固体废弃物破碎机的结构设计研究

固体废弃物破碎机的结构设计研究摘要破碎是固体废弃物资源化处理过程中的重要环节，固体废弃物经破碎处理后， 有利于它的分离、运输、混合和后续处理。由于对辊破碎机结构设计简单，过粉现象少，工作可靠，辊面上的齿牙形状、尺寸、排列可按物料性质进行设计，适应性强等特点，在固体废弃物的破碎处理中得到了广泛的应用，但是随着资源的枯竭，节能降耗理念的指导下，需要对传统的破碎设备进行优化设计，对它的关键部分进行特殊处理以延长其使用寿命。本文通过利用三维软件（UG NX）建立它的虚拟样机，分析破碎机构在传动过程中运动机理，并用 UG NX 运动仿真分析它的运动状况和载荷传递情况；再使用 UG NX 高级仿真模块对对辊式破碎机的重要部件进行有限元分析，并用 NX Nastran 解算器进行解算分析，得出齿辊盘的应力集中或是受载比较大的地方，以便在加工过程中对它进行加固，从而延长齿辊盘的使用寿命和节约经济成本。关键词：辊式破碎机，设计，UG NX，运动仿真，有限元分析IIAbstractIn the solid recover process , the crusher is a importation step. After crushing , the solid waste can be easy to transport, mix, make later processing. As the structure of double roll crush is simple, fess powder, reliable operation. The design of tooth shape of surface, the size, the arrangement depend on the material nature, and so on. The roll crusher have widely use. with the resources depletion. In the idea of saving energy ,the design of roll crusher need to be optimized. The key part is disposed to delay its used life, this article set up the three dimensional of the UG NX software, analyzed the organization of crusher in the transmission process of the movement machine, and movement simulation analyzed it movement condition and the movement transmission situation with UG NX. Using the UG NX high-level simulation module for roller type part to carry on the finite element analysis again. To solver carries on the resolving analysis with UX Nastran, in order to find the great load and collect force part. So reinforce them in the production of practice, and delay their lives.Key words：double roll crusher，design，simulation， finite element analysis目录IV第一章 前言11.1 概述11.2 论文研究的目的及意义41.3 论文有限元分析方法61.4 对辊式破碎机的研究情况71.5 论文研究的主要内容8第二章 破碎机的设计原理92.1 动力源的选择92.2 整体设计92.3 破碎辊部的设计102.4 破碎齿齿顶刃的螺旋分布置152.5 破碎机片状固体废弃物破碎中的受力分析162.6 破碎齿材质的选择与加工工艺的研究172.7 工具钢的种类与适用范围18第三章 破碎机虚拟样机的设计计算与建模203.1 三维软件 Unigraphics（UG）的基本概述203.2 样机的相关设计计算213.3 样机的工作原理及特点283.4 破碎辊的结构特点293.4 虚拟样机建模31第四章 虚拟机的运动仿真344.1 运动仿真介绍344.2 运动模型的分析与简化344.3 创建连杆和运动副354.4 运动仿真分析36第五章 破碎齿辊盘有限元分析395.1 有限元分析方法395.2 有限元软件及网格单元的介绍405.3 齿辊盘有限元模型的建立415.4 模型后处理分析44第六章 结论与展望486.1 结论486.2 展望48参考文献49致 谢51附 录52申 明55第一章前言1.1 概述1.1.1 破碎机的应用与发展物料破碎是利用打击、冲击力或是研磨在颗粒内部产生向四方传播的应力波， 并在内部缺陷、裂纹、晶粒界面等处产生应力集中，使物料首先沿这些脆弱面破碎的过程，而实现这一过程的机械被称为破碎机。在当代飞速发展的工业技术中，破碎作业已经成了不可或缺的一个环节。在各种金属、非金属、化工矿物原料、建筑材料的加工和固体废弃物的处理过程中都需要对物料进行磨碎作业。由于物料的物理性质和结构差异很大，为适应各种物料的要求，破碎机的品种也是五花八门的。就金属矿选矿而言，破碎是选矿厂的首道工序，为了分离有用矿物，不但分为粗碎、中碎、细碎，而且还要磨矿。然而磨碎过程在整个产品生产加工过程中的能耗也是相当巨大的，而磨矿过程则是选矿厂能耗大户（约占全厂耗电的 50%），为了节能和提高生产效率，所以提出了“多碎少磨”的技术原则1。这使破碎机向细碎、粉碎和高效节能方向发展。另外随着工业自动化的发展，破碎机也向自动化方向迈进（如国外产品已实现机电液一体化、连续检测，并自动调节给料速率、排矿口尺寸及破碎力等）。随着处理规模的扩大，破碎机也在向大型化发展，如粗碎旋回破碎机的处理能力已达6000t/h。破碎机的结构、品种、应用等方面发展迅速，但理论研究落后于实践是个长期存在的问题，如新原理和新方式的破碎（如电、热破碎）尚在研究试验中， 暂时还不能用于生产。目前在理论研究方面所获得的知识，主要还是用来说明试验的结果，而在预测机器的性能、选型以及设计计算，往往仍要凭借经验或试验。但随着现代科学技术的发展，物料的破碎技术越来越受重视，破碎理论研究迟缓落后的局面也在积极扭转。1.1.2 破碎机理论的发展(1) 早期破碎理论早在十九世纪，许多的学者就粉碎能耗的关系问题纷纷提出自己的看法，其中最著名的有雷廷格尔（Rittinger）的“面积说”，基克（Kick）的“体积说”和庞德（Bond）的“裂缝说”，俗称破碎三大理论，数学表达式可以写成：51dA1 = rds dA2 = kdv(Rittinger理论) (Kick理论)（1-1）（1-2）w = wi F -P 100PF(Bond理论)（1-3）而这三大理论的表达式，可以统一由沃克公式表示为：dE = - dxxn（1-4）当 n=1，1.5，2 时，将上式积分，就可以分别得到上述三大理论的表达式。三大理论表达式采用以下粒度的表示法，“面积说”采用调和平均径；“体积说”采用加权几何平均径；而“裂缝说”采用 80%所有通过的方孔筛宽的尺寸来表示。他们采用的粒度都是靠经验确定的2。实际运用中，这三大理论各自仅反映粉碎过程的某一阶段，互不矛盾。对于粗粒物料的粉碎过程，“体积说”比较接近于实际；对于细粒物料，“面积说”与实际过程较吻合；“裂缝说”适用于中等粒度的粉碎过程。(2) 压层破碎理论在 20 世纪 80 年代，人们在研究单颗粒破碎时发现，在空气中一次破碎的碎片撞击金属板时明显地产生二次破碎，一次破碎的碎片具有的动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。同时在对冲击力与挤压力对颗粒层的破碎效果进行研究后得出结论：静压粉碎效率为 100%，单次冲击效率为 35%40%。为了节约能量，提高粉碎效率，应多用静压粉碎，少用冲击粉碎。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。基于这两个认识形成了层压破碎理论，与传统的挤压破碎理论不同， 传统的挤压破碎认为物料的破碎是基于单颗粒发生在颗粒与衬板之间。层压破碎认为物料颗粒的破碎不仅发生在颗粒与衬板之间，同时也大量发生在颗粒与颗粒之间。其特征是在破碎室的有效破碎段形成高密度的多个颗粒层，将充足的破碎功作用于物料颗粒群，在充分发挥层压破碎的同时充分利用了物料破碎过程中所产生的强大碎片飞动能对相邻物料进行再破碎，获得极高的破碎率。即便是比较大的排料口间隙也能大量生产细粒产品。料层物料颗粒之间的相互挤压，实现了选择性破碎，使那些强度低的针、片物料在层压破碎中首先破碎，故能产生颗粒量很高的物料产品(针片状含量15%)。颚式破碎机是在这一理论的指导下应运而生的代表性破碎设备。(3) 石石磨碎反应理论通过物料与物料之间相互撞击、边缘剪切和摩擦的联合作用实现破碎物料。原物料从机器顶部送入分料斗，借助于控制门和分料挡板使原物料按一定比例通过料斗底部进入高速运转的转子或通过分料斗侧面的分料口落入破碎腔。原物料在破碎机的转子内被加速到很高的圆周速度，物料颗粒在离心力的作用下通过转子侧面出口高速向外飞出，与从分料口落下的物料颗粒发生非完全弹性碰撞，被击碎的物料又与破碎腔中其它颗粒反复撞击、磨碎，在腔内形成紊流，越接近破碎腔内壁，物料的颗粒越小，速度越低，不久后失去能量的物料便落入成品料斗。在此过程中，破碎腔内壁附近始终有一层小颗粒的低速物料，这一层物料又为破碎提供了一层石衬。这样，在物料破碎过程中只是物料颗粒之间的相互作用，因此被称为自生性破碎机。(4) 粒层破碎理论物料在大作用力情况下，一般为 150300MPa，其破碎比大，使物料层破碎， 并且还使颗粒内部产生大的裂纹，使后续的磨矿能力大幅度增加，使产品的粒度更容易细化，其代表产品是辊压破碎机3。1.1.3 破碎机的工作原理破碎机械虽然类型繁多，但按照施力方法不同，对物料破碎有挤压、弯曲、冲击、剪切和研磨等方法。而在破碎机械中，施力情况很复杂，往往是几种施力同时存在，当然在某一台破碎机械中也只有一种或二种主要施力。由于物料颗粒的形状是不规则的，而且物料的物性不同，所以采用的粉碎方法也不同，利用机械力粉碎物料按施加外力不同有如下几种方法：(1) 压碎 将物料置于两块工作面之间，施加压力后，物料因压应力达到其抗压强度而破碎，这种方法一般使用于破碎大块物料。(2) 劈碎 将物料置于一个平面及一个带尖棱的工作平面之间，当带尖棱的工作平面对物料挤压时，物料将沿压力作用线的方向劈碎。劈裂的原因是由于劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限。物料的拉伸强度极限比抗压强度极限小很多。(3) 折碎 物料受弯曲应力作用而破碎。被破碎物料承受集中载荷作用的两支点简支梁或多支点梁。当物料的弯曲应力达到物料的弯曲强度时，即被折断而破碎。(4) 冲击破碎 物料受冲击力作用而破碎，由于其破碎力是瞬时作用的，其破碎效率高、破碎比大、能量消耗少，冲击破碎有如下几种情况： 运动的物体对物料的冲击； 高速运动的物料向固定工作面冲击； 高速运动的物料互相冲击； 高速运动的工作体向悬空的物料冲击；(5) 磨碎（研磨） 物料与运动的工作表面之间受一定的压力和剪切力作用后，其剪切应力达到物料的剪切强度极限时，物料便粉碎或物料彼此之间摩擦时的剪切、磨削作用而使物料破碎。1.1.4 破碎机分类按照构造与工作原理的不同，常用的破碎机械有如下几种类型：(1) 颚式破碎机是依靠活动颚板作周期性的往复运动，把进入两颚板间的物料压碎。(2) 锤式破碎机物料受高速回转的锤头的冲击和物料本身以高速向固定衬板冲击而使物料破碎。(3) 圆锥破碎机（旋回破碎机）靠内锥体的偏心回转，使处在两锥体间的物料受到弯曲和挤压而破碎。(4) 反击式破碎机物料受高速运动的板锤的打击，使物料向反击板高速撞击，以及物料之间相互撞击而破碎。(5) 辊式破碎机物料落在两个相互平行而旋回相反的辊子间（相向转动），物料在辊子表面的摩擦力作用下，被带入转辊之间，受到辊子的挤压而破碎。1.2 论文研究的目的及意义固体物料经过粉碎，颗粒由大变小，物料单位质量的表面积增加，可以提高物理作用及化学反应的速度，在固体废弃物处理过程中，固体废弃物经过粉碎，可以实现不同物料的彼此解离，同时几种固体物料的混合，也必须在细粉状态下， 才能均匀混合。粉体材料最重要的质量指标之一是粒度和粒度分布，而粒度和粒度分布决定了粉体产品的技术性能和应用范围。例如，物料的比表面积、化学反应速率、吸附性、堆积性、补强性、在液相介质中的沉降速度、溶解性、光学性能、电性、磁性等，这些都与应用范围有直接关系。而产品的应用领域对物料的粒度及粒度分布均有严格的要求。而在固体物回收利用过程中，对固体废弃物进行粉碎也是非常重要的环节，粉碎目的如下：(1) 容易使废物混合均匀，可提高燃烧、热解等处理过程的效率及稳定性；(2) 可防止粗大、锋利的废物损坏分选、焚烧、热解等设备；(3) 可减小容积，降低运输费用；(4) 容易通过磁选等方法回收小块的贵重金属；(5) 破碎后的固体废弃物进行填埋处置时，压实密度高而均匀。目前，国内用于固体废物的破碎机主要借鉴于矿山机械并依赖进口，如英国MMD 公司、德国克虏伯公司、美国 Terlx 公司的破碎机。这些破碎机价格昂贵、维护成本很高。国内同类产品的破碎结构和国外相似，但由于传动部件强度不如国外产品以及对关键部件结构、设计参数不够优化，破碎能力较低，这就说明自主研发新的固体废弃物的破碎产品十分有实用意义，不仅可以填充国内市场，甚至还可以走向国外市场。但是，在产品的设计过程中，常规的设计实验方法，往往是先通过图纸设计，然后设计成试验机实际试验，得到相应参数，在对设计进行修改，之后再试验，进行多次试验后方能形成成品，这样将花费大量的人力、物力、财力，而且比较浪费时间。随着计算机水平的发展，三维软件建模设计技术、运动仿真技术和高级仿真的有限元技术的发展日趋成熟，本设计将使用三维软件对实际产品进行优化设计分析，然后再实际加工出产品，再进行实际试验， 这样实际与计算机的结合，可以大大降低人力、物力、财力和时间。本文通过分析破碎机在传动过程中的运动机构，利用 Unigraphics(UG NX)运动仿真，分析在传动过程中，辊子的干涉情况和所受载荷的传递状况，从而为辊式破碎机传动设计进行优化设计；同时利用 UG NX 高级仿真有限元分析功能对其核心元件 齿辊盘进行受力分析，对齿盘受力和变形较大的部位进行加固，提高其工作时的稳定性和使用寿命，降低整体经济成本。1.3 论文有限元分析方法许多工程问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程（常微分方程或偏微分方程）的问题，但能用解析方法求出精确解的只有方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态的解。这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解。二是人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术， 数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解，单元划分越细，计算结果就越精确。有限单元法的基本思想早在 40 年代初期就有人提出。“有限单元法”这一名称是 1960 年美国的克拉夫(Cluohg.R.w)在一篇题为“平面应力分析的有限单元法” 论文中首先使用的。40 多年来，有限单元法的应用已经从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛应用。到 80 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达到几百种，其中著名的有：ANSYS、NASTARN、ASAK、ADINA、ASP 等。它们多采用 FORTRAN 语言编写，规模达几万条甚至几十万条语句，其功能越来越完善，不仅包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前处理和后处理程序。由于有限元通用程序使用方便、计算精确高，其计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。以 ANSYS 为代表的工程数值模拟软件，即有限元分析软件，不断吸取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。根据辊式破碎机几何结构、约束和载荷的特点，本文研究中采用有限单元法对其进行分析。1.4 对辊式破碎机的研究情况辊式破碎机的施力方式以剪切与挤压为主，适用于纤维物质和韧性物质的破碎。一般分为光辊破碎机和齿辊破碎机，光辊破碎机的辊子表面光滑，主要作用为挤压与研磨，可用于硬度较大的固体废物的中碎与细碎，齿辊破碎机辊子表面有破碎齿牙，使其主要作用为劈裂，主要用于脆性大或塑性较大的废物。辊式破碎机的工作过程是：旋转的工作转辊借助摩擦力将给到其上的物料块带入破碎腔内，使之受到挤压和磨削作用（有时还兼有劈碎和剪切作用）而破碎，最后由转辊带出破碎腔成为破碎产品排出。辊式破碎机也是出现较早的破碎机构，它发展较成熟，结构相对简单，过粉碎现象较少、工作可靠；辊面上的齿形、尺寸、排列可按物料性质进行设计，适应性强。因此，只要将它进行局部改进，在很多部门仍然可以进行广泛的使用。目前，在国内比较有影响的辊式破碎机是英国采矿机械开发公司（MMD）的齿辊破碎机，其特点是齿形大，齿间距、齿数和齿形可按粒度要求改变，有多种齿形供不同破碎要求选用，结构见图 1-1。湿粘物料通过不受影响，有湿粘物料时只要反转一图 1-1 MMD 辊式破碎机下就可排除。破碎作用借助于剪切和拉力，给料中的合格粒级可以不经破碎而排出，它可破碎最大强度为 420MPa的物料，因此可用于金属矿石破碎。破碎力由机架承受，基础只承受重力。设备很矮，例如，生产能力为 4000t/h的MMD1150 型破碎机高度也只有大约 1.5m4。我们可以借鉴MMD公司齿辊破碎机的相关设计参数，设计研发新型的齿辊破碎机，并利用现有的一些计算机设计技术，对自行研究的破碎机进行虚拟试验，通过运动机构传动原理的分析，并模拟它的实际运动中的运动负载情况，对破碎机的传动机构进行优化设计；并使用有限元分析软件对其核心部件齿辊盘，分析它的实际载荷，对它进行有限元分析，对辊子进行工作时受力较大的地方进行加固，应力集中的地方进行处理，为实际生产提供依据，提高工作稳定性和寿命，降低经济成本。1.5 本文研究的主要内容（1） 查阅辊式破碎机相关资料，了解它的结构原理，对固体废物破碎机进行结构设计和相关参数计算；（2） 使用三维软件 UG NX 建立出固体废弃物破碎机的虚拟机；（3） 用 UG 软件的运动仿真功能模拟破碎机在实际工作中的运动状态，分析其运动状态，并导出其运动状态报告；（4） 运用 UG 高级仿真功能分析破碎辊齿辊盘的应力情况； 其基本步骤如下流程如图 1-2 所示：固体废弃物破碎机的优化与设计破碎机结构设计与计算辊式破碎机虚拟样机的建模对辊的运动仿真分析齿辊盘有限元分析图 1-2 破碎机流程图第二章破碎机的设计原理2.1 动力源的选择一般破碎设备常用动力源主要是交流异步电动机，也有一些特殊用途的破碎设备采用液压马达驱动，见图 2-1。对于固体废弃物韧性较强物料的破碎，如果从工业应用实践角度应采用液压马达驱动方式。采用液压马达传动的主要优点有： 第一、惯性小、响应速度快：第二、低速液压马达的低速稳定性比电机好很多， 动力也更强劲；第三、质量轻、体积小；第四、应用液压传动可简化机器设备的电器控制系统。但是液压马达驱动需要配备相应的液压站，有系统复杂，环节多， 造价高的缺点，尤其对于小功率需求时更为明显。因本设计设备主要目的是试验室设备，使用工况简单、处理能力要求小、所需功率小，所以完全可采用三相异步电动机作为动力源，从而降低造价，减少了设备的复杂程度。（a）液压马达驱动（b）三相异步电动机驱动图 2-1 固体废弃物破碎机的不同驱动方式2.2 整体设计本文研究的固体废弃物破碎机主要由电动机、传动减速系统、工作辊子等部分组成。整机采用双辊式结构，电动机的动力经过十字滑块联轴器传递到摆线针轮减速机，减速后再通过联轴器将动力传递给主动破碎辊，通过齿轮传动，主动辊将动力传递到从动破碎辊，两辊相向转动，通过破碎齿相互啮合实现对物料的破碎，其中从动辊与主动辊的结构完全相同，其表面均设计有沿轴线形成螺旋分布的破碎齿；破碎机配有变频调速器，用于调整辊子转速，其示意图如图 2-2：图 2-2 破碎机的结构简图1. 电机 2.行星减速器 3.联轴器 4.轴承 5.破碎部件 6.齿轮2.3 破碎辊的设计2.3.1 对辊剪切式破碎机的受力分析与辊直径的确定对辊式破碎机的被动辊与主动辊的破碎齿互相啮合作相向运动，破碎齿只有齿侧有刀刃，利用相邻破碎齿的齿侧侧刃对物料进行剪切，破碎物料成条形，将条形物料再次横向给入破碎机，将块物切碎。破碎过程分为两个阶段：一是物料下落与辊子接触，在重力与摩擦力的作用下进入破碎腔；二是物料在破碎腔中剪切破碎。其中辊子的直径f 与给料粒度b 、排料口的宽度e 、物料与辊面之间的摩擦系数 f 、以及齿面类型等因数有关，对于光面辊子，其理论公式可以推导如下： 辊子的直径f 与给料粒度b 之间的关系，主要取决于钳角与摩擦角m0 。或摩擦系数 f 之间的关系（见图 2-3）。设给料为球形，通过物料与辊子作切线，两条切线之间出夹角为（钳角）。辊子在物料上的正压力为 F 以及由它所引起的摩擦力 fF 。而料块的重大G 较之作用力小得多，故可忽略不计。图 2-3 辊式破碎机的钳角将 F 和 fF 分解为水平分力和垂直分力，只有在下列条件下，物料不至于在辊面上打滑，而被两个相向运动的辊子卷入破碎腔：2F sin(a2a) 2 fF cos(a )2m0（2-1）式中：tan() f2 tan()2（2-2）00m ：摩擦角，通常m 16040，f0.3，33020由直角三角形关系得：cos a= f / 2 + e / 2（2-3）2f / 2 + e / 2 +b / 2cos(a / 2)由于e f，可忽略，则有：f =b（2-4）1 - cos(a / 2)33020代入，得出：fb= 2（2-5）式中： 啮合角，为物料与辊子接触点切线的夹角；m0 摩擦角；f 辊子的内圆直径，mm；e 辊间距，mm。与颚式破碎机一样，为了能钳住物料进行破碎，要求辊式破碎机有一定的钳角。物料与两辊子接触点的切线夹角 称为辊式破碎机的钳角，见图 2-3。钳角的极限值可以从辊子直径运算中得出a 2m0 ，即钳角应小于或等于物料与辊子之间的摩擦角的 2 倍。对干硬物料（如石灰石、砂岩等）在金属表面上的摩擦系数 f= 0.3 ；湿软物料（粘土等） f= 0.45 。与此相应的最大钳角分别为33o 20 和48o 40 ，实际上采用的钳角要小些。对于f / d 的比值由辊式破碎机的破碎比来求得。因为辊式破碎机的破碎比一般为i = 4 ，故e / b = 0.25 。并将前述的极限值代入式（2-5）可得：cos a - af 22b1 - cos a 2（2-6）对于干硬物料fb= 17 ；对于湿软物料fb= 7.5 。实际上，为了使破碎机可靠地进行工作， f 的数值还必须大 20%25%，此时辊子直径要比物料尺寸大 922b倍。根据上述计算得出辊子直径与物料直径为：对破碎干、脆性物料时，光面辊f = 20 21 ；齿面辊fbb= 1.5 6 ；槽面辊fb= 10 12 5。又可知： fb= 2 （1.56），故可行。图 2-4 表示为物料在破碎腔中被破碎的过程，破碎辊对物料作用力 F 形成一对剪切力，当该剪切力大于废旧电路的破碎极限时，物料被破碎，摩擦力 fF 推动物料向下运动。物料从破碎腔中排出，达到破碎效果。图 2-4 剪切破碎机破碎过程2.3.2 转速的确定由生产能力的计算公式可以得出，提高辊子的转速，可提高生产能力。但是在实际生产中，转速的提高有一定的限度，超过此限度，落在转辊上的料块在较大的离心惯性力的作用下，就不易钳进转辊之间。这时，生产能力不但没有提高， 反而引起电耗增加，辊子表面的磨损及机械振动增大。根据物料在辊子上的离心惯性力与各作用力的平衡条件，可得出当破碎比i 4 时，光面辊式破碎机的极限转速为：nmax= 616frbf（r/min）（2-7）取破碎比i = 4 ，摩擦系数 f = 0.3 ，物料的密度 r 2.4 103 kg / m3frbf式中：nmax= 616= 162.33r / min物料的密度， kg / cm3 ；b 破碎机的物料直径， cm ；f 辊子直径， cm ；光面辊子取上限值，槽面与齿面辊子则取下限值，辊子的合理转速一般通过实验确定。目前使用的辊式破碎机，辊子的圆周速度在0.5 3 m / s 之间，对于硬质物料，取1 2 m / s ；对于软质物料可达6 7 m / s 6。v = 2prn / 60 = 2.55m / s 在0.5 3 m / s 之间，故可行。又实际转速： n = (0.4 0.7)nmax = 0.5nmax所以： n = 81.16r / min2.3.3 生产能力的计算式中：Q = 188K s L1ejrs (t / h)（2-8）L1 辊子有效长度，m。对光面辊子 L1 = L(L为辊长) ；对齿面或槽面辊， 当e 值取破碎机的齿辊间距时，L1 = (0.5 0.6)L ；当e 值取破碎产品的最大粒度时， L1 = L ；e 工作时排料口宽度，m。对坚硬物料，e 值为空载时两辊间距的1.5 2倍，一般情况， e 值可近似取产品的最大粒度（即e = bmax ）；Ks 松散系数，对中硬物料，破碎比i = 4 ，进料粒度为破碎机最大进料粒度的80% 100% 时， Ks 取0.25 0.4 ； i 小时， Ks 最大可取0.8；对于煤、焦炭或潮湿粘性物料， Ks 取0.4 0.75由此：取 Ks = 0.3 ，L1 = L = 1.2m ；e = 0.075 ；f = 0.6m ；n = 81.16r / min ；r 2.4 103 kg / m3 ； 代入得：Q = 188K s L1ejr s = 593.234(t / h)（2-9）所以，破碎机的实际生产能力为 590 (t / h)表2-1 对辊式破碎机的主要性能参数主要项目对辊破碎机单位齿辊直径齿辊长度齿辊转速最大给料粒度排料粒度 处理能力 电源电压频率电动机功率 电动机满载转速变频调速器型号摆线针轮减速机型号外形尺寸(长宽高)6001200无级调速（2.121.4） 3001000505025（两次破碎）590380V50Hz7.51440LG SV037/G5-4XWD-3-5-71 25031005862mm mm rpm mm mm t/h VHz kW rpm-mm2.4 破碎齿齿顶刃的螺旋布置双辊破碎机破碎齿的齿顶刃沿齿辊母线呈螺旋分布7，如图 2-5 所示，螺旋布置的破碎齿在对物料进行破碎时主要有以下几个优点：第一：均布载荷，螺旋布置的齿不是同时接触物料而是按照螺旋角依次切入物料，可以使破碎扭矩均匀地作用于被破碎物料，不会有时形成瞬时高载荷、切不动，有时又没有载荷的不均匀现象，均匀的载荷既可以充分提高电动机的效率降低装机功率，又可避免轴承、轴等承载部件承受因载荷不均匀产生的交变载荷，极大地提高其使用寿命； 第二：有利于啮入物料，如图 2-5 中齿-所示，当齿抓住块状的固体废弃物后，向下旋转将整个块状固体废弃物向下扯入破碎腔，紧接着齿、齿依次连续的将固体废弃物带入腔体进行破碎，而当一个螺旋的齿还未结束对固体废弃物213的扯拉，后一个螺旋又开始拉扯，这样周而复始直到将整块固体废弃物破碎为止， 只要固体废弃物被咬入便一直受到连续的破碎齿的向下牵拉的力，直到破碎完为止；第三：筛分破碎，对于破碎混合粒度的物料，破碎齿螺旋布置在齿辊上，两辊相对运动如旋转的格筛，小于产品粒度的物料直接通过，只对大块物料进行破碎，从而避免了进入破碎机的物料搀杂破碎的缺陷，既有利于提高设备处理能力， 又可减小因混杂破碎而产生的过粉碎和多余功耗。图 2-5 对固体废弃物剪切破碎的照片2.5 破碎机片状固体废弃物破碎中的受力分析可以把片状固体废弃物的受力看作是薄板的受力问题，通常作用于薄板上的总载荷可分解成两种，一种在中面之内，另一种垂直于中面。如图 2-6(a)所示， 平分厚度 h 的平面称为薄板的中间平面，简称为中面。中面内的载荷所对应的应力和变形，可按弹性力学中的平面应力问题求解。而垂直于中面的载荷将引起薄板的变形。对于在对辊式破碎机中破碎的板，可以分两个阶段进行考虑。板在对齿盘作用下没有发生断裂时，可以用薄板弯曲理论进行分析，这可看作是第一阶段。当板在对齿盘作用下产生裂纹并发生断裂时，可以用薄板断裂理论进行分析。对辊式破碎机在工作时，取出板的一部分进行分析，取出的部分如图 2-6(b)所示，假设矩形 OABCHEFG 为被破碎的薄板板单元，边（1）为由于齿顶刃的向下作用 q1，在薄板单元上形成的断裂边，边（2）、（3）是由一个辊上一个齿上的两面的齿侧刃与另一辊对应两齿齿侧刃相互剪切形成的剪切边，对应的力为q2(y， t)和 q3(y，t)。先进行第一阶段的分析，即薄板在没有发生断裂时的弯曲问题。由图 2-7(b)可知该部分薄板受三部分载荷作用，即，q1，q2(y，t)，q3(y，t)，且都垂直于中面，因此符合薄板弯曲问题。对于第二阶段，应运用断裂力学的知识进行分析，这个过程是对辊破碎的关键。由对辊式破碎机的构造可知，由于 GF 上作用的是齿顶刃对板的推力，而 OC 边，AB 边作用的是齿边对板的支撑，因此， 当对齿盘开始滚动并经过一定的时间，在 GF 与 HG 交点处的附近会产生裂纹， 同理在 GF 与 EF 交点处的附近也会产生裂纹。由图 2-7(b)板单元的受力情况可知， 在外载荷的作用下，这些裂纹将分别沿 GO，GF 和 FE 扩展，最终将使这块薄板单元在面(1)，(2)，(3)处发生断裂。yhxq1yGz(2)CZ(1)F B(3)（a）薄板模型q2(y,t)HE中面OA(b) 单元受力分q3(y,t)x图 2-6 薄板在破碎机中剪切破碎单元的受力分析图2.6 破碎齿材质的选择与加工工艺的研究破碎齿材质的选择是整个破碎机设计、制造最为关键的部分，材质及其加工工艺选择正确与否直接决定整个设备能否正常工作，固体废弃物从纤维、塑料到铜、金等组分的复杂性也对刀具提出了更高的要求。刀具材质的选择应主要考虑两方面的因素：首先是要有很好的可加工性，因为剪切破碎要求刀具的破碎刃间有很小的间隙和旋转精度，要求破碎齿片具有很好的几何精度，要满足这些精度的要求无疑要求材质有很好的机加工性能。另外一个要考虑的因素是刀具尤其是其破碎刃要同时具备足够硬度与韧性，以满足韧性材料和铁、铜等金属成分的剪切破碎要求8。目前工业广泛应用的各类破碎设备中，绝大部分是对矿石、煤炭、非金属矿等脆性、半脆性物料的破碎，且破碎对象组分也相对单一，破碎方式主要是剪切、挤压、牵拉等综合作用、这些设备的破碎部件主要使用高锰钢、耐磨中合金钢等， 突出考虑的问题是耐磨性。本设计针对城市固体废弃物的硬度、强度、韧性等都应满足剪切破碎固体废弃物基材及各种金属的目的，刀具的受力状态和工作原理完全不同于传统的破碎过程，破碎方式主要是纯剪切、弯曲和牵拉，而且从实践上没有任何的经验可以借鉴，国内外的相关文献也未见到相关报道。在其它行业中，加工对象中含有金属成分的有机加工行业的车床刀具和处理废钢铁的剪切机、剪板机等设备，切削刀具主要使用的工具钢，本研究借鉴其相关材质和处理工艺进行设计、使用。2.7 工具钢的种类与适用范围工具钢具有良好的强度、韧性、硬度、耐磨性和回火稳定性等性能。主要用于制造各种切削刀具、切削工具、模具、量具和其他耐磨工具。一般分为碳素工具钢合金工具钢和高速工具钢三类。碳素工具钢是高碳过共析、共析或亚共析钢，含碳量范围为 0.7%1.3%(质量分数)。其性能除了与冶炼、热塑性变形工艺有关外，主要取决于碳含量，碳是碳素工具钢的主要强化元素。这类钢经热处理后具有较高的硬度和耐磨性，但红硬性差、淬透性低，主要用于制造一般切削速度，且加工硬度和强度不太高的材料的工具，以及形状简单、精度要求较低的量具、模具等。合金工具钢为中、高碳合金钢，用于制造截面较大、形状特殊，而且较复杂的量具、刃具、耐冲击工具和冷热作模具及一些特殊用途的工具。这类钢碳含量较高，并含有多种强化合金元素，如铬，钼，钨，钒等，具有高的硬度、一定的韧性、良好的耐磨性、红硬性、一定的耐冲击性，以及良好的淬透性、组织稳定性、较小的热处理变形等性能。氏体型的钢种。高速工具钢有高强硬性、硬度和耐磨性，在较高温度（不大于 600）下能保持良好的切削性能，用于制造高效率切削刀具，如铣刀、铰刀、拉刀、插齿刀及钻头等，也用于铁冷模具、高温弹簧及高温轴承等9。在固体废弃物破碎机中一般要求破碎齿辊盘有较高的硬度和耐冲击性，而且破碎机齿盘主要受到的是剪切力，它对物料的破碎也主要是切削作用，所以采用合金工具钢为齿辊盘的制造材料，并对它的应力集中的地方采用堆焊耐磨材料和一些特殊的处理方法，来保证破碎机的重要部件的使用寿命。第三章破碎机虚拟样机的设计计算与建模3.1 Unigraphics（UG）三维软件基本概述此次建模所用的是美国 EDS 公司推出的集 CAD/CAM/CAE 于一体的软件系统。其功能从概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品发布，覆盖了产品开发生产的整个过程，并在航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械，以及其它高科技应用领域的机械设计和模具技工自动化方面得到了广泛的应用。UG提供了强大的实体建模功能，有高效的曲线建构能力，能完成复杂的实体设计。而且，它的装配功能、平面工程图输出功能、模具加工功能，以及与PDM 之间的紧密结合10，使得其在工业界成为一套无可匹敌的高级CAD/CAM/CAE系统。其主要功能有：（1） 产品设计（CAD）功能使用 UG 的建模模块、装配模块和制图模块，可以方便地建立各种结构复杂的三维参数化实体装配模型和部件详细模型，并自动生成用于加工的平面工程图纸。此项功能使得该软件可以很好的应用于各行业各种类型的产品设计，并支持产品外观造型设计，所设计的产品模型可模仿制造样机的过程。并且能够进行虚拟装配和各种分析，节约了设计的成本和周期。（2） 特性分析功能使用 UG 的有限元分析模块（Nastran 模块），可以对零件模型或是重要部件进行受力分析、受热分析和模态分析等，从而可以为实际加工提供相关的设计加工依据。此功能在本文作齿辊盘有限元分析时在做重点说明。（3） 数控加工功能使用 UG 的加工模块，可以自动产生数控机床能接受的数控加工指令。（4） 运动分析功能使用 UG 的运动分析模块，可以对产品的实际运动情况和干涉情况进行分析。具体应用将在下文有详细介绍。（5） 产品发布功能UG 的造型模块，可以将产品模型用真实感和艺术感很强的图片导出，并可制作动画，直接在 Internet 上发布。3.2 样机的相关设计计算3.2.1 轴功率的计算当破碎硬物时，需用功率为P0 = 0.0514KLjn(KW )（3-1）式中：K 系数， K = 0.6i + 0.15 ；i 破碎比， i = 4 ；zc查书机械设计手册11，可得轴承的传动效率h 、齿轮的传动效率h 、联轴器的传动效率hl 和行星减速器的传动效率h x 分别为：所以：h z = 0.98 ，hc = 0.97 ，hl= 0.99 ，h x = 0.92P0 = 2.55 0.0415 1.2 0.6 81.16 = 6.2(kW )（3-2）所需的总功率 Pd 为：Pd = P0 /h zhch zhlh x = 7.31(kkW )（3-3）选择电机：查机械设计手册11有：选Y132-4型号的三项异步电动机，相关参数如表3-1：表3-1 Y132-4型号电动机参数项目功率/kW满载转速/(r/min)堵转转矩最大转矩Y132-47.514402.22.2所以额定功率 Ped传动比的分配：= 7.5 大于实际功率 Pd ，可选用。取行星减速器的传动比ix = 12 （1187）齿轮的传动比ic ：ic =120 = 1.48 （ i81.16 c 5.6 ）（3-4）计算传动装置的运动和动力参数：电机轴 P1 、主动轴 P2 、从动轴 P3P1 = Pd= 7.31kwn1 = 1440r / minP = Ph h h= 6.52kwn = n1= 120r / mini21 x l z2ixP = P h h= 6.20kwn = n2= 81.08r / min3因为轴力矩：2 c z3c所以：T = 9550 Pn（3-5）1T = 9550 P1n1T = 9550 P22n= 48.46N m= 518.88N m2T = 9550 P33n= 730.27N m33.2.2 传动部件的设计3kT1m + 1jdr HPm齿轮选用45#钢，按接触强度设计：d1 753 (mm)（3-6）m = ic = 1.48n2 = 120r / minP2 = 6.52kwT2 = 518.88N m查机械设计手册11，得齿轮调质处理后的硬度 HBS 为229 286 ， 故可取： HBS1 = 240HBS 2 = 240F lim查机械设计手册11，可得齿根的弯曲疲劳极限s：s F lim1 = 220Mpas F lim 2 = 220MpaH lim查机械设计手册11有齿面的接触疲劳极限s：s H lim1 = 220Mpa由齿面许用接触应力：s H lim 2 = 220Mpa式中：s HP= s H lims H min ZN Zw（3-7）s H lim 实验齿轮的接触疲劳极限；SH min 接触强度的最小安全系数，一般传动取SH min = 1.0 1.2 ，重要传动取SH min = 1.3 1.6 ，由于破碎机为一般传动，故取SH min = 1.2 ；Z N 接触疲劳强度计算的寿命系数，一般为ZN = 1 ，当考虑齿轮只要求有限寿命时，接触疲劳许用应力可以提高的系数，查机械设计手册N11，取Z= 1.2 ；ZW故有： 工作硬化系数，它是用以考虑经磨齿的应齿面小齿轮与调质钢大齿轮相啮合时，对大齿轮齿面产生冷作化的作用，从而使大齿轮的H limWs得到提高的系数，大齿轮的Z 有查机械设计手册11，当两齿均为硬齿面或软齿面时， Zw = 1.0 ，故取Zw = 1.0 ；s HP1= s H lim1 ZNs H min ZW= 491.67Mpas HP 2= s H lim1 ZNs H min ZW= 491.67Mpa由：s Hp = mins HP1 ,s HP 2 = 491.67Mpa许用弯曲应力s FP ：s FP= s F limYSTSF min YN（3-8）式中：SF min 弯曲强度的最小安全系数。一般传动取SF min = 1.3 1.5 ；重要传动取SF min = 1.6 3.0 ；本设计为一般传动，取SF min = 1.4 ；YST 实验齿轮的盈利修正系数，取YST= 2 ；YN 弯曲疲劳强度计算的寿命系数，一般取YN = 1 ；故可得：s FP1= s Flin1 YSTSF min YN= 314.29Mpas FP 2= s Flin 2 YSTSF min YN= 314.29Mpa查机械设计手册11，可得：K = KA KV K b Ka式中： K 载荷系数，；K A 使用系数，取 K A = 1.0 ；KV 动载系数，取 KV = 1.1；K b 齿向载荷分布系数，取 K bKa 齿间载荷分配系数，取 Ka= 1.1；= 1.2 。K = KA KV K b KaK = 1.5= 1.0 1.11.11.2一般情况齿宽系数y d3KT1m + 1jdr HPmd1 753 d1 = 460mm= 1.1 ，则：(1) 假设 Z1 = 92(2) 初定 b = 8o则 Z 2 = Z1ic = 1.48 92 = 136.16i = 1440 = 1.48 ；c81.16取Z 2 = 137 ；(3) 法向模数mn= d1 cos bZ1= 4.95取标准mn= 5 mm；(4) 中心距a = d1 + d 22= mn (Z1 + Z 2 ) = 578.132 cos b取圆整为： a = 580 mm；(5) 反算b ： b = ar cos mn (Z1 + Z 2 ) = 9.22o2a在8o 20o 的范围内；(6) 分度圆d1= mt1 Z1= mn Z1cos b= 466.02 mm；齿顶圆da1 = d1 + 2mn = 476.02 mm齿根圆d f 1 = d1 - 2.5mn = 453.52 mm同理可得： d 2 = 693.96 mm(7) 齿轮宽b2 = 110 mmda 2 = 703.96 mmd f 2 = 681.46 mm便于装配取： b1 = b2 + (2