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1、引言
    礦物加工過(guò)程中，粉碎往往是必不可少的工序之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年經(jīng)粉碎的物料量達(dá)數(shù)百億噸，我國(guó)每年破碎的各種物料約為18億t．其中鐵礦石約2.4億t，有色金屬礦石超過(guò)1億t，非金屬礦物2.3億t，化工礦物0.3億t，水泥約4億t，建材用石灰石4.7億t．耗電量為250～300億kW -h，鋼耗約為250萬(wàn)to因此，在領(lǐng)域?qū)嵭泄?jié)能降耗，可產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
    破碎和磨礦是礦物加工過(guò)程中兩道最關(guān)鍵、也是能耗最高的工序，能耗和鋼耗占選廠的60%以上，其中大約15%用于破碎，85%以上消耗于磨碎。由于破碎機(jī)與磨機(jī)相比金屬消耗量和電耗較小，便宜，運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)簡(jiǎn)單，而且磨機(jī)的效率只有l(wèi)%，破碎機(jī)的效率達(dá)10%，因此，經(jīng)過(guò)50多年的實(shí)踐和總結(jié)，礦物加工領(lǐng)域正大力提倡“多碎少磨”的新工藝流程，即降低破碎產(chǎn)品最終粒度，增加細(xì)粒級(jí)在破碎產(chǎn)品中的含量，從而提高磨機(jī)的處理能力，達(dá)到降低電耗和金屬消耗量、減少成本、增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。
    俄羅斯圣·彼得堡“米哈諾布爾”科技股份有限公司經(jīng)過(guò)40多年努力研究，通過(guò)不斷的改進(jìn)和完善，在大量的理論和試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，終于開(kāi)發(fā)研制成功在破碎領(lǐng)域具有革命性突破的新型節(jié)能細(xì)碎設(shè)備——慣性圓錐破碎機(jī)。慣性圓錐破碎機(jī)以其先進(jìn)的破碎理論、獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路、合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能代表了當(dāng)前世界圓錐碎碎機(jī)的最高水平，能夠很好地滿足“多碎少磨”新工藝的要求。
2、慣性圓錐破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理
2.1慣性圓錐破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    慣性圓錐破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖l所示。
    慣性圓錐破碎機(jī)機(jī)體坐落在隔振裝置上，工作機(jī)構(gòu)由定錐和動(dòng)錐組成，錐體上均附有耐磨襯板，襯板之間的空間形成破碎腔。動(dòng)錐軸插入軸套中，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳給固定在軸套上的激振器，激振器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生慣性力，迫使動(dòng)錐繞球面支承的球心做旋擺運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)垂直平面內(nèi)，動(dòng)錐靠近定錐時(shí)，物料受到?jīng)_擊和擠壓被破碎，動(dòng)錐離開(kāi)定錐時(shí)，破碎產(chǎn)品因自重由排料口排出。動(dòng)錐與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間無(wú)剛性聯(lián)接。z.z慣性圓錐破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析
    慣性圓錐破碎機(jī)機(jī)體不是直接固定在地基上，而是安裝在彈性無(wú)件上，因此機(jī)體有6個(gè)自由度，3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，3個(gè)平移自由度。動(dòng)錐相對(duì)于機(jī)體有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，激振器相對(duì)于動(dòng)錐有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和1個(gè)沿軸向的平移自由度。對(duì)于破碎機(jī)來(lái)說(shuō)，最重要的是破碎體之間的相互運(yùn)動(dòng)，即動(dòng)錐相對(duì)于定錐（固定在機(jī)體上）的運(yùn)動(dòng)。
    動(dòng)錐與電機(jī)之間無(wú)剛性聯(lián)接，工作時(shí)繞球面支承的球心o做旋擺運(yùn)動(dòng)，動(dòng)錐相對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)為剛體繞定點(diǎn)o的轉(zhuǎn)動(dòng)。以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)，機(jī)體中心線為Z軸建立坐標(biāo)系OXYZ，另取以動(dòng)錐軸線為Z’軸并與動(dòng)錐固結(jié)的動(dòng)坐標(biāo)系OX'Y'Z’，如圖2所示。
    動(dòng)坐標(biāo)平面OX'Y’與定坐標(biāo)平面OXY的交線用ON表示，稱為節(jié)線，節(jié)線垂直于02和02’，節(jié)線與定軸OY間的夾角ψ稱為進(jìn)動(dòng)角，節(jié)線與動(dòng)軸OY間的夾角中稱為自轉(zhuǎn)角，動(dòng)軸oz’與定軸0z間的夾角B稱為章動(dòng)角，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，繞O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)錐相對(duì)于機(jī)體的位置用這三個(gè)角可以完全確定。因此，．動(dòng)錐相對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)是由以下三種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成：①進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)——動(dòng)錐繞機(jī)體中心線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。②自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)——動(dòng)錐繞自己的軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。③章動(dòng)運(yùn)動(dòng)——動(dòng)錐繞節(jié)線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
    慣性圓錐破碎機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)錐不但作進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且由于物料顆粒大小不一，在破碎腔內(nèi)分布不均勻，動(dòng)錐沿物料層滾壓時(shí)也不穩(wěn)定，每滾動(dòng)一周都伴隨著強(qiáng)烈的振動(dòng)，動(dòng)錐即產(chǎn)生章動(dòng)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)錐相對(duì)于機(jī)體有三個(gè)自由度，要用三個(gè)參變量ψ、∮、B才能確定動(dòng)錐相對(duì)于機(jī)體的位置。
    在慣性圓錐破碎機(jī)中，動(dòng)錐和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間不是剛性聯(lián)接，動(dòng)錐的振幅即動(dòng)錐的章動(dòng)角β不受傳動(dòng)系統(tǒng)的限制，是可以變化的，它的大小取決于物料層抗壓阻力與破碎力的平衡。破碎機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)錐擺動(dòng)頻率小，破碎力較小，動(dòng)錐的振幅口角較小，因此啟動(dòng)力矩也較小，帶負(fù)荷啟動(dòng)不會(huì)損壞破碎機(jī)。所以，慣性圓錐破碎機(jī)可以帶負(fù)荷啟動(dòng)和停車。同樣道理，在慣性圓錐破碎機(jī)中，擠滿給料只是增大了物料層的抗壓阻力，動(dòng)錐的振幅β角減小，不會(huì)造成破碎機(jī)“悶車”，不需安裝給料機(jī)。由于動(dòng)錐與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間無(wú)剛性聯(lián)接，如果物料中混入不可破碎的物體，動(dòng)錐暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，激振器將繞動(dòng)錐軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，絕對(duì)不會(huì)破壞傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)。
2.3慣性圓錐破碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
    由于其獨(dú)特的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，慣性圓錐破碎機(jī)與傳統(tǒng)的破碎設(shè)備相比，在使用及工藝等方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。
    (1)具有良好的“料層選擇性破碎”作用。由于是擠滿給料，被破碎物料在破碎腔中承受全方位的擠壓、剪切和強(qiáng)烈的脈動(dòng)沖擊作用，料層內(nèi)顆粒相互作用，造成顆粒間的強(qiáng)制自粉碎j料層阻止破碎腔的襯板直接接觸，防止襯板互相研磨，避免研磨下來(lái)的金屬污染被破碎的物料，從而使研磨體耗量大大降低，延長(zhǎng)了襯板的使用壽命。單位破碎比功耗僅為普通設(shè)備的一半左右。
    (2)破碎比大，產(chǎn)品粒度可調(diào)。該機(jī)的破碎力與被破碎物料硬度及充填率無(wú)關(guān)，主要取決于偏心靜力矩及轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)偏心靜力矩、激振器轉(zhuǎn)速和排料間隙，可很方便地調(diào)節(jié)所需的破碎比(4～30)，根據(jù)需要可有效地防止過(guò)粉碎，提高某粒級(jí)段的產(chǎn)率或相反增加細(xì)粉的產(chǎn)量。
    (3)技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，產(chǎn)品粒度幾乎與襯板磨損無(wú)關(guān)。
    (4)操作安裝方便。由于整機(jī)采用二次隔振，基礎(chǔ)振動(dòng)小，工作噪音小，安裝時(shí)不需龐大基礎(chǔ)和地腳螺栓。
    (5)良好的過(guò)鐵性能。由于動(dòng)錐與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間無(wú)剛性聯(lián)接，如果物料中混入不可破碎的物體，動(dòng)錐暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，激振器將繞動(dòng)錐軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，絕對(duì)不會(huì)破壞傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)。
    (6)簡(jiǎn)化碎磨流程，減少輔助設(shè)備臺(tái)數(shù)。該機(jī)充滿給料，無(wú)需專門的給料機(jī)，可滿負(fù)荷啟動(dòng)和停車．操作、監(jiān)測(cè)和控制十分方便；由于產(chǎn)品粒度細(xì)，無(wú)需振動(dòng)篩構(gòu)成閉路，大大節(jié)省設(shè)備和基建投資。
    (7)應(yīng)用范圍廣。調(diào)節(jié)破碎機(jī)工作參數(shù)，可破碎任何硬度下的脆性物料。
3、慣性圓錐破碎機(jī)工作參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響
    慣性圓錐破碎機(jī)工作參數(shù)包括偏心靜力矩Sd，排料間隙2r（動(dòng)錐和定錐底部徑向間隙之和），激振器轉(zhuǎn)速n以及破碎腔的形狀等。通過(guò)試驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)破碎機(jī)的工作參數(shù)，可以改變破碎機(jī)的性能指標(biāo)，如產(chǎn)量、功耗和產(chǎn)品粒度組成等，以滿足不同性質(zhì)物料的不同要求。
3.1偏心靜力矩和排料間隙對(duì)性能指標(biāo)的影響
    表1為GYP - 300慣性圓錐破碎機(jī)破碎柿竹園有色金屬礦鎢鉬礦石（硬度f(wàn)=11～13，給料粒度為0～25mm）時(shí)，不同偏心靜力矩和排料間隙時(shí)破碎機(jī)的性能指標(biāo)。從表1可知：
    (1)隨著偏心靜力矩的增大，產(chǎn)量提高，單位功耗下降，產(chǎn)品粒度減小。這是因?yàn)槠�心靜力矩增大，破碎力隨之增大，增加了物料進(jìn)一步破碎的可能性，而且動(dòng)錐振幅增大，有利于排，因此產(chǎn)量提高，產(chǎn)品粒度減小。雖然隨著偏心靜力矩的增大，增加了激振器的慣性阻力，破碎機(jī)的負(fù)荷（襯板及軸承負(fù)荷等）增加，所消耗的總能量也增加，但由于產(chǎn)量提高了，單位功耗還是下降的。
    (2)隨著排料間隙的增大，產(chǎn)量提高，單位功耗下降，產(chǎn)品粒度增大。這是因?yàn)榕帕祥g隙增大，增加了被破碎物料尤其是較大顆粒物料被排出的可能性，因此產(chǎn)量提高，也使破碎機(jī)總功耗增加，但其相對(duì)值——單位功耗是下降的。排料間隙對(duì)產(chǎn)品粒度組成的影響很大，調(diào)節(jié)排料間隙，可很方便地調(diào)節(jié)所需的破碎比。
    (3)第10組試驗(yàn)的排料間隙為9mm，功耗為2.28×5.09 =11.6kW．超過(guò)了GYP-300慣性圓錐破碎機(jī)的裝機(jī)功率11kW，這在實(shí)際工作中是不允許的。慣性圓錐破碎機(jī)最大排料間隙的物理意義可解釋為：電機(jī)傳給動(dòng)錐的功率正好可以抵消破碎過(guò)程的功耗。破碎機(jī)的排料間隙超過(guò)所允許最大排料間隙會(huì)影響破碎機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.2激振器轉(zhuǎn)速和腔內(nèi)壓力對(duì)性能指標(biāo)的影響
    圖3為GYP - 300慣性圓錐破碎機(jī)破碎鎂砂時(shí)激振器轉(zhuǎn)速和破碎腔內(nèi)壓力與性能指標(biāo)的關(guān)系。
    (l)增大激振器轉(zhuǎn)速，產(chǎn)量降低，產(chǎn)品加權(quán)平均粒度減小。這是因?yàn)榧ふ衿鬓D(zhuǎn)速增大，不但增加了破碎的次數(shù)，也增大了破碎力，因此產(chǎn)品加權(quán)平均粒度減小。澈振器轉(zhuǎn)速增大后，動(dòng)錐的旋擺頻率增大，增大了排料阻力，使產(chǎn)量降低，但隨著激振器轉(zhuǎn)速增大，破碎力按平方增大，使動(dòng)錐振幅增大，減緩了激振器轉(zhuǎn)速增大對(duì)產(chǎn)量降低的影響。隨著激振器轉(zhuǎn)速增大，單位功耗增加，所增加的功耗用于使產(chǎn)品粒度被破碎得更細(xì)。
    (2)增加破碎腔內(nèi)壓力，提高了物料層的密實(shí)度，增大了物料顆粒被破碎的可能性，因此產(chǎn)量提高，產(chǎn)品加權(quán)平均粒度減小。
3.3其它因素對(duì)性能指標(biāo)的影響
    控制慣性圓錐破碎機(jī)性能指標(biāo)的方法還有：
    (1)濕式破碎
    濕式破碎即破碎機(jī)工作時(shí)向破碎腔內(nèi)加水或其它液體，如酒精（防氧化）等。液體在振動(dòng)粉碎條件下起許多有益作用，如表面活性劑的作用，滲透到物料裂紋中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，與其它類型變形相比可以在最小破碎力下使物料破碎；還可降低粒子間的摩擦力，使破碎過(guò)程電耗減少一半以上；液體可快速地將粉末從破碎腔中沖出，降低過(guò)粉碎，隨著液體流量的改變還可以控制產(chǎn)品。
    濕度大、含泥多的礦石在破碎過(guò)程中很容易造成破碎機(jī)破碎腔堵塞，濕式破碎有效地解決了這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)有效地防止了粉塵污染。而且，由于水不斷地把破碎過(guò)程中產(chǎn)生的熱量帶走，保持潤(rùn)滑油的溫度不升高，延長(zhǎng)了機(jī)器零件的使用壽命。
    (2)改變破碎腔形狀
    這種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，因?yàn)樾枰�更換襯板，但對(duì)破碎某些特別難處理的物料時(shí)卻十分有效。改變破碎腔形狀可影響破碎過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和受力狀態(tài)，適當(dāng)?shù)那恍慰杉铀倩蜓泳徫锪系呐懦�，從而改變其粒度組成。試驗(yàn)證明，給料粒度為25mm的GYP-300慣性圓錐破碎機(jī)改變其腔形后能接受60mm的物料，而產(chǎn)量和產(chǎn)品粒度幾乎沒(méi)有變化。
    (3)改變料柱的高度
    給料斗中的料柱高度直接影響破碎腔中物料層的密實(shí)度。物料松散，則動(dòng)錐振幅大，可獲得較細(xì)的產(chǎn)品，但產(chǎn)量也有所降低。改變料柱的高度可在30%的范圍內(nèi)影響破碎比和產(chǎn)量，這種方法最適合于微調(diào)破碎機(jī)的性能指標(biāo)。
    (4)改變給料粒度
    表2為GYP - 300慣性圓錐破碎機(jī)破碎鎢鉬礦石，在排料間隙為7mm，偏心靜力矩為0.71Sdm。，時(shí)，不同給料粒度下破碎機(jī)的性能指標(biāo)。
    從表2可知，給料中細(xì)粒級(jí)含量越高，產(chǎn)品粒度越粗，產(chǎn)量也下降。除去給料中- 3.2mm的物料后，產(chǎn)量和產(chǎn)品粒度較前兩種情況下理想得多。這是因?yàn)樾☆w粒在大顆粒周圍滑動(dòng)．破碎力不能充分傳給大顆粒，大顆粒被破碎次數(shù)少，所以產(chǎn)品中粗顆粒比率大。因此生產(chǎn)中應(yīng)盡可能減少給料中細(xì)粒級(jí)的含量，以提高破碎機(jī)的性能指標(biāo)。
    (5)與分級(jí)機(jī)構(gòu)閉路代替磨機(jī)
    慣性圓錐破碎機(jī)與空氣分級(jí)機(jī)構(gòu)成閉路系統(tǒng)，排料口處于真空狀態(tài)，這時(shí)效率能提高一倍左右，用此方法可以控制產(chǎn)品粒度，防止過(guò)粉碎或得到更細(xì)的產(chǎn)品，如- 10um以下，但功耗卻比磨機(jī)降低踟%以上。實(shí)際生產(chǎn)中，用GYP - 300慣性圓錐破碎機(jī)與旋振篩構(gòu)成閉路，每小時(shí)可生產(chǎn)300～450kg-74um的電解錳粉。
4、慣性圓錐破碎機(jī)生產(chǎn)應(yīng)用情況
    慣性圓錐破碎機(jī)目前已形成動(dòng)錐底部直徑從60mm到2200mm十種規(guī)格的產(chǎn)品，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3，其破碎產(chǎn)品粒度分布見(jiàn)圖5。
    俄羅斯開(kāi)發(fā)研制成功慣性圓錐破碎機(jī)以來(lái)，其專利已賣給德國(guó)、日本、法國(guó)和意大利等國(guó)公司，已經(jīng)有數(shù)百臺(tái)慣性圓錐破碎機(jī)在世界各地的生產(chǎn)中應(yīng)用。北京礦冶研究總院和俄羅斯圣·彼得堡“米哈諾布爾”科技股份有限公司合資成立的北京凱特破碎機(jī)有限公司是俄羅斯在中國(guó)唯一授權(quán)生產(chǎn)慣性圓錐破碎機(jī)的企業(yè)。作為“八五”、“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，慣性圓錐破碎機(jī)的研制應(yīng)用榮獲1996年部級(jí)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
    短短幾年，北京凱特破碎機(jī)有限公司已生產(chǎn)出數(shù)十臺(tái)不同規(guī)格的慣性圓錐破碎機(jī)并已廣泛用于礦物破碎領(lǐng)域，均取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。表4列舉了部分應(yīng)用實(shí)例。
    俄羅斯用慣性圓錐破碎機(jī)和棒磨機(jī)做粉碎白電剛玉的對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表5。
    從表5可知，用慣性圓錐破碎機(jī)粉碎白電剛玉的單位功耗不到棒磨機(jī)的一半，而研磨體的耗量只有棒磨機(jī)的1/19。
    哈薩克斯坦某銅礦用俄羅斯生產(chǎn)的∮2200慣性圓錐破碎機(jī)代替普通短頭∮2200偏心圓錐破碎機(jī)破碎硫化銅礦石，在給料粒度為-120mm時(shí)，產(chǎn)品粒度- 14mm占95%，其中-6mm占60%，產(chǎn)量為240～280t/h，極大地降低了人磨粒度，磨機(jī)產(chǎn)量提高50%左右。
5、結(jié)語(yǔ)
    綜上所述，與傳統(tǒng)破碎設(shè)備相比，慣性圓錐破碎機(jī)作為物料加工的細(xì)碎設(shè)備具有破碎比大，產(chǎn)品粒度細(xì)而均勻，單位電耗低，能破碎任何硬度的脆性物料的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的節(jié)能超細(xì)破碎設(shè)備，在礦物破碎加工領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景，推廣使用可產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。