單齒輥破碎機的破碎齒設計

杜長興 朱榮慶 李俊昊 石榮玲 徐世明

摘?要：本文設計了一種新型的破碎齒。給出了破碎齒的破碎原理圖，詳細介紹了破碎齒的破碎原理、破碎齒的安裝角度和齒形選擇等主要問題，說明該破碎齒具有破碎能力強、結構簡單、壽命長等多方面優勢，最后給出齒尖磨損疲勞與齒根彎曲疲勞壽命計算公式。驗證可知，本文設計的新型破碎齒的穩定性與破碎能力得到有效提升。

關鍵詞：破碎齒;疲勞壽命;單齒輥破碎機

齒輥式破碎機是現代破碎設備的一個重要分支，在采礦、冶金以及化工機械等行業都有著廣泛的應用。破碎工作是現代材料加工過程的不可或缺的環節，相比于國外，我國長久以來在破碎機領域的研發相對落后。隨著機械行的不斷發展，破碎機的工作強度與工作環境面臨嚴峻的挑戰，因此必須提升和發展破碎機的各項性能，來適應現代破碎工作的高標準、高要求。

造成國內外在該領域研究的差距有許多，其中市場是重要因素之一，多數先進的破碎機制造商更看好對設備的自動化、精度要求較高的歐美地區。此外，在破碎設備上研發投資的不足也是一個重要原因。目前國外市場環境的縮小，成本也在日益提高，這種國際市場環境為我國的破碎設備制造商提供了前所未有的發展機遇，伴隨著我國經濟發展，越來越多的廠家認識到破碎設備的重要性，廠家通過引進國外的先進生產經驗和利用我國的生產優勢順勢進入國際市場。

隨著新型工業的發展，國內對齒輥式破碎機的需求的增多。同時國內在破碎工作原理、破碎損傷理論、破碎齒分布方式、材料選擇等方面的研究有了長足的進步。王進軍等人在破碎齒輥轉速、破碎比、破碎齒的設計等方面提出了改進意見[1]。李朋在齒輥旋向及結構參數、齒輥中心距等方面進行研究，并介紹了其使用環境和注意事項[2]。毛瑞等人在齒輥的選擇和布置結構等方面進行研究，提出了多種可能的改進方案[3]。王建提出了一種改進的十字頭乳化液泵，節約了乳化液泵的維修時間[4]。

本文查閱了大量齒輥破碎機的相關文獻，結合優缺點，設計提出一種新的齒型。第一部分對破碎機結構和其破碎原理進行分析。第二部分給出了破碎齒的疲勞壽命計算公式。

1 單齒輥破碎機結構

目前主流的單齒輥破碎機通常由電機、聯軸器、減速裝置、破碎輪輥、主軸等結構組成。單齒輥破碎機結構簡圖如圖1：

2 單齒輥破碎機工作原理

本文針對單齒輥破碎機研究，大塊物料沿給料槽進入破碎機，通過電動機帶動上部分單齒錕轉動與箆板共同作用分裂、剪切物料，物料開始被破碎。當物料被破碎至一定粒度大小，最終符合加工精度的物料通過傳送帶被送出破碎機，破碎工作原理圖如圖2：

3 齒形選擇與安裝角度分析

破碎錕的破碎能力等主要性能主要由破碎齒的形狀、安裝結構決定。破碎齒是破碎機的主要耗損部件，其破碎齒型影響了破碎物料的效率和能耗的高低、及產量的多少。在破碎高硬度物料時，齒型可能直接決定了破碎機的使用壽命。目前，各類破碎機應用較為普遍的有鷹嘴齒形、棱錐齒形、彈頭齒形、、圓柱齒形等。

單齒錕的入料粒度往往較大，故應當選擇具有較強的耐磨能力且過粉碎率低的齒形。比較上述幾種齒形，彈頭型的破碎強度在160至200MPa，采用的切割方式是點切割，具有較強的耐磨能力，過粉碎通常率小于1%，故選擇彈頭齒型作為破碎齒安裝在單齒輥上。

被破碎的物料結構通常是非均勻的，但以平衡的觀點來看，為了簡化問題在研究時可將物料看成是均勻的，單輥破碎機工作時，其破碎齒會承受彎曲疲勞損傷和磨損疲勞損傷，為了保證破碎質量和破碎效率，設計破碎齒時應當考慮材料的強度和韌性。

破碎齒破碎物料主要靠兩種形式，其一是齒尖的剪切破碎;另一種是擠壓力破碎，這兩種形式是共同存在的。根據以上兩種工作情況，需計算齒尖的最大磨損和最大齒根的彎曲應力，兩種應力直接決定破碎齒的壽命。根據疲勞特性曲線，疲勞關系呈冪函數關系減小，所以重點考慮以上兩種疲勞極限。

單齒輥破碎機多在齒尖與齒根處發生破壞，故本文對齒尖與齒根處進行必要的疲勞壽命計算，借鑒了相關文獻[5]，在破碎時裂隙角與施力方向的夾角為β，σx為裂縫使物料變弱的抗壓強度，σy為物料未被破壞時的抗壓強度。用二者的比值表示夾角β對強度的影響程度，如下：

由圖可知，當裂隙角與施力方向的夾角β在30°時對強度有最大的影響，再由幾何關系：β，=π/2-30°可以得到當破碎齒傾斜角β，為60°時破碎效果最好。

4 破碎齒疲勞壽命計算

累計損傷理論多用來分析較復雜的零件疲勞損傷，依據損傷累積方法，有多種疲勞損傷原理，其中較為常用的有：線性累計損傷原理、雙線累計損傷原理和非線性疲勞累積損傷原理。

線性疲勞累積損傷理論要求滿足：一是構件形狀和尺寸相似;二是載荷譜相似，其使用條件較為苛刻。而雙線性累積損傷理論只在其各個階段內滿足規律，在疲勞全程內不滿足。鑒于上述兩種理論的局限性，本文使用非線性疲勞累積損傷原理對齒尖疲勞壽命進行計算，基于此理論有學者得出如下疲勞計算公式：

N=Ni∑ki=1aiσiσ0d

上式中：

N為材料壽命。

Ni為在最大應力σ0下的材料壽命。

σ0為最大應力幅。

d為材料常數。

k為不同應力水平數目。

ai為在應力σi的循環次數占總循環次數的比例。

對于齒根彎曲疲勞壽命計算，有如下公式：

N=σm0N，0σmONSLsinβ，/I

上式中：

N，0為循環基數。

σmON為條件疲勞極限。

S為齒尖與物體接觸面積。

L為齒長。

I為齒根橫截面積。

β為破碎齒與滾體的夾角。

5 結語

傳統破碎機上的破碎齒破碎能力不足、且容易損壞，本文設計一種擁有較長壽命的子彈型破碎齒，詳細介紹了破碎齒的齒形和安裝結構，并說明相對于其他類型的破碎齒本文設計的新型破碎齒具有破碎能力強、壽命長、耐磨等優點。最后給出了齒尖疲勞壽命和齒根彎曲疲勞壽命的計算公式。我將在未來潛心研究破碎機械，了解各種類型的破碎機工作原理，借鑒前人經驗并結合自身能力設計出更加優秀的破碎齒，進行更為精密的理論分析和仿真模擬。

參考文獻：

[1]王進軍，穆曉梅.分級破碎機的設計研究[J].煤礦機械，2006（11）：7-8.

[2]李朋.粗碎型齒輥破碎機的設計與應用[J].煤礦機械，2019，40（01）：130-131.

[3]毛瑞，崔達，李光，冉翌正.輥齒結構及布置形式對雙齒輥破碎機性能的影響[J].礦山機械，2018，46（02）：44-49.

[4]王健.雙齒輥破碎機改進研究[J].煤礦機械，2013，34（08）：207-208.

[5]李泓序.單齒輥破碎機破碎齒的疲勞研究與等壽命優化[D].遼寧工程技術大學，2012.

基金項目：江蘇省大學生創新創業訓練項目（項目編號：xcx2019041）

作者簡介：杜長興，男，漢族，江蘇徐州人，共青團員，學生，研究方向：機械設計，應用數學。

指導老師：石榮玲，研究員。

*通訊作者：杜長興。