圆锥碎石机基于层压碎石理论的碎石力剖析及运动学研讨

   1碎石力的相关影响因素及其在动锥闭边母线方向的分布情况
    圆锥碎石机的工作空间由碎石壁与轧臼壁构成。在工作过程中，轧臼壁静止，碎石壁随锥部围绕碎石机中心线做偏心回转，即碎石壁母线在接近与远离轧臼壁母线的位置间做往复运动，从而依靠挤压作用使碎石腔内的物料发生碎石。
    根据国外相关剖析，当物料种类确定时，压缩比与粒度分布系数是决定局部区域碎石力压强的主要因素。压缩比:表示物料受到的压缩程度。压缩比 即为特定空间内物料压缩时的高度变化与压缩前高度的比值。
    基于层压碎石理论，当物料颗粒通过任一碎石层时，必受到且仅受到一次挤压碎石作用。对物料颗粒的运动学特性进行剖析可以得出物料的运动状态包括:自由下落的直线运动、受碎石壁挤压而围绕悬架点所做的圆弧运动以及随碎石壁在闭边与开边两极限位置间所做的单摆运动。联立相关方程式并求解，即可得到物料在碎石腔中的下落轨迹，从而获得碎石腔分层信息。
    基于碎石腔分层信息，结合碎石腔腔形结构，可以求取各碎石层*大压缩比;结合喂入物料的粒度分布情况，利用总体平衡模型，可以求取各破碎层通过物料的粒度分布矩阵，进而求取粒度分布系数，具体方法及相关公式参照文献。求取了PYF1300型圆锥碎石机在碎石物料为石英石，偏心套转速为 300  r/min的情况下，碎石力压强在其动锥闭边母线的分布情况。
    在碎石力沿动锥闭边母线方向的分布情况中，横坐标左右两端分别对应碎石腔的入料与排料区域，“+”表示各碎石层在动锥闭边母线上的碎石力压强值。可以看出，物料在进入碎石腔后，碎石力压强随挤压碎石事件的增加而增大，在进入平行区前后达到*大值60.7 MPa，而后随挤压碎石事件的减少而逐渐减小，这与文献中通过试验剖析所获得的结果基本一致。
    2碎石力在各碎石层中的分布情况
    在工作过程中，动锥表面各区域碎石力压强的大小主要取决于压缩比与粒度分布系数。然而，根据层压碎石理论，物料颗粒在各碎石层内受到且仅受到一次挤压碎石作用，即同一碎石层内的物料分布系数基本一致。因此，可以认为任一碎石层内碎石力压强的分布服从于碎石层内部不同区域的压缩比，且根据国内外相关剖析，可以近似认为碎石力压强与压缩比呈线性关系。
     3圆锥碎石机运动学剖析
    在工作过程中，圆锥碎石机动锥及主轴所受到的作用力包括:物料与动锥间的摩擦力，锥与碗状轴承间的摩擦力，以及主轴与偏心套间的摩擦力。这三个摩擦力所形成力矩的大小决定着动锥及主轴的运动状态。
    在此，本文拟基于理论计算结果，利用虚拟样机技术和ADAMS软件，对于正常工况下圆锥碎石机动锥与主轴的运动状态，以及动锥与碗状轴承、主轴与偏心套间摩擦副的润滑状态发生变化时，动锥与主轴的运动状态加以剖析。
    建立圆锥碎石机虚拟样机模型的主要步骤包括:依据各零部件几何形状、尺寸、材料等设计参数，在虚拟环境下建立其三维实体模型;依据实际情况定义零部件间的连接副及约束关系;依据实际情况定义机械系统中的原动件;依据理论剖析计算的结果，定义动锥与物料间的摩擦力，定义动锥与碗状轴承、主轴与偏心套间摩擦副的正压力、摩擦因数等相关参数。完成后的虚拟样机模型，为更加清晰地表达虚拟样机的结构组成，将物料层与偏心套设为半透明。
     为剖析机械系统内关键摩擦副润滑状态不同时动锥部的运动学特性，本文改变虚拟样机模型中表征摩擦副摩擦因数的相关参数，进行运动学仿真试验。根据实际经验，将主轴与偏心套间摩擦副的摩擦因数f、动锥与碗状轴承间摩擦副的摩擦因数无在0.002 -0.100间选取不同水平值进行组合。在不同的参数组合下进行仿真试验，并记录动锥部相对于自身坐标系的转速Wd，部分有代表性的试验数据记录在下表中。其中Wd与偏心套转动方向相同
时为正值，反之为负值。
    由上表所示数据可以看出，当主轴与偏心套、动锥与碗状轴承间摩擦副的摩擦因数都小于0.006时，圆锥碎石机处于正常工作状态，其动锥部自转速度为12  r/min左右，方向与偏心套转动方向相同;当主轴与偏心套、动锥与碗状轴承间摩擦副的摩擦因数都为0.01时，圆锥碎石机开始脱离正常工作状态，其动锥部自转速度下降为9.3 r/min，方向与偏心套转动方向相同，而且随着其中任一摩擦副摩擦因数的继续增大，动锥部自转速度进一步下降，
直至为0。
    在圆锥碎石机的工作过程中，应当使主轴与偏心套、动锥与碗状轴承间的摩擦副处于良好的润滑状态，即摩擦因数小于0.01，从而使动锥部在有载情况下的自转转速处于安全范围，即10-15 r/min之间。
    在实际应用过程中，可根据摩擦因数为0.01结合主轴与偏心套、动锥与碗状轴承间表面的载荷信息计算其摩擦副发热量情况，进而根据实际所使用的润滑油的比热容，求取正常工况下润滑系统进油与出油的温度差，通过对进出油温差的监测，实现对于碎石机关键摩擦副摩擦特性及润滑状态的监测。以PYF 1300圆锥碎石机为例，经计算可得正常工况下其进出油温差约为3.5度，因而当实际测得的进出油温差高于3.5度，即可认为关键摩擦副摩擦特性及润滑状态出现恶化，机械系统脱离正常工作状态，需要停机检修，这基本符合以往根据实队、经验确定的操作规范。
    通常清况下，造成碎石机偏离正常工作状态的原因有两点。
    (1)碎石腔内进入了尺寸较大的不可碎石物。大尺寸不可碎石物的进入，必然引起碎石腔内工作部件所承受的碎石载荷急剧增大，从而直接导致各关键摩擦副表面压力增大，进而导致摩擦副摩擦特性发生恶化，整机的工作状态偏离设计范围。为应对这种情况，碎石机通常备有液压式或弹簧式的“过铁”装置，用以在碎石腔内载荷过大的情况下，使排料口适当张开，令不可碎石物得以通过，防止载荷持续增大。
    (2)由于油路供油不足或润滑油中进入杂质所引起的润滑状态恶化。油路供油不足或润滑油中进入杂质，会导致关键摩擦副中两部件间的油膜发生破裂，出现两金属表面间的干摩擦，进而导致零部件的烧灼和摩擦副的抱死。对于这类问题，可以通过实际经验，根据进出油油压的变化以及滤清器中杂质的状态加以判断和预防，但通常更为有效的方法是在设计阶段进行合理的油流量分布、油路设计、润滑油种类选择及添加剂选择，使得供油不足和杂
质进入的情况得以避免。
    4 结论
    (1)挤压碎石过程中，碎石力在动锥母线方向的分布主要服从于粒度分布系数与压缩比。物料在进入碎石腔后，碎石力随挤压碎石事件的增加而增大，在进入平行区前后达到*大值，而后逐渐减小。
    (2)在单一碎石层内，挤压碎石力主要服从于各微小碎石区域内的压缩比。采用解析方法对各微小碎石区域内的碎石力加以分解和求和，能够获得碎石机关键摩擦副接触面的压力参数。
    (3)在正常工作状态下，圆锥碎石机动锥部的自转速度应当为10-15  r/min。与之相对应，碎石机各关键摩擦副的摩擦因数应当处于0.01以下。以PYF1300圆锥碎石机为例，其正常工况下，润滑系统的进出油温差约为3.5 度，因而若实际测得的进出油温差高于3.5 度时，即认为机械系统出现载荷过大或润滑状态不良等情况。