效率 , 国内外研制出 各种颚式破碎机 [ 9 ] 。 主要有 :简摆双腔颚式破碎机 , 该破碎机不 仅具有大破碎比 、 产品粒度细 , 而且使间歇运动变成连续工作 , 提高了破碎机工作效率 ; 双动颚颚式破碎机 , 该破碎机在动颚 破碎机的基础上拆除了破碎机的前墙 , 由 2 个破碎机对置而 成 , 并在偏心轴上设计了一对开式齿轮 , 保证了两动颚的同步 运转 , 双动颚颚式破碎机具有可强制排料 、 生产能力较高和使 用寿命较长等特点 ; 外动颚匀摆颚式破碎机 , 该机将动颚与连 杆分离 , 动颚为连杆上的延伸部分 , 因此改变机构参数即可调 整动颚运动轨迹 。 连杆作为破碎机的边板 , 并把动力传递给动 颚 , 该机具有处理能力大 、 外型低 、 给料高度及整体重心低 、 破 碎比大等优点 ; 振动颚式破碎机利用不平衡振荡器产生的离心 惯性力结合高频振动对矿石进行破碎 , 具有破碎强度大 、 破碎 比高等特点 。 ( 2 ) 旋回式破碎机 。 旋回式破碎机是大型矿石破碎和坚硬物料破碎的典型设 备 , 广泛应用于黑色 、 有色冶金 、 建材 、 化工和水利等行业 。 旋回式破碎机由上机架构成定椎体 , 动锥安装在主轴上 , 动锥和定锥均安装衬板 , 构成破碎腔 , 由电动机通过传动装置 带动动锥运动 , 实现对矿石的连续破碎 , 矿石靠重力排出 。 由于 旋回式破碎机采用连续破碎的方式 , 因此其生产能力大 , 与颚 式破碎机相比 , 旋回式破碎机的生产量是其 2 倍以上 。 因此 , 旋 回式破碎机主要具有大破碎比 、 高产量 、 产品粒度细 、 节能和高 效等优点 。
式中 : dA 1 — — — 生成新表面积 dS 所需的功 ;
Π. A. 列宾杰尔于 1962 年发现石英粉碎后 , 不仅存在极限 比表面积 , 也存在塑性变形 , 且机械的活化作用使石英无定形 化 。提出了粉碎石英所需能量的关系式 :
η Δ ε = ( ) ln ( ) + + (βl +σ) s∞ αF αF so 式中 :η— — — 机械效率 ; Δ ε— — — 输入粉碎机的有用能量 ; e— — — 比弹性变形能 ; c— — — 比例系数 ; αF — — — 粉体形状系数 ; β— — — 比塑性变形能 ; l— — — 无定形层的厚度 ; σ— — — 比表面自由能 。
式中 : dA 2 — — — 破碎体积为 dV 的物体所需要的功 ;
K— — — 比例系数 。
Tkavova K将破碎过程看作一个物理化学过程来研究 , 认
为破碎过程一个不可逆的热力学过程 。 1979 年首次从热力学 的角度研究了破碎系统的内能 、 熵、 自由焓等参数的变化规律 , 并建立了热力学能量平衡方程式 : ( 11 ) A =ΔUm +ΔU i - Q
冲击式破碎机分为锤式和反击式两种锤式破碎机纠利用高速旋转的锤子冲击和物料自身撞击到衬板而破碎当物料达到粒度要求后从下部的筛条缝隙中排出锤式破碎机适用于中细碎中等硬度及脆性的物料具有生产效率高破碎比大构造简单尺寸紧凑功耗较少维护简单等优点
第 26 卷第 10 期 2 0 0 9年 1 0月
机 械 设 计