双齿辊破碎机设计(全套含CAD图纸)doc

日期:2020-10-23 23:41

  买文档送CAD图纸,QQ摘 要 本设计主要介绍双齿辊破碎机的发展史、工作原理及其设计过程,在分析了近年来煤炭工业及煤炭行业背景以及双齿辊破碎机在煤炭行业使用过程中的问题和不足的基础上制定方案进行的设计。 本设计采用单电机拖动方式,电机轴连接带传动然后再由大带轮与单级减速器的输入轴相连。减速器输出轴与主动齿辊轴相连,再通过同步齿轮传动将转矩传递到从动齿辊轴。本设计主要设计内容包括一个单级减速器、带传动、一对同步齿轮和齿辊盘及齿辊轴的设计。由于整个传动系统比较简单,保证了传动的稳定性。针对现在双齿辊破碎机所存在的一些问题,本设计还添加了一些改进措施。在破碎盘上加装了破碎锥,使得破碎辊齿的破碎效果更好并减少了过粉尘现象。加装弹簧退让保险装置,这样就可以很好的补偿大块物料进入破碎箱时齿辊产生的位移,防止破碎辊发生过铁损坏。 关键词:双齿辊破碎机; 齿辊; 破碎机 ;单级减速器;带传动 ABSTRACT This design introduces a pair of teeth roll crusher history, composition and working principle of the coal industry and coal industry, based on industry background, understanding of the modern double-toothed roll crusher in coal industry, primarily in the technology application problems and shortcomings based on these problems and deficiencies of this proceeding designed to double teeth roll crusher. The design of the first set design, with belt drive plus two main gear reducer, as a simple drive system, which ensures the stability of transmission, while the broken tooth roller also made improvements in the broken plate installation of the crushing cone, so broken better, will not produce the phenomenon of excessive dust, followed by installation of a concession equipment, concession equipment and gear by the spring bridge institutions, so that compensation can be a good chunk material into the crushing box displacement generated when Roll. Key words: Double teeth roll crusher; Roll; Crusher 目 录 1 绪论 1 1.1开题背景 1 1.2齿辊式破碎机的发展 1 1.2.1国内齿辊破碎机的发展 1 1.2.2国外的齿辊式破碎机 4 1.3双齿辊破碎机的工作原理及使用中的问题及改进 4 1.3.1工作原理 4 1.3.2双齿辊破碎机存在的问题 4 1.3.3改进措施 5 1.3.4本设计的主要内容 5 2 总体设计 6 2.1方案设计 6 2.2工作参数的确定 7 2.2.1破碎机的技术参数 7 2.2.2其他参数计算 7 2.3传动和减速系统的确定 9 2.3.1总传动比及传动比分配 9 2.3.2传动装置的运动参数的计算 10 3 传动系统设计计算 10 3.1 带传动设计计算 10 3.2减速器设计 12 3.2.1齿轮传动设计 12 3.2.2轴结构设计 14 3.2.3轴承校核 18 3.2.4键的选择与校核 20 3.2.3减速器铸造箱体的主要结构尺寸设计 20 3.3同步齿轮设计 21 3.4破碎齿辊箱设计 24 3.4.1齿辊的结构的设计即破碎齿盘设计 24 3.4.2齿辊切向力计算 26 3.4.3齿辊轴设计 27 3.5调整与保险装置 29 结论 30 参考文献 31 翻译部分 32 英文原文 32 中文译文 38 致 谢 43 1 绪论 1.1开题背景 我国的矿石资源十分丰富,生产碎石的企业很多,几乎全国各地都有,但是有些现场作业的人员对破碎过程的安全知识及能力相对缺乏,没有相应的破碎技术资料,存在不同程度的不符合安全规范的破碎作业方式,甚至有的地方使用最传统的最不安全的爆破方式来进行破碎,这些破碎工人并非专业的爆破员,对爆破器材的管理也不到位不规范容易导致安全事故,而且这种爆破的方式严重破坏了环境实在是不提倡使用。所以矿石的破碎应该采用科学合理的方法,不仅可以降低投资的成本提高安全度,而且也能够推动环境的可持续发展。 物料的破碎是许多职业为了节能和进步出产功率,所以提出了“多碎少磨”的技能准则。这使破碎机向细碎、破坏和高效节能方向开展。 在建国初期,我国许多工业都依照前苏联的模式来发展,所以齿辊式破碎机并不常见也不常用,而是圆锥破碎机和颚式破碎机的应用比较多,并且在高等院校的教材中也很少见到齿辊破碎机的介绍,有关双齿辊破碎机的内容十分简单,主要讲述的是圆锥破碎机和颚式破碎机的结构和设计,且对双齿辊破碎机的结论是“不能破岩石,没有发展前途”,所以建国后30多年双齿辊破碎机并没有得到广泛应用。在改革开放后,我国和西方发达国家的交流越来越多,在逐渐了解了国外对齿辊破碎机的应用比较普遍后,我国才开始大力引进双齿辊破碎机设备及技术,双齿辊破碎机也得以发展起来。经过国内外双齿辊破碎机的运行实践和对比分析,与颚式破碎机等国内使用的传统破碎机相比,双齿辊破碎机具有下列优点: (1)双齿辊破碎机的结构比较简单,整机的安装维护修理十分方便; (2)双齿辊破碎机整机的外形尺寸不大,而且重量较轻,移动比较方便; (3)双齿辊破碎机生产能力可大可小,能耗低,应用范围比较广; (4)双齿辊破碎机工作受力均为内力,为简化基础设计创造了有利条件,而且更适合移动破碎站选用; (5)双齿辊破碎机的产品粒度比较均匀; (6)双齿辊破碎机使用起来安全可靠; (7)在特殊情况下,双齿辊破碎机可直接起动,因此其对电网冲击很小。 1.2齿辊式破碎机的发展 1.2.1国内齿辊破碎机的发展 上世纪90年代前,齿辊破碎机存在许多技术问题例如无法严格控制破碎后产品粒度,过粉碎现象严重,机体冲击载荷比较大,噪声也比较大,维修起来不方便,维修量大,破碎齿易坏等。为了防止过硬物体损坏破碎齿,双齿辊破碎机两端添加压缩弹簧,当过硬或大块物体如铁块,落入破碎辊时不能被破碎,这时破碎辊受力加大,压缩弹簧,增大破碎腔的排料间隙,铁块便能顺利排出,然后弹簧恢复力使得破碎辊回原位。这种过铁保护虽能保护破碎齿但是不能严格保证产品粒度。 1987年原兖州煤矿设计院在美国雷克斯诺德公司生产的冈拉克36DAM型破碎机的上设计出的4PGC-380/350 1000型齿辊破碎机,是当时技术上较为先进的破碎机。 上世纪90年代后,随着我国改革开放的深入,煤炭使用销售市场发生巨大变化,导致了人们对选煤技术及设备提出了更高要求例如破碎后的产品中降低细颗粒含量、要求产品粒度更加的均匀,处理能力增大等,这些要求使得破碎机的发展更快,技术也更加先进。 首先煤炭科学研究总院唐山分院开发了2PL系列强力破碎机。该破碎在技术上的进步主要是取消了原双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坏破碎齿,从而可较严格控制碎后产品中的过大颗粒。 针对单齿辊破碎机存在效率低、结构复杂、受力不均匀等特点开发了新一代的915单齿辊破碎机。这种破碎机有两种结构形式:第一种结构形式(图1)。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,外侧螺母用于调整破碎板位置,从而调整排料口间隙内侧螺母用于调整弹簧的弹性力。安装弹簧的拉杆插在机体的支座上,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(图2)是利用颚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;颚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。该机与同规格的颚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分较大的煤。 图1.1 915单齿辊破碎机示意图(第1种结构) 1.破碎辊2. 颚板3. 调整机构4. 机架 图1.2 915单齿辊破碎机示意图(第2种结构) 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,液力耦合器过载保护,其传动系统是电机驱动液力耦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。 90年代中期,山东莱芜煤矿机械厂引进德国技术,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、双液力耦合器、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,从而控制排料粒度该机有液力耦合器过载保护,和电控过载保护可有效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,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,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,可严格地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,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矸,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与2FJP系列基本相同。 MMD型系列轮齿式破碎机是英国MMD矿山机械集团公司开发出的新一代破碎机,3 ,有500、 625、750、1000、1300和1500共6个系列每个系列,有短箱型、标准箱型和长箱型3种不同工作长度,以满足不同处理能力的要求。每一种规格又配有不同类型的齿型、齿帽,以适应不同破碎产品粒度的要求。该机的工作原理是依靠冲击剪切和冲击拉伸的作用,使剪切力沿着物料的薄弱易碎部位产生巨大破碎力使其破碎。物料在两个破碎齿之间以及与侧壁的梳齿板之间,排出产品在破碎后受此间隙控制,不会产生过大颗粒,在给料中已含有合格粒度的物料很快排出,不受破碎作用,有较好的粒度控制和筛分作用,产品粒度均匀。因此该机又称“筛分破碎机”,主要用于粗破碎和第二段破碎作业。现已有多台MMD型破碎机在我国的煤矿和选煤厂使用。其特点是: 高度小结构紧凑; 特殊的轮齿结构使其适用于干矿湿矿泥矿和粘矿; 碎后产品粒度均匀没有过大颗粒过粉碎的产品少; 处理量大最大可达14 000t/h 破碎强度高可破碎抗压强度达300MPa的物料; 采用液力耦合器和电控双重过载保护当过载或遇到难碎物料时破碎机停止转动破碎辊反转排出难碎物料; 维护维修简便。 1.3.1工作原理 两个破碎辊在传动装置的驱动下相向转动,固定辊支撑在固定轴承座上,移动辊支撑在移动轴承座,安全装置(弹簧保护装置)顶住移动轴承座,并用定位垫块调节两辊间隙,其最小距离也称排料口宽度,用于控制破碎块产品粒度。物料自两辊上方的上料口加入,在辊与物料间的摩擦力作用下,物料被带入两辊之间,受挤压破碎后自下部排除,破碎后的粒度一般在60~120mm内,见图1.3所示。 1.固定辊2.固定轴承3.移动轴承 4.移动辊5.定位垫块6.安全装置 图1.3齿辊破碎机工作原理示意图 1.3.2双齿辊破碎机存在的问题 改造前,该设备破碎烧结块时容易产生过粉碎现象,工作齿尖容易磨损,齿板使用寿命短。一些细小物料和粉尘从罩体与辊子主轴间的密封处泄漏到罩体外面,污染环境。因此,为提高工作效率,应减少工作齿磨损和破碎过程中的过粉现象,降低粉尘污染,解决机架滑道润滑效果差等问题。 1.3.3改进措施 传统式破碎机机架多采用铸钢制造,铸造工艺复杂,且易出现铸造缺陷,影响机架强度,单件生产产品效率低,成本高,铸钢机架十分笨重。改进后的机架采用计算机优化设计后,用钢板、型钢焊接而成,制造方便。通过结构优化的机架重量轻、强度高,结构紧凑、安全可靠、美观大方,单件生产成本较铸钢件大大降低,但焊缝质量要求高。 传统式机架在滑道上开有纵横油槽,润滑脂通过油孔进入油槽,在滑道与移动轴承座之间形成一层润滑油膜,使移动辊轴承座在滑道上滑动灵活。但由于破碎机工作环境十分恶劣,环境温度高,灰尘大,滑道上的润滑脂混杂大量灰尘,造成滑道表面磨损严重,润滑效果降低;另外由于环境温度高、灰尘大,滑道上油槽内的油脂容易干结,堵塞进油孔,滑道上的润滑脂得不到及时补充,不能有效的形成润滑油膜,起不到润滑效果,导致移动辊轴承座在滑道上滑动不灵活甚至被卡死,破碎过硬物时移动辊不能及时被推开,破碎无法顺利通过,有时被硬物卡住,造成设备损坏,甚至生产工段停产。改进后在机架滑道上镶嵌2块镍钛合金板(可用黄铜板或不锈钢板替代镍钛合金板),并在移动轴承座与滑道接触面镶嵌2块聚四氟乙烯板并磨光表面,见图所示。另在移动辊轴承座两侧设有滑道防尘刮板装置,这种结构不必在滑道上开设纵横油槽,使用时不需要经常补充润滑油脂,只需大修时在滑道上抹上一层即可。而罩体密封形式的改进,减少物料粉尘的污染,有利于滑道润滑,保证了移动轴、承座在滑道上滑动灵活,破碎较硬异物时能顺利通过,过载时可起保护作用。 图1.4机架滑道的改进 (a)改进前 (b)改进后 图1.5 1.3.4本设计的主要内容 本设计的主要内容是设计自动退让式双齿辊破碎机,我所做的主要工作有: 1.首先根据所给参数确定破碎机的工艺参数和整体参数,然后确定总体传动方案; 2.进行传动系统的设计计算,包括电动机功率的确定及型号的选择,减速器的设计,联轴器的选择等; 3.结构件的设计计算,包括齿轮箱的设计,破碎齿辊的设计,退让装置的设计计算等。 齿辊破碎机是一种传统的破碎机,技术上相对比较成熟,但还是存在一些问题,比如容易产生过粉碎现象,工作齿尖易磨损,齿板使用寿命短。所以在参考传统齿辊破碎机的基础上,我也尝试着对传统破碎机的缺点和不足之处做了一些改进,比如,改变破碎辊的结构型式和齿牙形状,延长其使用寿命,在破碎机罩体与辊子主轴之间使用迷宫密封,降低粉尘污染。 2 总体设计 2.1方案设计 方案一: 图2.1方案一结构示意图 此方案采用两个同型号的三向异步电机分别带动两个辊子转动,这种设计方案破碎效果很好,但造价相当昂贵,且在不需要调动破碎粒度的时候不需要采用两个动力源。本课题设计的破碎机为矿用,需尽量体积小;而且此方案还有同步率的问题,故舍弃此方案。 方案二: 图2.2方案二结构示意图 此方案使用的是一台三向异步电动机通过带传动带动单级减速器,减速器大齿轮带动主动辊子转动,在主动辊子的另一端装有和从动辊子完全相同的齿轮只起到传动的作用,即一对同步齿轮。两辊子同速相向转动完成破碎任务。这种方案可以完成破碎,且具有噪声小,平稳性好,结构简单,高效率且整机占地空间小,适合矿用,故选用此方案。 2.2工作参数的确定 2.2.1破碎机的技术参数 型号:2PGC450×500 给料粒度:≤200mm 出料粒度:≤50mm 生产能力:20t/h 破碎物料为煤,其线)辊子中心距的确定 辊子直径与给料粒度、排料口宽度、物料与辊面之间的摩擦系数,以及齿面类型等因素有关,对于光面辊子,其理论公式可以推到如下: 辊子直径与给料粒度之间的关系,主要取决于钳角与摩擦角。或摩擦系数之间的关系(见图2.3)。设给料为球形,通过物料与辊子的接触点作切线,两条切线之间出夹角为(钳角),辊子在物料上的正压力为以及由它所引起的摩擦力。而料块的重量较之作用力小得多,故可忽略不计。 图2.3 辊式破碎机的钳角 将和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: 或 式中为摩擦角,通常≈,≈ 由直角三角形关系可得出: 由于,可以忽略,则为 以代入,得出 由上可知,光面双辊式破碎机的辊子直径约等于最大给料粒度的20倍。所以这种破碎机只能作为中、细碎设备。对与黏湿物料,f=0.45,则D≈10D0。但是,齿辊破碎机的D/D0比值比光辊式破碎机要小,齿形D/D0=2~6,槽形的D/D0 =10~12。故齿辊破碎机可以对石灰石或煤进行粗碎。 齿辊破碎机的齿为两辊之间相互交叉,且根据其他产品的实践经验,由出料粒度确定齿辊间中心距。 (2)给料粒度和辊子直径 辊子直径D与给料粒度d有关,它们之间的关系,决定于安装破碎齿的齿圈与被破碎物料之间的摩擦系数的大小。一般来说,齿面或槽面辊式破碎机转子直径和给料粒度的比值为2~6。本设计的破碎机型号为2PGC450×500,故取辊子直径D=450mm,辊子长度为L=500mm。 (3)辊子转速 辊子最适合的转速与辊圈表面特征,被破碎物料的硬度和尺寸大小有关,一般都是根据经验公式决定的。它要保证机器有最大的生产率,功率消耗又要少,同时还要考虑滚圈的磨损不能太快。通常,被破碎物料的粒度越大,辊子转速应越低;当破碎软的或脆的物料时,转速应高些。物理性质和给料粒度等因素有关。一般当辊子的圆周速度较快时取v=2.8-4.7m/s,圆周速度较慢时取v=1.2-1.9m/s。本设计中破碎的物料为煤,且含有一定量的煤矸石,属于中等硬度,取辊子的转速为54r/min。 (4)生产能力 式中 D——辊子直径, 450mm L——辊子长度, 500mm e——排料口宽度, 100mm n——辊子转速,54r/min ——物料密度,煤取1.35t/; ——物料松散系数,对于干硬物料,=0.15~0.27,煤取=0.24 代入设计参数有t/h (5)电动机功率计算及其选型 在选择过程中要考虑的问题有: 1)根据机械的负载性质和生产工艺,要求电动机的起动、制动、在齿辊卡住的时候要求反转。 2)根据使用场所的环境条件,如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式,选择电动机的结构形式。 3)根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求,考虑电动机的温升限制、过载能力和起动转矩,选择电动机功率,并确定冷却通风方式。所选电机应留有余量,负荷率一般取。过大的备用功率会使电机效率降低,对于感应电动机,其功率因数将变坏,并使按电动机最大转矩校验强度的机械造价提高。 4)根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求,确定电动机的电压等级和类型。 5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能要求,以及机械减速器机构的复杂程度,选择电动机的额定转速。 除此之外,选择电机还必须负荷节能要求,考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易,以及产品的价格、建设费用、运行和维修费用和生产过程中前后期电动机功率的变化关系等各种因素。 式中 D——辊子直径, 0.45m; L——辊子长度, 0.5m; n——辊子转速,54r/min K——系数,破碎煤时,K=0.85 则可以得到电动机功率:KW,由于电机的计算功率KW,所以选取Y180L-8型电机,其转速为r/min,额定功率为KW。 2.3传动和减速系统的确定 电机转速730r/min,初定破碎辊转速为54r/min。减速系统通过两级减速,第一级皮带传动,然后由大皮带轮将动力传递给一个单级齿轮减速箱,减速器的输出轴将动力传递给破碎辊,实现破碎辊的破碎运动,此种方案用经济实用的方式实现了减速目的。主要优点有: 第一,结构简单,故障点少; 第二,第一级皮带传动为柔性连接,大皮带轮又具有一定的储能作用,对破碎过程中的受力不均衡现象起到了很好的平衡作用; 第三,在大皮带轮上设有安全可靠的过载保护装置,使设备的自身化程度大为增加。详细设计按机械设计手册的有关设计规范进行。 2.3.1总传动比及传动比分配 (1) 总传动比 已知电动机转数n及工作齿辊的转速n?,则总传动比等于 (2) 传动比分配 总传动比等于各级传动比的连乘积,传动比的分配要合理,总体上说要使传动系统结构紧凑,重量轻,成本低,润滑条件也好。对本破碎机来说,总共有两级传动,包括一级带传动和单级圆柱齿轮传动,其中带传动的传动比应控制在2~5以内。从尺寸和机构上考虑,带传动的传动比取,减速器的传动比取 。 2.3.2传动装置的运动参数的计算 设电动机轴为第Ⅰ轴,从减速器的高速轴Ⅱ轴,低速轴为Ⅲ轴,主动齿辊轴为Ⅳ轴,从动齿辊轴为第Ⅴ轴。 (1)各轴转速计算 第Ⅱ轴转速 r/min 第Ⅲ轴转速 r/min 由于主动齿辊和从动齿辊通过一个专用的传动比为1的齿轮箱传递扭矩,故有第Ⅳ轴、第Ⅴ轴转速 r/min (2)各轴功率计算 第Ⅱ轴功率 KW 第Ⅲ轴功率 KW 第Ⅳ轴功率 KW 第Ⅴ轴功率 KW 式中, —带传动的传动效率 —联轴器的传动效率 —滚动轴承的传动效率 —圆柱齿轮传动的效率 (3)各轴扭矩的计算 第Ⅱ轴扭矩 N·m 第Ⅲ轴扭矩 N·m 第Ⅳ轴扭矩 N·m 第Ⅴ轴扭矩 N·m 3 传动系统设计计算 3.1 带传动设计计算 已知:双齿辊破碎机的V带传动装置,原动机为Y型异步电动机,功率P=11kW,转速r/min,传动比,工作中有强烈冲击,预计寿命5年。 确定计算功率 根据工作情况,查工况系数 则有计算功率KW 2)选择V带带型 由及查得选用B型V带 3)初选小带轮基准直径并验算带速v 由教材表格初选小带轮基准直径mm 带速m/s 因为m/s,故带速合适。取小带轮基准直径mm 4)计算大带轮的基准直径 mm 查表圆整为mm 5) 确定V带中心距a和基准长度 由,将数据代入有 ,取mm 带所需基准长度 ,将数据代入有 ,查表选带的基准长度mm 计算实际中心距,带入数据有mm 中心距变动范围, 将数据代入有mm,mm 故中心距变动范围 6)验算小带轮上包角 ,将数据代入有 7)计算带的根数z 由r/min,查得KW 根据r/min,,B型带,查得KW 线性插值查表得,于是 ,带入数据有kW V带根数,取5根 8)计算V带初拉力最小值 B型带单位长度质量kg/m,所以 ,带入数据有N 应使带实际初拉力 9)计算压轴力 压轴力最小值,带入数据得 N 3.2减速器设计 已知:原动机为电动机,高速齿轮传递功率kW,小齿轮转速r/min,传动比,工作时有较大冲击,每天工作8小时,每年300天,预期寿命5年。 3.2.1齿轮传动设计 1.选用直齿圆柱齿轮传动 大、小齿轮均选用(渗碳后淬火),选用8级精度,选取小齿轮齿 数,则大齿轮齿数 2.按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算,即 (1)确定公式内各计算数值 1)初选载荷系数 2)计算小齿轮传递的转矩 ,将数据代入有N·mm 3)选取齿宽系数 4)查得材料的弹性影响系数 5)按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限MPa 6)计算应力循环次数 7)查图取接触疲劳寿命系数 8) 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为,安全系数,有 MPa MPa (2)计算 1)试算小齿轮分度圆直径,代入中较小值 带入数据有mm 2)计算圆周速度v 带入数据有m/s 3) 计算齿宽b mm 4)计算齿宽和齿高之比 模数 齿高 则 5)计算载荷系数 根据,8级精度,查图得动载系数,直齿轮有 ;查得使用系数用插值法查8级精度、小齿轮相对支撑对称布置时;由,查图得 故载荷系数 6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 mm 7)计算模数 3.按齿根弯曲强度设计 弯曲强度设计公式为 (1)确定公式内各计算数值 1) 查得大、小齿轮弯曲疲劳强度极限MPa 2)查图取弯曲疲劳系数 3) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 MPa MPa 4) 计算载荷系数 5) 查取齿形系数 6) 查取应力校正系数 7)计算大、小齿轮的并比较 小齿轮数值大 (2)设计计算 因为破碎机两齿辊中心距为580mm,取 4. 几何尺寸计算 (1)计算分度圆直径 mm mm (2)计算中心距 mm (3)计算齿轮宽度 mm 取mm 3.2.2轴结构设计 1.输入轴设计 1)计算作用在齿轮上的力 转矩,输入轴上齿轮分度圆直径mm 圆周力N 径向力N 轴向力 2)初步估计轴径 轴的材料选用45钢,热处理为调质回火,取 计算轴的最小直径mm 3)确定各轴段长度 图3.1 减速器输入轴简图 左起为第一段 ①第一段与大带轮通过键连接,取mm,mm ②第二段定位带轮,取mm,因为带轮无法装在底架上,而减速器都是装在底架上的,故将减速器输入轴加长,使其伸出底架能够与大带轮连接,取mm ③第三段为与轴承相配合的轴段,取mm,初选圆锥滚子轴承30219,其 宽度mm,齿轮与箱体内壁间隙取mm,油润滑mm,有 mm ④第四段是与齿轮相配合的轴段,取mm,小齿轮宽度mm,则 mm ⑤第五段齿轮定位,取mm,mm ⑥第六段与轴承配合,mm,mm 4)输入轴校核 ①两轴承支点距离 mm ②大带轮对称线到离其最近的轴承支点距离 mm ③齿轮到第六段所在轴承支点距离 mm ④计算支反力 水平面H:N N 垂直面V:N N ⑤计算弯矩 水平面H,齿宽中心处:N·mm 垂直面V,轴承处:N·mm 齿宽中心处:N·mm 最大弯矩在轴承1处, 当量弯矩N·mm,其中 MPaMPa,故合格。 图3.2输入轴强度校核弯矩图 2.输出轴设计 1)计算作用在齿轮上的力 转矩N·m,输入轴上齿轮分度圆直径mm,由牛顿第三定律有 圆周力N 径向力N 轴向力 2)初步估计轴径 轴的材料选用45钢,热处理为调质回火,取 计算轴的最小直径mm 3)确定各轴段长度 图3.3输出轴结构简图 左起为第一段 ①第一段通过联轴器与齿辊轴相连,即第一段与半联轴器连接。联轴器计算转矩N·m,查手册选取HL6型弹性柱销联轴器,其许用转矩为3120N·m,孔径70mm,长度142mm,毂孔长度107mm。取mm,轴段长度应比毂孔长度小1~4mm,取mm。 ②第二段装端盖,取mm,mm。 ③第三段与轴承相配合,取mm,初选圆锥滚子轴承30217,轴承宽度B=29mm,则mm。 ④第四段与大齿轮配合,mm,mm。 ⑤第五段定位大齿轮,取mm,mm。 ⑥第六段与轴承配合,取mm,mm。 4)输出轴校核 ①齿宽中心点到离联轴器较近的轴承支点距离 mm ②齿宽中心到离联轴器较远的轴承支点距离 mm ③计算支反力 水平面H:N N 垂直面V:N N ④计算弯矩 齿宽中心处: 水平面H:N·mm 垂直面V: N·mm 合成弯矩:N·mm 当量弯矩:N·mm MPaMPa,故合格。 图3.4输出轴强度校核弯矩图 3.2.3轴承校核 ①输入轴轴承 轴承型号初选为圆锥滚子轴承30219,正装,kN,,, 1)计算轴承支反力 由之前计算可知 水平支反力:N,N 垂直支反力:N,N 合成支反力:N,N 2)计算派生轴向力 N,N 3)计算轴向载荷 因为轴向力,,轴有向右运动趋势即右边轴承压紧,故轴向载荷, 4)计算当量动载荷 因为 查表得径向载荷系数和轴向载荷系数为 对轴承1: 对轴承2: 因轴承运转过程中有强大冲击,查表取,则当量动载荷 N N 5)验算轴承寿命 因为,所以按轴承1的受力大小验算 故所选轴承满足寿命要求。 ②输出轴轴承 轴承型号初选为圆锥滚子轴承30217,正装,kN,,, 1)计算轴承支反力 由之前计算可知 水平支反力:N,N 垂直支反力:N,N 合成支反力:N,N 2)计算派生轴向力 N;N 3)计算轴向载荷 因为轴向力,,轴有向左运动趋势即左轴承压紧,故轴向载荷 4)计算当量动载荷 因为 查表得径向载荷系数和轴向载荷系数为 对轴承1: 对轴承2: 因轴承运转过程中有强大冲击,查表取,则当量动载荷 N N 5)验算轴承寿命 因为,所以按轴承2的受力大小验算 故所选轴承满足寿命要求。 3.2.4键的选择与校核 键的设计,由轴径,查标准得到键的截面尺寸;由轮毂宽度及轴段长度选择合适的键长;验算键的强度MPa。 1)输入轴 第一轴段与大带轮连接,采用单圆头普通平键C型,该种键用于轴端与毂类零件连接。查标准取 第四段与小齿轮配合,采用普通平键A型。查标准取 2)输出轴 第一段与半联轴器相连,采用普通平键A型。查标准取 第四段与大齿轮相连采用普通平键A型。查标准取 经验算,键的强度满足要求。 3.2.3减速器铸造箱体的主要结构尺寸设计 根据《机械设计课程设计》14页表3-1经验公式,列出下表: 名称 代号 尺寸计算 结果(mm) 底座壁厚 0.025a+1≥7.5 12 箱盖壁厚 (0.8~0.85) ≥8 12 底座上部凸缘厚度 h0 (1.5~1.75) 18 箱盖凸缘厚度 h1 (1.5~1.75) 18 底座下部凸缘厚度 h2 (2.25~2.75) 30 底座加强肋厚度 e (0.8~1) 10 底盖加强肋厚度 e1 (0.8~0.85) 10 地脚螺栓直径 d 2 28 地脚螺栓数目 n 6 轴承座联接螺栓直径 d2 0.75d 20 箱座与箱盖联接螺栓直径 d3 (0.5~0.6)d 14 轴承盖固定螺钉直径 d4 (0.4~0.5)d 12 视孔盖固定螺钉直径 d5 (0.3~0.4)d 10 轴承盖螺钉分布圆直径 D1 125,140 轴承座凸缘端面直径 D2 140,155 螺栓孔凸缘的配置尺寸 c1\c2\D0 表3-2 15, 13, 20 地脚螺栓孔凸缘的配置尺寸 c’1\c’2\D’0 表3-3 25,23,45 箱体内壁与齿轮距离 △ ≥1.2 23 箱体内壁与齿轮端面距离 △1 ≥ 23 底座深度 H 0.5da+(30~50) 384 外箱壁至轴承座端面距离 l1 c1+c2+(5~10) 33 3.3同步齿轮设计 1.选用直齿圆柱齿轮传动 两齿轮均选用(表面淬火),选用8级精度,开式结构,r/min, 因为两齿辊中心距为mm,同步齿轮是传动比为1,完全相同的两齿轮传动,有齿轮的分度圆直径mm,初选模数, 2.按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算,即 (1)确定公式内各计算数值 1)初选载荷系数 2)计算小齿轮传递的转矩 N·mm 3)选取齿宽系数 4)查得材料的弹性影响系数 5)按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限MPa 6)计算应力循环次数 7)查图取接触疲劳寿命系数 8) 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为,安全系数,有 MPa (2)计算 1)试算小齿轮分度圆直径,代入中较小值 带入数据有mm 2)计算圆周速度v 带入数据有m/s 3) 计算齿宽b mm 4)计算齿宽和齿高之比 模数 齿高 则 26 5)计算载荷系数 根据m/s,8级精度,查图得动载系数,直齿轮有 ;查得使用系数用插值法查8级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时;由,查图得 故载荷系数 6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 mm 7)计算模数 3.按齿根弯曲强度设计 弯曲强度设计公式为 (1)确定公式内各计算数值 1) 查得大、小齿轮弯曲疲劳强度极限MPa 2)查图取弯曲疲劳系数 3) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 MPa MPa 4) 计算载荷系数 5) 查取齿形系数 6) 查取应力校正系数 7)计算大、小齿轮的并比较 (2)设计计算 故,初选可以。 4. 几何尺寸计算 mm 取mm 5.齿轮的加工工艺 由于该齿轮为重载负荷,齿轮毛坯采用铸造工艺生产,由采购的40Cr材料熔化,采用金属模机械砂型铸造生产,这样可以是强度达到要求,又可以节省材料,毛坯生产完成后,进行毛坯预处理,关键是热处理采用正火,消除毛坯内应力改善切削加工性能。 毛坯制造完成后,由于毛坯形状不是很复杂,所以毛坯两端面不用加工即可,先用粗车车毛坯外圆和内孔,再细车内圆与轴接触面,使其表面粗糙度为1.6,再用铣床铣键槽,这样齿轮的安装孔就加工完成。 齿面的加工采用展成法滚齿,贵州快3,由于齿轮模数大于8,则可分三次切除全齿深,第一次切深为1.4~1.6,第二次切至留精切余量0.5~1,第三次切至全齿深,这样齿面的加工就完成了。 由于工作机需求,该齿轮为硬齿面齿轮,加工齿面结束后再对齿轮进行表面淬火工艺,使其齿面硬度达到要求。表面淬火完成后,齿轮就加工成成品可以装配到工作机了。 3.4破碎齿辊箱设计 3.4.1齿辊的结构的设计即破碎齿盘设计 对于双齿辊破碎机来说最重要的部件莫过于它的破碎齿盘。因为破碎齿盘是齿辊破碎机的主要破碎部件,所以设计者在设计时重点考虑了这部分国内现在的破碎辊齿主要有以下三种: 第一种双齿辊破碎机辊子表面工作齿的齿形采用棱锥体齿,其1个辊齿上的棱边成凸形圆槽,与辊子外表面成同心圆。为了得到接近立方体的破碎物料,辊的表面采用等间距矩形点阵排列的布局,另1个辊子的1个辊齿正对棱形的中心,1个辊的辊齿顶到另1个辊子表面的距离及两齿之间的间距大约就是产物的最大粒度,如图3.5所示。 图3.5棱锥体齿齿辊 第二种是双齿辊破碎机辊子表面工作齿的齿形采用楞锥体齿,其齿型如图所示,每4个辊齿嵌在1个齿套上,齿套通过螺钉固定在轮毂上,轮毂是正方形,在辊齿切割物连料的部位用螺钉安装用合金制成的刀片,辊齿成螺旋型布置。打破了老式破碎机采用辊齿与对辊辊面啮合破碎的方式,而是采用一系列的破碎齿通过键与轴连接成螺旋状,利用齿与齿的对辊破碎物料。 第三种是双齿辊破碎机的辊齿齿型和布置方式与方案二的相同,不同之处是每个齿辊由芯轴和破碎齿组成。破碎齿通过键与芯轴连接,通过改变破碎齿上的键槽角度来实现破碎齿在芯轴上的螺旋式排列,如图3.6所示。 图3.6螺旋式排列辊齿 破碎齿为双齿辊破碎机主要工作部件,也是主要易损部件,根据破碎的物料的类别,生产能力和入料,出料粒度不同,则齿的形状,紧固方式,齿高等参数均要求不同。 辊齿的型式有如下几种:鹰嘴式、标枪式、刀刃式和矩形带式。如图3.7所示。粗碎时大部分采用鹰嘴式,齿的高度为70-110mm。长、短齿配合使用,长齿用以破碎特大块,大块进入内腔后,再用短齿进一步破碎,单齿辊破碎机的破碎过程基本上是这样进行的。中碎时鹰嘴式和标枪式都可使用,齿的高度最低为40mm。刀刃式用的不多。矩形带式主要是用在四齿辊破碎机的第二段上。 图3.7辊齿的几种基本型式 目前,国产单齿辊和双齿辊破碎机的破碎齿多采用鹰嘴式。鹰嘴形齿的齿高一般为60~80 mm。但由于鹰嘴齿前部较尖,破碎过程中产生的破碎力常集中于某一点,使作用在破碎物料某部位的破碎力过大,产生过粉碎现象(一般产品产品粒度小于50~35 mm称为过粉碎),使产品合格率降低10% ~15% ;且鹰嘴齿前部较尖部分很容易磨损,降低齿板使用寿命短,并引起两辊间的间距不均匀,造成破碎块度不均匀,大大降低设备生产效率。严重磨损的齿板需要更换(使用寿命3~6月),增加维修工作量,对生产产生不利影响。 本设计属于中碎,所以我选取一种新型的齿,长方棱锥体齿,如图所示。这种齿的齿高一般为60 mm。所产生的破碎力作用较为均匀,过粉碎现象明显减少,破碎效率显著提高。该棱锥体齿前部受力位置面积增大,不易被磨损。且齿材料采用耐磨性强的特殊高锰钢,在铸造时加入适量的Cr、V等合金元素,其化学成分:C1.0% ~ 1.35% ,Si 0.8% ,M n 11% ~ 14% ,P0.07% ,S0.04% ,Cr 2% ~ 3% ,V 0.4% ~ 0.7% 。这种高锰钢经特殊热处理工艺后,使齿在高温工作条件下有较强的耐磨性,而且破碎齿的顶部堆焊有耐磨材料并可在使用过程中随时进行堆焊修复明显延长了辊子齿板的使用寿命(使用寿命约9~12个月)。 3.4.2齿辊切向力计算 为了进行齿辊切向力受力分析,确定下列分析条件: (1)将最大粒度物料视为一个球体; (2)最大粒度物料进入破碎腔后无滚动现象; (3)物料属于弹性或脆性物质,破碎粒度要求为出碎或中碎,适合用第二破碎理论分析。 如图3.8所示,为单组齿辊切向力;为物料所受齿辊切向力的切向分力;为物料所受齿辊切向力的径向分力;为物料所受另一个齿辊的正压力;为物料受另一个齿辊正压力时所产生的摩擦力;为和两力夹角;为与的夹角,为齿辊的轴心,为物料的中心;为与的夹角;为齿辊与物料的啮合角;为齿辊半径;为两齿辊的轴心距;为物料半径;为吃高。 图3.8 齿辊切向力分析示意图 根据上述参数,可以导出的关系式: 由此可以确定与与的函数关系: = = 根据齿辊切向力分析条件(2)的设定,物料在进入破碎腔后无滚动现象,则: == 式中:为物料与侧壁的摩擦系数。 = 在和两力作用下,物料沿半径缩小,则两个力所做的功为: =+ 根据第二破碎理论,所需的功耗与破碎物料的体积或重量成正比,即: = 式中:为物料破碎挤压强度;为物料的弹性模量;为物料球体体积。则: = = 当趋近于0时,根据式可以推导出得关系式: = = 根据上述系列公式,可以求得单组齿辊的切向力,依据齿辊的排列布置就可以求出整个齿辊的总切向力。 本设计结合设计参数mm,mm,mm,mm,,=2×;。通过带如计算,求得单组齿辊最大切向力为: =3382 由于齿辊破碎齿的排列有两组是相同的,所以整个齿辊有可能在两处同时存在最大切向力,因此,总切向力是单组齿受力的两倍,即: =2=6764 3.4.3齿辊轴设计 1、主动辊轴设计 (1)初步估计轴径 由于该轴的跨距较大,且有工作载荷和较强的冲击强度影响,在材料上根据手册选取钢作为轴的材料,处理;取 有mm。 (2)确定轴的结构方案 左轴承从轴的左端装入,靠轴肩定位从轴的端装入,齿环左端面靠轴肩轴向定位,用键进行径向定位,中间的齿环之间相互定位,右端齿环右面有螺母定位,再在右端装入右端套筒密封档环和右轴承,靠轴肩定位;半联轴器靠轴肩定位。且轴承两端均采用端盖进行定位和密封 图3.9主动齿辊轴 ①该段为同步齿轮安装段,传递转矩到主动辊,根据结构方案以及加工需要可确定轴径mm,长度为同步齿轮的宽度mm ②该段安装轴承,且要为齿轮做轴肩,估选轴承为30219型号圆锥滚子轴承,根据轴承的宽度,且在左端要留安装密封透盖的位置,右端安装密封紧定套的位置,取mm,根据结构可确定该段轴径长度mm ③该段为轴肩,根据整机装配空间确定轴径mm,长度为mm ④该段为齿辊座做轴肩,轴径为mm,长度mm ⑤该段安装齿辊座,轴径为mm,长度mm ⑥该段安装紧定螺母,轴径为mm,长度mm ⑦该段与②段作用一样,轴径为mm,长度mm ⑧该段与减速器输出轴通过联轴器相连,即该段与半联轴器配合,取 mm,mm 轴的校核略。 2、从动辊轴设计 (1)初步估计轴径 由于该轴的跨距较大,且有工作载荷和较强的冲击强度影响,在材料上根据手册选取钢作为轴的材料,处理;取 有mm。 (2)确定轴的结构方案 左轴承从轴的左端装入,靠轴肩定位从轴的端装入,齿环左端面靠轴肩轴向定位,用键进行径向定位,中间的齿环之间相互定位,右端齿环右面有螺母定位,再在右端装入右端套筒密封档环和右轴承,靠轴肩定位且轴承两端均采用端盖进行定位和密封。 确定各轴段直径和长度 由于根据整机设计和生产加工的需求各段轴径可根据主动辊进行确定: ①该段为同步齿轮安装段,传递转矩到从动辊,根据结构方案以及加工需要可确定轴径mm,长度为同步齿轮的宽度mm。 ②该段安装轴承,且要为齿轮做轴肩,估选轴承为30219型号圆锥滚子轴承,,根据轴承的宽度,且在左端要留安装密封透盖得位置,右端安装密封紧定套的位置,根据结构可确定该段轴径mm,长度mm。 ③该段安装紧定螺母,轴径为mm,长度mm ④该段安装齿环,轴径为mm,长度mm ⑤该段为齿环做轴肩,轴径为mm,长度mm ⑥该段为轴肩,根据整机装配空间确定轴径mm,长度为mm ⑦该段与②段作用一样,轴径为mm,长度mm 轴的校核略。 3.5调整与保险装置 辊式破碎机为了得到不同粒度的产品,其排料口大小必须是可调整的。为了防止破碎机过铁损坏,又必须装有保险装置,双辊破碎机活动辊轴承是借助弹簧压力支撑,在正常工作状态下,弹簧力足以克服破碎物料所要的破碎力。机架与活动轴承之间安放不同厚度的垫片,改变垫片的数目就可以调整两辊间的排料口宽度来满足不同产品粒度的要求,当有不能破碎物料进入破碎腔,则弹簧被压缩,活动辊退让排料口增大,物料排出后,在弹簧压力下,活动辊复位,这就是机械式排料口调整与过载保护装置。 结论 破碎作业是当代飞速发展的工业矿物加工领域中一个非常重要的环节。煤矿是破碎机应用最广泛的行业,所有的煤矿、选煤厂的原煤都必须经过破碎作业才能进行下一道工序。随着采煤机械化、自动化程度的提高和新的选煤工艺方法的出现,对破碎机的技术和破碎工艺也提出更高的的要求。本文通过理论计算,并结合工业生产实际和工作经验实践,对双齿辊破碎机的国内外发展现装、破碎理论、工艺参数的确定、传动部件的设计等进行编写。总结本文前几章,可以得出以下结论: 1.破碎是一个复杂的加工过程,影响破碎效果因素较多,在设计时首先抓主要问题。本设计从加工物料的要求和生产能力出发,设计出比现有同类产品更节能且经济的齿辊破碎机。 2.通过对破碎理论的了解和齿辊破碎机的工作原理的掌握,得出双齿辊破碎机的设计要点,根据第三破碎理论对齿辊破碎机的功耗进行计算,传动方案主要由驱动电机、减速系统、及工作机组成。 3.通过对破碎机关键部件齿形的设计,了解到多种材料的性能,高锰钢虽然耐磨性能较好,但有难加工的特点,故需要加工的耐磨件可以采用进入合金调质等。 4.在齿辊轴的设计上,齿环与轴的连接方案的可靠性是重中之重,本设计中根据经验采用普通平键连接,经校核是可靠的。 5.破碎机辊子的转速直接影响着破碎机的生产能力,故减速系统的可靠性也是很必要的,本文中设计了一台可传递高转矩的二级减速器,以满足破碎机生产的需求。减速器传递的转矩越大,则对传动件的要求就越高,故在齿轮都为硬齿面,轴在材料上也根据设计准则选择了40Cr,以达到要求。 参考文献 [1] 许文.新编破碎粉磨与筛分机械选型设计实用全书.北京:北方工业出版社 2006,75-136 [2] 范祖尧.非标准机械设备设计手册 [3] 程志红.机械设计.南京:东南大学出版社,2006 [4] 王洪欣.机械原理.南京:东南大学出版社,2005 [5] 成大先 机械设计手册 北京:化学工业出版社,2004 [6] 刘鸿文.简明材料力学.北京:高等教育出版社,1997 [7] 甘永立 几何量公差与检测 上海:上海科学技术出版社,2005 [8] 画法几何及机械制图 徐州:中国矿业大学出版社,2007 [9] 高澜庆 破碎机的发展现状与趋势 冶金设备 2001,128:13-16 [10] 李鹤一.双齿辊破碎机的设计. 矿山机械.2002,7:41-42 [11] 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Townhill.Rewston,P.&Hamis,A.,The relationship between Rock Impact Hardness Numberfand tensile strength.Leeds University Mining Association Journal(1988). 英文原文 TECHNICAL NOTE SOME FACTORS WHICH AFFECT THE GENERATION OF FLAKY PARTICLES BY A CONE CRUSHER A.C.APLING and N.B.BARRETTT §Department of Mining and Mineral Engineering,University of Leeds,Leeds LS2 9JT,UK Lindley Plant,Heage,Derbyshire,UK (Received 6 October 1995,accepted 15 March 1996) ABSTRACT The products from a series of pilot scale tests have been analysed for size and flakiness to evaluate some of the factors affecting the generation of flaky material in a cone crusher.Two different feed sources characterised in terms of resistance to crushing and tensile failure were used to evaluate the influence of crusher set.feed rate and of material type on the resultant product character. Keywords Industrial minerals;crushing;particle morphology;comminution INTRODUCTION Aggregate producers must meet both size and shape specifications.The BS Flakiness Index F.I.= Mass flaky material in range×100 / Total mass material in range (1) avoids a rigorous definition of particle shape by simply assigning particles according to their ability to pass a special slotted gauge. The shape of crushed product depends on the material characteristics and the comminution method.Early work concluded that impact machines give the least and cone crushers the most flaky product and low reduction ratios favour the production of non—flaky product【2】.Cone crushers have much lower running costs particularly for harder abrasive materials and are in widespread use in the aggregate industry. THE PROGRAMME OF WORK Work has been undertaken with the Objective of evaluating the effects of feed rate and crusher setting on the generation of flaky material by a cone crusher from two different natural materials.Two feed rates and five crusher sets covering the range of the machine were used.The lower feed rate ensured free crushing,with particles crushed independently and loaded directly by the crusher faces.A higher level allowed material build up in the crusher feed cavity giving choked conditions where loading is achieved through a particle bed. THE MATERIALS The two feed materials were of similar size.The first contained two major rock types;carboniferous limestone 77%,and millstone grit(gritstone),23%(Redland Aggregates,Masham,North Yorkshire),the second also contained two major rocks;a metamorphic type known locally as ‘granite’,88%and ‘shale’,12%(Tarmac,Cliff Hill Quarry,Leicestershire). Particle characterisation Flakiness Index【1】determination was undertaken for all materials larger than 4.0 mm.For smaller sizes,a microscope was used to distinguish flaky particles and the index determined from the weights of the two categories.A conversion factor was established between the methods.Size analysis of all materials was determined by standard sieve analysis. Crushability The simpler Rock Impact Hardness Number (RIHN)【3】was used rather than the recommended aggregate strength tests【4】which require extensive laboratory apparatus.Its linear relationship with tensile strength 【5】,suggests a good correlation with generation of particles by cleavage,an important mechanism in the generation of flaky particles 【6】.The Crushability Work Index(CWI)【7】was determined for comparison.Both Cliff Hill species were substantially harder than those from Masham. THE PILOT SCALE TESTS Tests were conducted using a Standard Symons 2-foot Cone Crusher fitted with a fine bowl having a feed opening of 57.2 thin.and recommended minimum discharge setting of 6.4 mm,【8】.Products and feed for each of twenty tests were analysed for size and shape. DISCUSSION F RESULTS Full analytical results,presented elsewhere【9】,allow the characterisation of the products in terms of 1) the mass fraction in each size fraction 2) the flakiness index of each fraction 3) the flakiness index of the total product 4) the distribution of flaky and non—flaky material by size and permitted the identification of conditions favourable for the generation of non—flaky material. Factors affecting size distribution of product The Masham product was generally finer than that from the harder Cliff Hill material due,in part,to its crushing behaviour.Only the Masham material showed any difference between feed rates,generating more fines during choke feeding.The granular structure of this material would tend to encourage this.A tendency for the crushing faces to be forced apart by the harder Cliff Hill feed under crowded conditions would reduce its production of fines. Factors affecting Flakiness Index of different sizes The pattern illustrated in Figure 1 was observed in all cases.Product flakiness of 100% at the largest size,falls as size decreases,passing through a minimum,before then increasing.All larger particles tend to be flaky but at decreasing set particles of similar size have to be increasingly flaky (thin) to enable passage through the crusher cavity. For the Masham feed the flakiness of coarser sizes is slightly lower for choke feeding,more especially at finer sets.suggesting that under these conditions flaky material is more likely to be broken as a consequence of the restricted opportunities for favourable orientation within the crushing chamber. Fig.1 Flakiness Index versus size--Masham Products for different feed rates and crusher sets In all cases the size at which flakiness index is a minimum is broadly related crusher set,increasing as the crusher set increases.Overall product flakiness,calculated as the weighted mean of the index for individual size fractions is generally less under choke feeding,and reduces as set decreases. Factors affecting sizes for peak production Fig.2 Product distribution by shape and size--Masham choke feeding ac stated stated sets An alternative measure of product character given by the distribution of flaky (F) and non—flaky(N) material by size,illustrated in Figure 2,also reveals differences in behaviour. Examination of the data revealed,despite the scatter of the results,that for both materials (1)peak production(both shapes)is related to set and in all cases tends to increase and occur in larger sizes as set increases. (2)peak flake production occurs in a size larger than that for non—flake Peak flake and non-flake production is similar under different feed conditions with the Cliff Hill material but increases and occurs at higher sizes as set increases.whilst for the Masham feed maximum production occurs at increasing size but flake production decreases whilst non-flake increases.Choke feeding conditions,especially at finer sets,tends to result in more non—flake and 1ess flake production although the effect on the Cliff Hill material is noticeable only at the finest set.Large sizes consist almost entirely of flaky material which escapes breakage due to favourable orientation. General Discussion If the form of the product size distribution is similar then a smaller crusher set should reduce overall flakiness since any increase in flakiness of the coarser sizes will be counter balanced by an increased proportion of non—flaky finer sizes.For the Masham feed this tends to be the case.The results for Cliff Hill are 1ess clear.Earlier work [2]suggested that flakiness decreases at high feed rates and also at larger crusher sets.These results appear to contradict the latter finding.However overall flakiness masks the effects on individual size fractions,some of which may not be required as product.Larger sized ftaky particles generated by crushing at large sets could presumably be removed by screening leaving the finer non—flake as product. The increased peak non—flake production for larger crusher sets with the weaker Masham material suggests that these conditions favour the generation of a product,following rejection of coarse sizes by screening,of low flakiness. Contrary to earlier work [2] the minimum flakiness size is always less than the size at which total production is a maximum and does not correspond to the size of maximum non—flake production.Equivalence of these two sizes would clearly generate the maximum quantity of non.flaky product,normally the objective.The ratio of maximum production sizes to minimum flakiness size allows examination of the effect of crushing conditions on non.flake production,shown in Figure 3,revealing a broad trend for these sizes to approach each other as crusher set decreases.This suggests that the most favourable conditions occur for smaller sets,that iS high reduction ratios.Although peak non—flake production increases as set increases it is accompanied by greater flake product in the same size. The dilemma then is whether the requirement is maximum production of non—flake and that generation of flaky material in the same size is not a problem.in which case a low reduction ratio seems to be required.or whether the minimum flakiness index iS required.that is the generation of flaky material iS to be minimised in a particular size.If this is the case then a much smaller set seems to produce the required result.The choice then is between maximum production of non—flake or minimum flakiness index.In reality a compromise between the two requirements will often generate the maximum product of the required specification and close control on the set of the crushing machines will be required to ens

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