机械毕业设计874000TH差动分级齿辊式破碎机b

第一章绪论

1.1煤用破碎机的国内外技术发展及现状

破碎是当代飞速发展的工业矿物加工领域中一个重要的环节，破碎机就是矿山机械中应用非常广泛的一种设备。在各种金属、非金属、化工、建材、电力等工业部门占有非常重要的地位。从经济角度来讲，在选矿厂，破碎与磨碎作业的生产费用占全部选矿费用的40%以上，设备投资占总投资的60%左右。从能源与环保角度讲，破碎作业要消耗巨大的能量，物料破碎过程中由于作业中产生发声、振动、摩擦、粉尘等，使能源大量消耗，作业环境严重污染。因而多年来国内外的界内人士一直在研究如何达到节能、高效地完成破碎过程，从理论研究到新产品研制 (包括改造旧的设备)直至改变生产工艺流程，以求达到节约投资、低耗能、少污染、高效率、过粉碎量小、产品粒度均匀并满足与之相配套的新设备、新技术系统的工艺要求。

煤矿是破碎机应用最广泛的行业，露天煤矿的原煤破碎和选煤厂入厂原料的预处理都离不开破碎设备。由于煤炭属中硬岩石并具脆性以及破碎技术经过长期的发展，所采用的破碎设备包括:鄂式破碎机、旋转式破碎机、锤式和环锤式破碎机、反击式破碎机、选择性破碎机、齿辊式破碎机等。最近 10多年来，破碎技术取得了较重大的进展，随着人们对破碎过程认识的不断深入，新的破碎方法和破碎设备不断涌现，各国不断把新工艺、新技术、新材料用于自己的破碎机工业，产品可靠性不断提高，在产品的耐磨损、减少过粉碎量、严格控制碎后产品的粒度等方面都取得了有效的进展。特别是煤用齿辊式破碎机以其制造简单、维修方便、低能耗、成本低、高破碎能力和经久耐用等优点，无论是从产品的结构、技术性能还是工业应用都成为煤用破碎机的佼佼者。1858年埃里·布雷克(EL·Blake)取得专利权，制造双肘板鄂式破碎机。19世纪40年代，北美的采金热潮对鄂式破碎机的发展有很大的促进作用，19世纪中叶，多种类型的鄂式破碎机研制出来并获得广泛的应用，上个世纪末，全世界己有70多种不同结构的鄂式破碎机取得专利权。并由此引发了对破碎理论的较深入研究，但一直未形成规模。直到20世纪50年代，艾利斯一查尔默斯公司才开始大规模研究破碎工作。60年代得出重大意义的结论。随着研究的深入，人们知悉了高功率破碎作业可以用来改善能源效率和降低成本冈。现代最常用的鄂式破碎机是布雷克的鄂式破碎机和更近代制造的单肘板鄂式破碎机。鄂式破碎机的最大弱点就是它们在一个工作循环内只有一半时间工作。B " H * Bergstrom在研究单颗粒破碎机时发现，

在空气中一次破碎的碎片撞击金属板时明显产生二次破碎，一次破碎的碎片具有的功能占全部破碎能量的45%，如能充分利用二次破碎能量，则可提高破碎效率。也有人指出，较小的持续负荷比短时间的强大冲击更有希望破碎物料。Schonert研究表明，如果使大批脆性物料颗粒受到50Mpa以上的压力，就能够由“料层粉碎”节约出可观的能量。目前的“料层粉碎的理论”己为粉碎界所公认，根据料层理论研制的新设备有美国诺德伯格公司的旋盘圆锥破碎机、俄罗斯的惯性圆锥破碎机等等。

1982年B·Mandelrot提出分形理论应用在岩石理论研究方面。进入80年代以来，我国对破碎理论和破碎机的研究才有较重要的关注并取得了较大的成果。如我国的破碎机专家王宏勋教授提出了“动态啮角”的概念，开发了GXPE系列深腔鄂式破碎机，当时在国内引起一定的轰动。该机与同种规格破碎机相比，在相同的工况条件下，处理能力可提高20%-25%,齿板寿命可提高1-2倍。北京矿冶研究总院林运亮等人与上海多灵一沃森机械设备有限公司合作开发了PED低矮可拆式鄂式破碎机，该机是一种适用于井下作业特殊条件下的新型鄂式破碎机。设备本身高度低，动鄂位置低，固定鄂位于动鄂和偏心轴之间。多灵一沃森机械设备有限公司设计了目前国内最大的 1200 x 1500复摆鄂式破碎机。1996年第四届全国粉体工程学术会议上邓跃红、张智铁发表了《物料粉碎分形行为的研究》，作者认为破碎理论的研究应归结为三大方面:强度理论的研究，破碎效果的评价，破碎功耗的研究。长期以来，粉碎理论的研究主要停留在经验应用和统计推测上，人们了解粉碎的规律尚不明确、不系统，人们期待新理论的出现会给破碎领域带来一次革命。

回转式破碎机最初见于60年代的联邦德国，由于国外大型矿山要求大型机械，而刚刚问世的回转式破碎机没有得到发展。80年代初期，由于中小型矿山的迅速发展，我国有些研究工作者开始对回转破碎机进行进一步的研制。众所周知，破碎设备的好坏主要取决于破碎腔的设计，破碎腔能够体现设备的生产能力、功耗、钢耗及破碎产品质量等重要性能指标等。回转式破碎机具有变啮角、高密度破碎、依次渐进破碎、高频破碎和强制排料等优点。

旋盘圆锥破碎机、惯性圆锥破碎机因其结构复杂、笨重、造价高、碎后产品的过粉碎量大等问题基本己退出煤炭破碎的行业，但在有色金属矿山行业且得到了较广泛的应用。但近年来，巴马克公司的“石打石”冲击式破碎机，JCI的新型圆锥破碎机，德国的KRUPP公司，美国的MCLANAHAN公司又有新产品问世。

锤式破碎机自问世以来就因其结构使其的应用受到了限制。过粉碎量较大，蓖板易堵塞、对入料的水分要求较严格，对入料上限要求小，出料下限

又达不到精细破碎的要求等。目前锤式破碎机应用较多的是电力行业和建筑石料、水泥行业，煤炭行业应用较少。

反击式破碎机适用于粗、中、细碎等中硬度脆性物料，如石灰石、白云岩、页岩、砂岩、煤、石棉、石墨和岩盐等。其工作原理是当物料进入机壳内板锤作用区时，受到板锤高速冲击而破碎，同时被抛向安装在转子上方的反击板进行再次破碎，然后从反击板弹到板锤作用区被重新破碎。这个过程反复进行，直到物料全被破碎至所需粒度而排出机外。该型破碎机广泛地应用于建材、化工、煤炭等工业部门。其优点是:破碎比大，一般为10-20,高的可达50-60，简化破碎流程，结构简单，制造容易，使用和维修方便，以及能够作选择破碎等。但由于板锤的集中磨损，限制了在破碎坚硬物料上的应用。目前对我国生产研究反击破碎机的厂家、研究机构及成果报道较少，国外的如德国KHD公司对反击式破碎机研究成果较多。

选择性破碎机（也称碎选机）具有分离破碎煤和选出研石的作用。在选煤厂曾得到普遍的推广应用。碎选机是根据煤和研石硬度的不同，即可碎性的差异而设计的。工作时，容易破碎的煤被击碎后漏到筛下，而坚硬的研石则由筛上排出。因此，当煤和研石在硬度上相差悬殊，即可碎性的差异显著。碎选机用于处理经过预先筛分后的块煤，也适用于原煤。它可同时进行筛分、破碎、选出大块歼石、金属杂物和木块等作业，达到一机多用的目的。用碎选机代替人工拣研，实现一机多用的目的。对解放工人笨重的体力劳动，提高劳动效率具有重要的意义。碎选机在80年代的初期之前，我国曾进行过研究和应用，到90年代初期曾有过此方面报道，但90年代中后期由于新的破碎技术的出现未见再有此方面的报道和成果。

齿辊式破碎机可以说是一种古老的机械。由于具有构造简单、工作可靠、成果低廉等优点，至今仍然被广泛的应用于大、中、小型厂矿，对脆性物料和韧性的中硬和软矿石进行细碎。如煤、焦炭、石灰石、泥页岩、长石、泥灰土等。齿辊式破碎机按照辊子的数目可分为:单齿辊破碎机、双齿辊破碎机和多齿辊（三辊、四辊和六辊）破碎机。单齿辊破碎机采用较长的齿辊，主要用作粗碎，双齿辊破碎机的齿辊一般较短，用于中碎，多齿辊破碎机主要用于细碎。

对于齿辊式破碎机，由于其上述的优点，可以说自50年代以来，各方面对其一直比较关注，但50-70年代期间研究进展不大，其主要代表成果是带弹簧保险装置的单齿辊和双齿辊破碎机，带有弹簧保险装置的目的的是为了防止入料中的木、铁、研石，岩石等硬物损坏破碎齿。当大块硬物落到破碎腔不能被破碎时，破碎板或齿辊受力增大，从而压缩弹簧增大破碎腔的间隙，

以使排出硬物，然后借弹簧的恢复力使可动破碎板或齿辊回到原来的位置，由此便不能严格控制碎后产品的粒度。同时受当时基础材料工业、制造技术和相关配套技术的限制，当时的破碎机存在破碎齿易损坏、碎后产品过粉量大、机体受到的冲击载荷大、整体噪声大、维修量大等缺点。改革开放后，1987年原充州煤矿设计院 (现南京煤矿设计研究院)在消化吸收美国雷克斯诺德(REXNORD)公司生产的冈拉克36DAM型 CGundlach36DAM)破碎机的基础上，设计出的4PGC-380/350 X 1000型齿辊破碎机，是当时技术上较先进的破碎机。该型破碎机在技术上有两个突出点:一是将破碎齿由整体铸造的齿板改为单一的齿板，便于了制造维修;另一个突出点是采用了“Nitroil”控制系统，该系统可以独立地调整上段齿辊的间距来控制下段的给料粒度。这样，可根据破碎工艺要求灵活地调整破碎程序。同时，此型破碎机把调整齿辊间距装置和保险装置做成一个系统，采用液压—气动系统:油缸的活塞杆与可动齿辊相连，在有活塞杆的油缸腔内，泵入一定可变量的液压油，同时在油缸的无活塞杆的腔内泵入一定压力的气体，形成空气柱弹簧。这样可以根据泵入油量的多少来改变活塞的位置，从而确定齿辊间的距离，达到控制产品

粒度的目的。当硬物或不可碎物进入破碎机后，由于破碎力增大，可动齿辊压缩空气柱使硬物通过，随后又可使动齿辊复位.但同样存在不能严格控制碎后产品粒度的问题。进入90年代后，随着我国改革开放力度的加大，煤的销售市场也发生了较大的变化，人们对选煤技术及设备提出了更高的要求。其中包括对煤碎后产品中降低细颗粒的含量、产品粒度的均匀性、减少过限粒度、增大处理能力等。特别是具有分选效率高、处理能力大、适合于处理难选煤的重介质选煤工艺的出现，由于其非常适合我国高硫、难选煤多的国情，已成为国内重点推广的主要选煤工艺方法。作为重介选的主洗设备重介质旋流器对洗选的入料粒度有严格要求，一旦超限粒进入旋流器极易造成系统堵塞，影响系统的运转。由此方方面面，都对煤用破碎机提出了新的技术要求，从而也推动了破碎机技术的发展和进步。首先煤炭科学研究总院唐山分院在90年代初期开发了2PL系列强力破碎机。该破碎机在技术上的进步主要是取消了原双齿辊破碎机的退让弹簧保险装置，将双破碎辊固定，破碎齿使用新的技术和材料来防止难碎硬物损失破碎齿，从而可较严格控制碎后产品中的过大颗粒。同时提出了强力破碎的的概念。华北工学院针对单齿辊破碎机存在效率低、结构复杂、受力不均匀特点，开发了新一代的4)915单一齿辊破碎机。这种破碎机有两种结构形式。第一种结构形式主要是将原来调整破碎板位置的拉力弹簧改为推力弹簧，弹簧的弹性力为490KN，在弹簧的两端分别装有两组螺母，外侧的螺母用于调整破碎板位置，从而调整排料口间隙，

内侧的螺母用于调整弹簧的弹性力。安装弹簧的拉杆插在装于机体的支座上，支座孔沿垂直方向为长方孔，用此调整产品的粒度。这种结构降低了机体高度，缩短了拉杆长度，使结构更为紧凑。第二种结构是利用颗式破碎机的楔形调整机构和双辊破碎机的主动辊轴相结合，吸收了两者的优点，如:进料口大，破碎辊表面可装有不同尺寸的破碎齿板，领板上镶有可更换的耐磨衬板，出料口大小可通过推力板上的长方形螺孔调整。与同规格的颗式或双齿辊破碎机相比，破碎能力明显增大，效率可提高30%。同时，由于这种破碎机有预碎和破碎两个区域，破碎后的物料受齿辊拨动而被强制排出机体外，所以更适用于处理含水份较大的煤。

1994年平顶山选煤设计院和郑州长城冶金设备厂研究开发出了FP500系列分级破碎机，该系列破碎机采用单电机驱动，液力偶合器过载保护。其传动系统是电机驱动液力偶合器并带动一对锥齿轮，改变转动方向并驱动主动破碎辊转动，主动破碎辊通过另一端的一组直齿轮驱动被动辊转动。破碎齿呈螺旋形布置，入料中的小颗粒很容易通过破碎辊之间的间隙排出，大块则利用齿的剪切和拉伸力来进行破碎，改善了传统破碎机中物料不受控制一律破碎的情况。

九十年代中期，山东莱芜煤矿机械厂通过从德国技术引进，开发生产了2PGL系列双齿辊强力高效破碎机。该系列破碎机采用双电机、双液力偶合器、双套齿轮箱直联式驱动，一侧壁和一破碎辊用手动液压系统可移动，用来调整齿辊间的间距，从而控制排料粒度。破碎机有液力偶合器过载保护和电控过载保护，可有效的防止难碎硬物损坏破碎齿。整机结构紧凑，机体高度低，冲击负荷小。

同一时期，煤炭科学研究总院唐山分院相继开发了2PLF系列分级破碎机、2FJP600系列强力分级破碎机、4PGG系列强力破碎机和DP系列单齿辊破碎机，2PLF系列分级破碎机在传动形式上采用三角带大带轮传动，传动结构简单、故障率低，由于大带轮有蓄能作用，故所需的电机功率比直联式传动的小。双齿辊采用对转方式，破碎齿采用子弹头式或鹰嘴式，表面堆焊硬质合金，强度大，破碎效率高并且磨损后便于修复。2FJP600系列强力分级破碎机的双齿辊分别各自向两侧壁方向转动，齿辊上的破碎板采用拼装式，破碎齿为在韧性较好的铸基体上堆焊硬质合金，不但强度大，可破碎难碎硬物，而且破碎齿“宁弯不折”，当难碎硬物卡弯破碎齿后，生产现场无需更换破碎板而可将破碎齿直接修复。在两侧壁上分别装有梳齿板，其有两个作用:①使破碎过程完全为剪切、拉伸破碎，不易产生过粉碎物。②起棒条筛的作用，可通过不需破碎的物料，而对需破碎的大块物料，可严格的控制碎后产

品的粒度，使碎后物料的三维尺寸都能得到控制。两齿辊分别向各自的侧壁方向旋转也可以保证入料中已经达到要求粒度的物料不再二次破碎，从齿辊间的排料口和齿辊与梳齿板间的排料口直接排出，从而减少能量消耗和因挤压破碎产生的过粉碎。两破碎辊有两套独立的驱动装置使两破碎辊各自独立工作，在实际破碎时，可根据入料量改变工作制度，即入料少时开单机，入料多时开双机，用户更加节能。每台破碎机可配有A, B, C三种齿型，每种齿型对应一种产品粒度，用户可通过更换齿型来调整产品粒度而不需更换破碎机，真正实现一机多用，减少用户的重复投资。另外，由于该系列破碎机为强力破碎工艺布置时不需要手选皮带人工拣歼，原煤也不需要预先筛分而直接入破碎机简化了选煤工艺流程，降低了厂房高度，减少了选煤厂建设投资与生产费用。4PGG系列四齿辊破碎机和DP系列单齿辊破碎机是在2FJP系列基础上派生而出的，除4PGG系列破碎机的机体采用积木式结构，上下机体可组可分，可根据生产现场实际来安装，破碎比增大外其它结构和破碎原理和2FJP系列基本相同。

北京矿冶研究总院研制出了PWZS256型筛分破碎机，该破碎机将破碎和筛分合为一个机体，最小排粒度可达3mm。特别是近年来，国际上破碎机新产品发展迅速。英国MMD矿山机械集团公司开发了500, 605, 750, 1000, 1300和1500共6个系列的分级破碎机，每个系列有短箱型、标准型和长箱型3种不同工作长度，以满足不同的处理要求。1990年，由美国的FFE矿业基建设备公司和澳在利亚ABOH工程公司合资开发的ABOH系列分级破碎机将破碎过程分为三段，而且可视入料粒度上限的不同而选择不同的齿辊轴间距。当入料上限为l000mm时，齿辊轴间距为1000mm左右，粗碎段将 l000mm的入料破碎到350mm，二段由350mm破碎至100 mm，三段由100 mm破碎至50, 45, 35mm或用户要求的粒度。与之类似的还有澳大利亚爱邦机械工程公司的齿辊型破碎机、美国MCLANHAN的DDC-Sizer型破碎机等。

综上所述目前破碎机理论、工艺和设备的研究主要着重于:①研究在破碎中节能、高效的理论，也力求找出新理论来突破人们已熟知的三大破碎理论;

②研究新的非机械力的高能或多力场联合作用的破碎设备，目前还未见有工业化的设备，只是研究阶段，并且在煤炭行业未见有关报道。③改进现有设备，这方面经常是根据用户需要来进行而不是市场上大规模生产。

1.2选题的目的和意义

中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，煤炭的生产量和消费量占世界首位。煤炭作为中国的主要能源及钢铁、化工领域的原料在相

当长的时间内不会有大的改变，因此煤炭在中国国民经济中的地位是举足轻重的。然而，在中国的煤炭消耗中，煤炭的加工利用处于低水平阶段，存在着高能耗、高污染、低效率的利用现状，也产生一系列的环境污染问题，如:燃煤产生烟尘和S02排放量分别占80%和90%，中国的大气污染属典型的煤烟型大气污染。全国己有62.3%的城市S02年平均浓度超过国家二级标准，日平均浓度超过国家三级标准。S02排放量的持续增加使中国酸雨覆盖面积占国土面积的40%，酸雨污染给森林和农作物造成的损失每年达数百亿元。大气中的S02的主要来源于高硫煤的使用，而中国的高硫煤约占总产量的10%,按每年 10亿吨的产量算，每年约有1亿吨的高硫煤，而去硫的最基础设备就是将硫及其伴生物从煤中的解离—也就是说要将煤充分破碎，破碎煤就需要破碎机，这是选择本题的目的之一。其二如前所述，新的选煤技术和工艺需要新型的破碎机，否则影响新的选煤工艺和方法的技术水平。其三多年来，选煤厂广泛采用的各式破碎机由于结构与机理的原因，破碎后的产品或者过粉碎严重，排料粒度不能有效的控制，同时伴有大量粉尘或者破碎机的破碎强度低，不能适应含煤研石的煤炭破碎，且破碎后粒度不均匀，容易超粒，不但使得后续的洗选难度加大，分选效果变差，同时难以满足目前市场的需要。由此造成的损失每年数亿人民币。为解决此问题，在国内的破碎机技术尚未满足国内使用条件的技术下，目前大量从国外进口破碎机，如山西的平塑、安家岭煤矿、神华集团的神木矿区、大柳塔选煤厂、贵州盘江集团的老屋基选煤厂、永城煤电集团、晋城无烟煤矿业集团等等，国外破碎机的价格是国内同类价格的6-8倍，如果研制的破碎机能替代进口产品，每年可为国家节约外汇至少1亿美元。因此，无论从环保的角度、社会效益的角度、直接经济效益的角度，还是解决生产实际问题的角度，研究新型的分级破碎机，具有较重大的现实意义。

1.3新型双齿辊破碎机开发的意义

半移动式破碎站是我国露天矿山半连续开采工艺的关键设备，也是我国露天矿山急需解决的大型设备。而新型双齿辊破碎机是破碎站的关键设备。

在半连续开采工艺中，半移式破碎站有机地将胶带输送系统与挖掘运输设备衔接起来，形成了单车——汽车——破碎站——胶带机的运输系统，既有效地利用了汽车运输的灵活性，缩短汽车运距，又发挥了胶带输送适于长距离运输的特点，降低系统的成本。这种工艺以其提高劳动生产率、降低开采成本的优势迅速发展，德国、英国、俄罗斯、美国等国家破碎站的制造业发展很快，其中德国Krupp公司己经生产了100余台半移式破碎站，最大的

小时生产能力达万吨。

我国的霍林河露天煤矿于1986年从德国AUBEMA公司引进了一台给料式半固定破碎站，在第一台引进的基础上，针对其使用中存在的问题，洛阳矿山机械工程设计研究院、洛阳矿山机器厂、沈阳煤矿设计院合作，经消化、吸收、创新、开发研制了第二台破碎站，1992年投入使用，运行状态良好，该破碎站适用于破碎煤及中硬以下的物料(抗压强度不大于85MPa)。

根据我国露天煤矿的发展要求，采用半移动式破碎站不仅需要破碎煤，更需要破碎剥离物、要求破碎机具有破碎高抗压强度物料(小于1 SOMPa )的能力。因此，研制开发适用于破碎岩石的新型双齿辊破碎机，满足国内矿山急需、替代进口迫在眉睫，具有非常重要的意义。

1.4新型双齿辊破碎机发展综述

新型双齿辊破碎机是英国MMD公司80年代末90年代初开发的高效、节能破碎设备，因其结构上的独有特点，迅速广泛用于露天煤矿、金属矿、非金属矿、水泥厂、采石场、选煤厂等粗碎或中碎物料。

1.4.1露天矿破碎煤和岩石的破碎机技术发展现状

对于露天矿破碎煤和岩石的破碎机型主要有颗式、旋回式、普通辊式、喂给式和MMD双齿辊式。

颗式破碎机系间断破碎，国内外产品均存在设备自重大、功耗高、生产能力小的缺点，满足不了生产能力大的要求。

旋回式破碎机是我国冶金矿山应用广泛的一种粗碎设备，具有连续破碎、生产效率高、能力大、破碎物料硬度高、使用可靠的特点，但设备重量大、高度高、要求基础大、移动相当困难。

喂给式破碎机是消化国外技术而开发的应用较广泛的一种破碎中硬以下物料的破碎机，具有结构紧凑、适于移动式、半移动式破碎站。但对中等以上硬度物料破碎适应性差，破碎岩容易出现超限排料。

普通齿辊式破碎机应用较多，辊径大破碎齿小，破碎片小，过负荷能力差，破碎能力小。不适用于破碎岩石和大块物料。

新型双齿辊破碎机由于结构紧凑，破碎物料机理合理，适应性强等突出的优点，在露天矿物料粗碎应用中很有发展前途，是较为理想的露天矿岩石破碎机，其主要特点如下:

1)采用长齿，小辊径，螺旋布齿，多盘四齿结构，通过剪切，弯曲，挤压综合作用破碎物料，比普通辊式破碎机破碎机理合理，破碎齿受力均匀，允许入料力度大，特别适于粗碎。

2)设备结构紧凑，布置灵活，所占空间尺寸小，尤其是破碎高度小，能够有效地降低整体布置高度，大大降低破碎站的造价。

4)破碎辊转速低，磨损小，噪音低，灰尘小。

5)破碎机基础设计简单，由于采用整体式结构，驱动减速器直接连接到破碎机框架上，使得传到基础上的力大大减小，设备振动小，有利于设在移动。

6)采用特殊设计过载能力强的减速器，对物料的适应性强，与普通辊式和喂给式破碎机相比，破碎物料的硬度大，同时由于长齿的交叉布置得到相互梳理作用，也可破碎粘性物料。

MMD公司新型双齿辊破碎机已形成中心距500, 625, 750, 1000, 1300mm系列产品，可以满足不同生产能力的需要，同时具有不同的齿型结构，可以满足不同物料的破碎。

1.4.2新型双齿辊破碎机技术发展趋势

1)进一步完善产品系列规格，产品向大型化发展。

2)破碎齿新型耐磨材料及结构研究，释品向冶金矿山高硬度物料破碎领域推广。

3)减速器润滑技术研究，研究减速器内部结构，采用自润滑取消润滑站。

第二章 总体方案的确定

2.1设计要求

破碎物料抗压强度：≤160MPa 入料粒度：≤1200mm

出料粒度：400—500mm 处理量：3500—4000t/h 参考功率：380—450KW 参考中心距

参考齿辊转速：90—120r/min 齿辊直径：800mm

齿数：每个齿环上为4个齿

2.2参数的选取

齿辊转速：1n =94r/min 2n =120r/min 入料粒度：1000=A mm 出料粒度：400=E mm 齿辊直径：800=辊d mm 齿数：4

滚轴筛辊轴的转速： 30='n r/min

滚轴筛辊轴的有效长度： 16001=l mm

破碎辊轴有效长度： =2l 1200mm 2.3方案确定

本论文设计的差动分级齿辊式破碎机具有以下特点：利用剪切原理以及分级方法对矿料进行破碎，和国内外同类产品比较，能耗低、效率高，满足高产高效矿井生产的需要，并已经在煤矿井下得到实际应用，取得良好的效果。 由于该破碎机特有的工作机理和机构，使得该破碎机可以高效地破碎各种湿、干、粘、软、硬矿石和岩石且不堵料，生产能力可以达到5000t/h 以上，特别适合于煤矿高产、高效工作面的高效破碎。差动分级齿辊式破碎机具有高处理能力、能耗低、产品粒度均匀、不过度破碎、设备体积小、重量轻、可靠性高等优点，是一种高效节能的破碎设备。

传动方案的确定：采用防爆电机作为驱动源，同时采用液力偶合器实施软启动。

1.筛分机构传动方案如下：

2.破碎机构传动方案如下：

1、6、10 减速器

2、14 联轴器 5、9 液力联轴器

3、

4、8 电机 7、破碎辊 11、动颚板12、衬板 13、辊轴筛辊轴

附图 破碎机传动方案简图

第三章差动分级齿辊式破碎机破碎机理的研究

3.1差动分级齿辊式破碎机的用途、结构组成及基本原理

3.1.1用途及基本原理

差动分级齿辊式破碎机是破碎站的关键设备。该机与料仓、给料机、卸车平台、排料机、机架组成破碎站系统，可用于破碎岩石、煤、石灰石、金属矿石、焦炭、石膏等物料，广泛应用煤矿、金属矿、非金属矿及水泥建筑等行业物料的粗碎和中碎。

差动分级齿辊式破碎机由机架、滚轴筛分机构驱动装置、滚轴筛分装置、机箱、衬板、破碎齿辊、颚板、破碎驱动装置、电机软启动装置等几部分组成。当矿料进入破碎机时，首先由滚轴筛分装置对物料进行筛分，符号要求的矿料直接由筛分机构的间隙漏下，实现“一级”筛分；大块的矿料由滚轴筛分装置的滚轴滚入破碎腔，过大的矿料被颚板以及衬板挤压，实现预破碎，满足粒度要求的矿料由两齿辊之间的间隙漏下，实现“二级”筛分；较大的矿料受到两齿辊剪切和拉伸的作用而破碎，并被强制排出。

滚轴筛的筛面由很多根平行排列的,其上交错地装有筛盘的辊轴组成,滚轴通过齿轮传动而旋转,其转动方向与物料流动方向相同。为了使筛上的物料层松动以便于透筛，筛盘形状有偏心的和异形的。为防止物料卡住筛轴，装有安全保险装置，滚轴筛全部为座式，本滚轴筛为右传动。

3.1.2结构组成及特点

1) 传动单元

传动单元是破碎机的动力部分，且起到将电机的转速到满足设计要求的适宜的破碎转速，其中液力偶合器能够缓冲破碎时产生的超限冲击力和扭振，具有过载保护作用，能够带动负荷平稳启动，改善启动特性，并在启动时减少对电网的冲击电流。

减速机为硬齿面，具有较大的过载能力和较长的使用寿命，能够正反转使用。

2) 机架焊接结构件，为滚轴筛分机构、破碎机构、驱动装置等部分的装配平台。

3) 滚轴筛分机构驱动装置实现辊轴的运动，并且两相邻辊轴同向转动。

4) 滚轴筛分装置由电机、减速器驱动若干辊轴旋转运动，当矿料进入该部分时，满足粒度要求的矿料首先由辊轴间的间隙漏下，不符合粒度要

求的矿料将随辊轴滚动进入破碎腔。该部分结构具有“一级”筛分和驱动矿料快速进入破碎腔的作用。

5) 机箱焊接结构件，内部装配破碎机构，为滚轴筛分机构和破碎机构提供支撑。

6) 衬板装配于机箱前壁，与颚板一起实现大块矿料的预破碎。

7) 破碎辊破碎辊主要由滚轴、涨套、齿帽等组成。滚轴为合金材料，能够在破碎时承受高抗压强度物料时所产生的弯曲应力。涨套在滚轴靠端部的位置，起着轴向固定齿环的作用，根据不同的处理能力，每根轴上放置不同数量的合金钢齿环，根据入料粒度、碎后产品粒度的不同，每套齿环上有不同的齿座，用齿座来固定齿帽。

8) 齿辊轴两齿辊轴相向、不等速运动，实现矿料的剪切和拉伸破碎，由颚板预破碎后的矿料进入两破碎齿辊区域，满足粒度要求的矿料由两破碎辊轮齿之间的间隙漏下，实现“二级”筛分，大块矿料在两齿辊轮齿间被夹注受到剪切和拉伸作用被进一步破碎，并被强排漏下。

9) 齿环装配于两齿辊轴上，每个齿环上包含若干破碎齿，齿套和齿牙可以更换。

10) 齿帽由微合金化的高锰刚制成，具有高强度、高耐磨性、比普通的高锰刚更耐冲击、耐磨损，使用寿命长。他用螺栓固定在齿环上（或焊接上）每个齿帽间都是独立的。在使用过程中可以方便更换任一个齿。

11) 颚板该结构有四连杆结构，连接于齿辊轴和机架上。大块矿料进入破碎腔后，首先受到颚板和衬板之间的挤压作用，实现预破碎。

12) 破碎齿辊轴驱动装置该部分结构由两台电机组成，实现破碎齿辊轴的相向运动，提供破碎动力。

13) 退让机构通过该部分机构调节，可以实现颚板和衬板之间间隙调节。

14) 电机软启动装置实现电机软启动，减少振动和冲击，防止电机过载，延长设备寿命，减少闷车现象。

3.2差动分级齿辊式破碎机的破碎机理

所谓破碎，就是将物料分为更小部分的过程，也就是利用各种机械方法，克服物体颗粒的内聚力，使其互相分离而形成具有新表面的较小粒度的过程。从各类破碎机的破碎机理来看，大致有压碎、劈裂、折断、磨碎、冲击等等。

目前在工业生产上采用的破碎和磨碎方法，主要是借助机械力的作用，最常见的有:(1)挤压破碎，是利用两破碎工作面靠近时对物料施加压力，使

其破碎作用力逐渐加大。如辊式破碎机、颚式破碎机、圆锥破碎机等。(2)劈裂破碎，是利用尖齿楔入物料时产生的劈力，力的作用较集中，使物料沿劈裂面破碎成两块，并在劈力作用点处产生局部破碎。如单、双齿辊式破碎机。(3)折断或弯曲破碎，在破碎工作面之间的物料，如同承受集中负荷两支点(或多支点)梁。除在作用点处受劈力之外，主要是使物料受弯曲力而破碎。

(4)磨碎，它是破碎工作面在物料上相对滑动，对物料施加剪切力，这种力作用于物料的表面部分，因此适用于细物料的磨碎。(5)冲击破碎，冲击力瞬时作用于物料上，物料急剧粉碎。

物料破碎方法的选择主要是根据物料的粒度、物理机械性质，所要求的破碎比等因素，所选择的破碎方法应该是最经济的，破碎后的产品最符合下道工序所要求的粒度组成。在常规的破碎方法中，纯粹的压碎、磨碎、冲击碎等一般不适宜选煤厂的煤炭破碎。劈裂是破碎机上具有刃型面的部位楔入物料中，于是被破碎的物料便出现了拉应力，该拉应力达到了物料的拉伸强度极限时，物料便被劈裂而破碎，如辊式破碎机的破碎。

众所周知，大部分岩矿物料的抗压强度远高于其抗剪和抗拉强度。抗剪和抗拉强度低的原因是由于在剪切力和拉力的作用下，岩矿物料的内部存在缺陷(节理和裂纹)易产生应力集中而破裂。因此物料或是在相互垂直应力下被拉裂，或是在剪切力的作用下产生滑移，或是在两者共同作用下破碎。因此利用剪切和拉伸的力量来破碎物料具有更高的破碎效率。

由于煤炭一类物料的拉伸或剪切强度大大低于抗压强度，所以劈裂和剪切的破碎方法能耗最低，且是靠低速剪切或拉伸来破碎，冲击能量较小，一般来说，破碎后的产品粒度较均匀，超粒与粉碎均较少，非常适合选煤厂煤炭的破碎。但目前国内的老式辊式破碎机大多是50年代一70年代设计的，与国外的破碎机相比其传动形式落后，破碎强度低，不但超粒较多，而且都会经受研磨或破碎，也就是说，大量符合产品粒度要求的限下物料会遭受二次破碎，致使生成大量的过细粒级产品。分级破碎机正是在接受国外先进技术的基础上研制而成。其破碎机理的基础是利用煤的自然节理将其“劈开”，是真正意义上的破碎，入料中限下粒级部分会像沙子通过手指缝一样顺畅地通过破碎齿间的间隙而不会遭受再破碎，所破碎的只是限上粒级入料，这不仅提高了设备的利用率，加大了处理能力，而且将过粉碎现象控制在最低限度。

现以双齿辊破碎机的两辊上对应的旋转相位相同的一对齿为例，探讨对物料进行破碎的机理。

齿对物料的作用过程可分为三段，第一段是齿对大物料的冲剪撕拉破碎，

在这一段，运动中的齿突遇大块物料，靠交错的齿尖首先对物料进行冲击剪切，若大块物料未被击碎则进一步进行撕拉。破碎后的物料即被齿咬入，并进行第二段破碎。若物料仍未被粉碎，则齿沿物料表面强行滑过，靠齿的螺旋布置，将物料进行翻转，等待下一对齿的继续作用，直到破碎至物料能被咬入为止。破碎机理示意图如图3.1所示：

图3.1 破碎机理示意图

经第一段破碎后，物料己被初步破碎至粒度能被齿辊咬入的情况，但仍不能满足要求，因而进入第二段破碎。在第二段主要靠当前一对齿的下棱和前一对齿的上棱的挤压、剪切作用而破碎物料，这一破碎段从物料被咬入开始，到前一对齿脱离咬合终止。表现为一对齿包容的截面由大变到最小的过程，这一过程是边破碎边排料的过程，粒度大的物料由于包容的体积逐渐变小而被强行挤压剪碎，破碎的物料被挤出，从齿侧间隙漏下。

当前一对齿开始脱离咬合时，齿间包容的截面积开始从最小逐步增大，经第二段破碎物料，由于前对齿的分离而大量下漏排出，在排料过程中，个别粒度较大的物料将被破碎棒阻挡，当齿运动到破碎棒附近时，进一步将搁置于破碎棒与齿辊间的大块物料劈碎，并将其强行排出。这就是第三段破碎。

到此，一对齿的破碎行程结束，每对环上有四对齿，因此在齿辊运转一周时，这样的过程将进行四次，循环往复，将给入的物料冲剪撕拉一咬入一挤压剪切一劈碎后强制排出。

3.3差动分级齿辊式破碎机所采用的破碎理论

通过对现有的三大破碎理论的阐述，对差动分级齿辊式破碎机的破碎机理的分析，可以总结出:差动分级齿辊式分级破碎机适用于邦德的第三破碎理

论—即裂缝假说的理论。这是因为:（1）差动分级齿辊式破碎机的破碎机理主要是利用煤的自然节理将其“劈开”和剪切，“劈开”自然是“顺缝”劈开，适合裂缝假说的理论。（2）裂缝假说是介于面积假说和体积假说之间，考虑了“变形能”和“表面能”两项，也是面积假说和体积假说的科学综合，在目前没有新的破碎理论的情况下，其更适用。（3）通过大量的实践证明，裂缝说所确定的功指数计算是指导设计最为行之有效的破碎理论。用其公式计算的破碎机安装功率最接近生产实际。

但分级破碎机在实际工作过程中，可能遇到两种情况:一种情况是入料全是限上颗粒，即入料全部是大于碎后要求粒度的颗粒，也就是人们常说的全破碎。这种情况较少但有，在港口码头的煤炭装船破碎时较常遇到。第二种情况是入料中有相当一部分符合粒度要求的物料无需破碎而直接通过破碎机，并不是第三理论说的80%。所以实际功耗与计算数值还有一定的出入，可根据实际情况和经验做适当的调整。作者按自己的经验认为:选取功率时不要太保守，要留出安全系数。以防止入料系统的不稳定。

3.4齿形结构、齿的布置形式及制造材料

3.4.1齿形结构及其与产品粒度的关系

（1）齿形结构

破碎齿的齿形结构应满足：在满足产品粒度要求的前提下生产出大粒度产品，最大限度的减小过粉碎，破碎齿磨损容易更换或修复，降低生产维修费用。根据国内外调研资料和经验，试验室试验着重研究了子弹头式和鹰嘴式两种齿形结构。

1）子弹头式破碎齿

齿体母体为40Cr，齿头堆焊耐磨焊条，磨损后可堆焊修复，恢复生产快，维修费低，设备适用寿命长，适用于产品粒度35—80mm的破碎。

2）鹰嘴式破碎齿

次种破碎齿采用高锰钢或低合金刚直接铸造而成，破碎齿与齿盘通过螺栓连接，次种齿磨损后，更换方便，生产维修费用低，适用于产品粒度大于80mm的破碎。其齿形图如图3.2所示。

（2）破碎齿齿形与产品粒度的关系

经过理论分析后认为：齿的外形尺寸包括齿宽、齿高不大于产品要求的粒度尺寸，应等于或稍小于要求粒度尺寸。齿根部的宽度大致为齿高的4/5—1倍。齿厚度（即齿沿圆周向尺寸），根据破碎物料的强度而定，一般大于或稍大于齿高。在保证齿的强度的前提下，应尽量减小该尺寸。因齿形过大会使

产品粒度超限，失去分级作用，同时还影响破碎机的通过能力，而齿形过小不但会使齿的强度降低，而且会使过粉碎现象加剧，同时也不利于啮入物料。

破碎物料的硬度、韧性也直接影响产品粒度，对于韧性高的物料，破碎齿的尺寸及破碎空间尺寸都应相应的减少。如破碎焦炭时，因其韧性较高，破碎空间就应基本等于或稍大于破碎要求粒度，对于煤而言，因其韧性低，脆性较高，破碎空间应稍大一些。同时，不同的煤其韧性、脆性也有很大区别，则应针对不同的情况而定。对于硬度较高的物料，除破碎空间相应减少外，齿根部的宽度应相对增加，提高破碎齿的强度。

图3.2 齿形图

3.4.2齿的布置形式及其与产品粒度的关系

整机破碎齿布置的一个原则是：两齿辊在做运动的过程中形成的任何空间尺寸都应得到相应的控制。破碎辊齿的布置包括径向（即圆周方向）布置、轴向布置、相邻齿盘间齿的交错角度和齿的安装倾角。

（1）圆周方向布置

破碎齿在圆周方向的布置直接决定着产品的粒度，破碎齿齿前空间尺寸基本等于破碎要求粒度的1.5倍。相邻两个齿间所能包含的空间尺寸大致为破碎粒度的1.2—1.6倍，两齿顶弧长为破碎粒度的2.2—2.5倍。这一经验关系，随着具体破碎物料的韧性、硬度及破碎特性而定。如前所述，韧性强、硬度高的物料破碎空间相应减少，韧性弱、硬度低的物料破碎空间相应增加。

（2）轴向布置

相邻两排齿间的轴向距离大致为破碎粒度的2/3—3/4，韧性强、硬度高的物料距离取小值，韧性弱、硬度低的物料距离取大值。

（3）相邻齿的交错布置角度

破碎齿沿轴线方向采用螺旋布置，相邻齿盘沿圆周方向错开一定角度。

这样布置，首先利于连续啮入物料，整个破碎过程为一线性过程，不容易卡住物料，尤其是破碎齿形较大时，如不采用螺旋布置，均匀入物料，极易造成卡堵现象。其次，破碎机载荷均匀，所受冲击小，有利于减少破碎功耗节约能源，提高设备使用寿命。第三，啮入大块物料时，辊齿如不能将其一次啮入，便会在其表面强行滑过，靠辊齿的螺旋布置迫使物料翻转，等待下一对齿的再次作用。

（4）齿的安装倾角

破碎齿的安装倾角是指破碎齿的中心线同破碎辊切线的夹角，实际应用中应根据所破物料的破碎性和粒度大小而定。

3.4.3制造破碎齿的材料

破碎齿是破碎机上的一个关键易损零件，其质量的优劣直接影响到破碎机的生产效率和使用寿命。英国MMD公司的双齿辊破碎机的破碎齿有两种材质，一种为高锰钢，一种为合金钢。

（1）破碎齿生产工艺

破碎齿的生产工艺为：整体铸造成型——退火、机加工—淬火—低温回火。由于碳和合金元素含量低，在热处理淬火时不会出现淬裂现象。故破碎齿有较好的韧性和耐磨性。

（2）两种材料破碎齿的耐磨性比较

30CrMnSi和Mn13齿帽的磨损属于磨料磨损，磨料对破碎齿的磨损与磨料的磨损性有关，这种性能取决于磨料与辊齿的相对硬度。试验表明，当磨料硬度低于或高于材料硬度时，材料的磨损很小，属软磨料磨损。当磨料硬度比材料硬度高许多时，材料的磨损就会相当严重，属硬磨料磨损。在破碎煤的工况下，30CrMnSi破碎齿属于软磨料磨损，Mn13破碎齿属于硬磨料磨损。由此可知，破碎煤时，30CrMnSi的耐磨性高于Mn13。

（3）结论

1）在破煤时，当入料粒度不大时，且给料均匀充分时，破碎齿的破损方式主要是擦伤、犁沟，表层只发生微量的塑性变形，属低冲击、低应力工况条件，齿帽或破碎齿应采用低合金钢。

2）在破碎硬度比煤大的物料时（如石头、矿石等）或在露天煤矿的粗碎时，工况恶劣，破碎齿应采用高锰钢。

第四章 差动分级齿辊式破碎机的总体设计

破碎机的工作环境恶劣，工作状况不稳定，不便维修。所以在设计过程中应使整机在保证工艺性能指标的前提下尽量提高使用寿命，简化结构，减少故障点，最大限度的降低维修量。

整机结构大致分为:电动机、减速系统、滚轴筛分系统、破碎辊、动颚、传动系统、安全保护系统、机体等。

4.1参数理论计算分析

4.1.1 4000吨差动分级齿辊式破碎机破碎能力的估算

()[]ρ32211V V k V k Q -+=

Ｑ：破碎机的生产能力（T/h ）

k 1、k 2：物料的填充系数，取值范围0.4～0.6

V 1：单位时间内通过滚轴筛分机构筛分的物料总体积（m 3/h ）

V 2：将辊齿看作是物料时单位时间内通过两齿辊之间的物料的总体积（m 3/h ） V 3：单位时间内通过两辊之间的所有辊齿的体积（m 3/h ）

ρ：煤的密度T/m 3

()1111360a l d n V π'=

n '：滚轴筛辊轴的转速（r/min ）

1d ：滚轴筛辊轴的直径（m ）

1l ：滚轴筛辊轴的有效长度（m ）

1a ：两个相邻辊轴之间的距离（m ）

26044.036.124.014.330601=??????=V （m 3/h ）

23260l a v V 线=

v 线：齿辊轴平均线速度（m/min ）

a 3： 齿辊轴之间距离（m ）

l 2： 齿辊轴有效长度（m ）

74972.184.021.0214.394602=??????=V m 3

01360V mn V =

m ：两个齿辊轴上安装的总齿数

1n ：齿辊轴转速（r/min ）

V 0：单个齿的体积（m 3）

()089.014.3941360223?-???=r R V

()2615089.018.04.014.394136022=?-????= m 3

()[]ρπ012321111360mV n l a v k a l d n k Q -+'=线

()[]27.12615

74976.026044.0?-?+?= 5043=（吨）

4.1.2 4000吨差动分级齿辊式破碎机破碎功率的估算

对于功率的计算采用如下的近似理论计算方法。本方法是基于电机的功率应与单位时间的破碎物料的功耗相同的原则，即认为电机的功率应如下求得：

η

QW F = Q ：破碎机的生产能力t/h

W ：单位生产量的功耗KW.h/t

η：破碎机的传动效率

目前有4种不同的理论计算方法可以确定单位生产量的功耗,即Rittinger 法，Kick-Kirpichev 法，Bond 法和Holmes 法，其中Rittinger 法适用于细磨，Kick-Kirpichev 法适用于粗碎，Bond 法介于二者之间，Holmes 法是对上述3种方法的统一。

??? ??-=i i A E

m W 1111 m ：Bond 功指数，煤的Bond 功指数为7.91KW.h/t

E ：占排料粒度80%以上的组成部分的粒度尺寸（um ）

A ：占给料粒度80%以上的组成部分的粒度尺寸（um ）

i ：常指数，取0.45～0.5。