圆锥破碎机分类及研究现状综述

圆锥破碎机分类及研究现状综述

刘俊成

内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润分公司 内蒙古 包头 014080

摘要：圆锥破碎机是一种依靠内锥相对于外锥的摆动运动，通过挤压、剪切、弯曲、拉伸将破碎腔内的物料破碎成小块产品的设备，广泛用于采矿、冶金、建材等行业的矿岩物料破碎作业。

关键词：圆锥破碎机；分类；现状

随着我国经济的发展，破碎设备应用领域也在逐步扩大，广泛应用于建筑、冶金、化工、水利等行业。同时，人们对破碎机的要求越来越高，特别是在高速公路、机场、大坝等建筑施工中，各种级配骨料对粒径质量有着较高要求。因此，圆锥破碎机因其良好的破碎粒径质量而得到广泛应用。

一、圆锥破碎机工作机理

通常，圆锥破碎机由机架、动锥、偏心轴、轴承等组成，其基本工作原理为：由定锥和动锥所组成的圆锥破碎机工作时，电动机发电驱动水平轴进行旋转，并带动偏心轴运动，进而使动锥作圆锥形旋转运动。在这一运动过程中，动锥会不间断接近或远离定锥，使圆锥破内腔中的物料受冲击与挤压而产生破碎。然后通过传动装置将破碎后的物料传送至破碎腔中向下排出。同时，圆锥破偏心轴套会带动动锥下方的下腔套运动，而固定在主轴上的上腔会随着下腔运动而运动，进而带动主轴转动，主轴转动又会进一步使偏心套转动。这一环节动锥既作自转运动又作围绕破碎机中线旋转运动。运动形成的球面中心是整个破碎机中线与破碎锥轴线的交点，而两者间的夹角即为进动角，说明动锥运动可视为定点旋转运动，即破碎腔内的物料在轧臼壁不断挤压作用下而被破碎。

二、圆锥破碎机的分类

1、弹簧圆锥破碎机。它由美国人Symons兄弟发明，也被称为西蒙斯圆锥破碎机。主要特点是，使用一组预紧螺旋弹簧作为保险装置，在定锥和机壳周向作过铁释放。当破碎腔内有不可破碎物体时，定锥部件克服螺旋弹簧的弹性力，允许排料放间隙在短时间内增大，以排出不可破碎物，保护机械部件免受损坏。其是一种典型的第一代圆锥破碎机，通过机械方式实现排料间隙的锁紧和释放，结构和工作原理简单，应用广泛。由于破碎方式以单颗粒破碎为主，破碎效率低，产品粒度控制能力差，操作检修自动化程度低，劳动强度大，正逐步被新型液压圆锥破碎机所取代。

2、单缸液压圆锥破碎机。分为顶部和底部单缸，但目前广泛使用的是底部单缸液压圆锥破碎机，代表机型有Sandvik的CS与CH系列、Metso的GP系列、KobeSteel的AF与DH系列、Kawasaki的K系列。

3、固定轴多缸高速圆锥破碎机。其技术特点是：缓锥(45～50°)，高速(传动轴转速约750r/min)，破碎力大(液压系统压力大于17MPa)；排料细(相当于闭边排矿口规格细料粒度的75～80%)；通过量大。由于转度高，磨损快，密封件易损坏，并且碗形支撑高，要求系统85%以上满腔给料。

4、底部单缸液压圆锥破碎机。它由Allis-Chalmers公司研发，结构与工作原理和弹簧圆锥破碎机基本相同，其特点是引入液压系统来取代传统弹簧组件。当破碎机落入无法破碎物时，液压缸中的油压迅速上升。当缸内油压超过设定极限值时，液压缸的安全阀打开，动锥位置下降，增大排料口，排出不易破碎物，避免损坏设备。与弹簧圆锥破碎机相比，底部单缸液压圆锥破碎机采用液压缸支撑动锥底部的动锥部件、辅助压力传感器、计算机控制系统，可实现过铁释放，以及排料间隙的在线调整，提高了自动化程度。以液压装置为标志的底部单缸液压圆锥破碎机被视为第二代圆锥破碎机。

第二代底部单缸液压圆锥破碎机工作原理与弹簧圆锥破碎机基本相同，破碎方式仍为单颗粒破碎，破碎效率低。为改进设备，提高破碎效率，在此基础上研发了高能化第三代圆锥破碎机，代表性设备有SANDVIK公司的CH与CS系列底部单缸液压圆锥破碎机、Metso公司的GP系列圆锥破碎机。其共同特点是由大功率电机驱动，破碎腔以挤满给料方式供料，动锥采用高摆频及专门设计的冲程，实现料层粉碎及选择性破碎。

三、研究现状

1、运动学分析。其主要研究机构间的相对运动，包括位移、速度、加速度随时间的关系。圆锥破碎机的运动学分析包括动锥自转运动机理、动锥与偏心机构作用机制。有学者在引进某圆锥破碎机结构原理基础上，建立了运动学模型，结合实验数据，分析动锥在空载及带料情况下的运动情况，数据与实验结果一致。另外，基于层压破碎理论，研究破碎层中破碎力的分布及相应计算方法，结合圆锥破碎机的工作机理和结构特点，计算各关键摩擦副摩擦载荷信息，深入研究圆锥破碎机在工作中的运动学特性，得出关键摩擦副在工作状态下摩擦因数的合理设计范围，为国产圆锥破碎机的研发提供依据。

2、动力学分析。它研究物体的运动状态与其受力变化间关系，揭示运动部件动态力的产生机制和变化规律，对设备的研发、改进优化有重要意义。圆锥破碎机在带料条件下的工作机构受力状态复杂，散状物料对系统动力学状态有重要影响。有学者以新型外振动圆锥破碎机为研究对象，根据其工作原理及结构特点，建立了考虑物料作用力的振动系统力学模型和带间隙的对称滞回力模型，为带料条件下外振动圆锥破碎机的研制提供了理论依据。

3、腔型设计。圆锥破碎机的动锥衬板和定锥衬板间的相对区域构成破碎腔，物料破碎过程在破碎腔中进行，破碎腔的腔型设计对破碎机的运行、技术指标、产品特性起着关键作用。合理的腔型设计能提高破碎机生产效率，改善破碎产品粒度，控制产品粒度分布，降低能耗与易损件的消耗。因此，对于圆锥破碎机，腔型的研究具有重要意义。

4、离散元仿真。为揭示圆锥破碎机粉碎过程细节，预测工作过程及产品特性，国内外学者基于多种建模方法进行了数值模拟研究。20世纪70～80年代，学者提出了整体平衡建模方法来研究物料碎磨。90年代，离散元方法逐渐引入矿物加工装备的建模仿真。通过精确计算颗粒与机体间受力，得到破碎机和磨机中物料变化情况。

采用离散元法模拟破碎机粉碎过程，需结合设备独特运动方式，掌握物料具体破碎过程和破碎后产品从排料口的排出方式，实现破碎过程的动态平衡。有学者基于颗粒黏结模型，采用离散元方法模拟矿石与圆锥破碎机的相互作用，研究设备参数和不均匀给料对处理量、矿石运动状态、破碎率的影响，并进一步开发了圆锥破碎机虚拟仿真环境，有助于深入了解破碎工艺及操作条件的影响，利用数据采集系统对H6000圆锥破碎机的压力功耗等信息进行采集，实验、仿真数据有良好的对应关系。此外，还研究了岩石特性及圆锥破碎机操作参数对产品粒度与产量的影响，结果表明，随着破碎腔内岩石位置的变化，破碎过程表现出很大差异，包括颗粒下落速度、作用力加载方式、破碎能力。为提高建模仿真可靠性及真实性，另有学者对破碎模型进行了实验验证。国内学者普遍采用传统的有限元法模拟破碎机受力，离散元方法模拟破碎机的相关模拟研究也逐渐深入。采用离散元与有限元耦合方法，对PYB900圆锥破碎机的层压破碎过程进行了分析。借助离散元技术，逐渐揭示了破碎机中先前不可观察和不可测的物料破碎过程。

5、优化设计。随着计算机技术的发展，优化设计的理论与方法逐渐成熟，成为现代机械设计理论的重要部分。优化设计时，先根据设备结构参数和功能要求，结合工程经验及试验数据，找出关键影响因素作为设计变量；根据设备性能要求，确立多个目标函数；然后列出约束条件，包括边界、性能约束等；最后建立优化模型，选择合适的优化方法进行数值求解，以获得最优组合。圆锥破碎机的关键参数分为结构、性能参数，其中，结构参数包括给排料口、腔型等尺寸；性能参数包括动锥转速、偏心距、排料口变化范围等。圆锥破碎机性能的改进优化主要集中在提高设备处理量、减小破碎产品粒度、获得更好产品粒型、降低功耗和易损件消耗等。优化设计对提高产品性能、降低成本、缩短研发周期起着关键作用，已深入到产品研发、设计、制造的全周期，带来了巨大经济效益和广阔发展前景。

参考文献：

[1]任廷志.圆锥破碎机动力学分析[J].矿山机械，2014，42(12):65-71.

[2]尹明,王建辉.圆锥破碎机分类及研究现状综述[J].中国机械,2019(14):44-45.