我國華北地區(qū)混凝土攪拌站冬季混凝土施工所用骨料之一沙子含水量較高，加上天氣寒冷，沙子常結成塊，且強度較大，給混凝土施工進料造成嚴重影響，減慢了生產施工進度，所以迫切需要設計一種專門用來破碎凍沙塊的破碎機械。國內當前主要生產的破碎機械主要有壓碎、沖擊破碎、磨碎等方法。由于物料的形狀不規(guī)則，物料的尺寸一般以粒度來衡量，即以物料能通過的孔徑大小來確定。根據原材料和產品的粒度大小，把破碎過程分為粗碎、中碎和細碎3類。而破碎機有顎式、錐式、輥式或滾筒式、轉子式及錘式幾種。MMD破碎機是英國MMD公司20世紀90年代新開發(fā)出來的破碎機，其主要破碎機理是通過2個相對轉動的破碎輪將送入人料口的大型物料剪切破碎。MMD破碎機突破了傳統(tǒng)破碎機以壓潰破碎的破碎理論，且大膽嘗試用剪切破碎機理來實現破碎。從使用情況來看，MMD破碎機較為節(jié)省能量，在相同破碎能力的破碎機中，MMD型破碎機消耗能量僅是普通顎式或輥式破碎機耗能的50%左右。但遺憾的是，國內的起重運輸機械生產廠家都還沒有掌握此種破碎機的生產與制造技術。
1、解決方案
1.1整體破碎系統(tǒng)生產線的方案確定
整體破碎系統(tǒng)生產線的方案是：用一鏟車不斷地向破碎機的料斗喂料，塊料經料斗漏到破碎輥間被破碎輥剪切、擠壓破碎后，落到帶式輸送機上，再將其輸送到其他地方等待給混凝土攪拌機人料。
1.2機型及破碎機理的確定
結合顎式破碎機、旋轉式破碎機和輥式破碎機的破碎特點和MMD破碎機的破碎機理，考慮上述機械實驗結果應力值不太大等特點，確定以齒輥式破碎機作為凍沙破碎機的機型。又結合當今較為先進的MMD破碎機的破碎機理，將輥子設計成1節(jié)大齒1節(jié)小尖齒的形式。整個破碎過程可以分為2個階段：第1階段，大塊物料先被相向轉動的且錯開的大齒與大齒剪切破碎，此時物料被破碎成小塊物料；第2階段，小塊物料再落人大齒牙間，在大齒牙間2輥繼續(xù)相向運轉，小尖齒給物料施以壓力，物料完全達到預先想要的粒度，完成整個破碎過程。
1.3工作原理
2個電機通過帶輪帶動2個減速器，2個減速器分別輸出扭矩帶動2個破碎輥相向運轉，為了使破碎輥不相互打齒，2個破碎輥必須用滾子鏈實現同步，這樣由料斗落人的物料將落人2相向滾動的破碎齒間完成破碎過程，如圖1所示。減速器輸出扭矩帶動1個主動輥，輥另一端有1大齒輪與從動輪上大齒輪嚙合。從動輥又可以沿導軌滑動，另一端用彈簧頂住來防止過載。但是，由于從動輥工作時物料橫向往復運動，使2輥上的齒輪在受扭矩作用的同時產生橫向位移，造成從動輥上的齒輪刮削和磨損，降低使用壽命。同時易使大齒輪滾鍵，維修頻繁而影響生產。且在設計制造大齒輪時由于尺寸較大，加工成本較高，在使用時，無法使用油潤滑，但使用環(huán)境惡劣，易造成大齒輪磨損。制造大齒輪時必須開模鑄造，制造周期較長，與甲方所提出的工期要求不符。所以單電機單減速器的設計方案不可行。
再者2個破碎輥要實現同步，可以用萬向節(jié)，也可以用滾子鏈，萬向節(jié)結構簡單緊湊，但2同步軸必須同軸心，這就需要減速器中必須有1對傘齒輪，由于本設計想選配減速器，這必將導致2破碎輥的中心距較大，又因破碎輥的直徑已被所選定的外購件一牙齒所確定，所以最終此種方案沒有被采納。用滾子鏈實現同步雖然結構較大，但其性能較為穩(wěn)定，且2輥間的中心距可以通過加鏈節(jié)的辦法來調節(jié)。最主要的是用滾子鏈實現同步，2同步軸是相互平行的，不會導致2破碎輥中心距太大，且選配減速器也較為方便，所以最終用滾子鏈在高轉速低扭矩的減速器輸入軸上實現同步。
1.4過載問題
從電路上通過一限流繼電器來限制電機過載，一旦有大石塊或其他情況而導致破碎輥卡住不能轉動，此時電機過載，轉子電流必將增大，繼電器給電機斷電并延時1s，之后，電機反轉又延時2s，接著，電機斷電停車復位，工人清理后手動開機。
2、原始數據采集
為了采集必要的原始數據，在北京建工集團五建公司攪拌站做了關于測試凍沙破壞應力和破壞機理的實驗。將含水量8.6%的沙子以自然壓實度裝入模型，模型的規(guī)格分別為：100×100×100的正方體2個，150×150×150的正方體2個，不規(guī)則形狀3個。然后將模型裝入冰柜，冰柜內放置1個溫度傳感器，將溫度傳感器的上限定為-19.9℃，下限定為一20.0℃。溫度傳感器給出脈沖信號到固態(tài)繼電器，而后繼電器控制冰柜的制冷壓縮機電源，使其溫度恒定在-20℃。冷凍3天后將模具從冰柜中取出，迅速拆開模具，將凍沙塊搬到壓力機上做壓碎實驗。
3計算模塊組成
由于凍沙破碎機中計算參數有一定的相關性，且計算工作量大，容易出錯。為此有必要編制計算程序。
4、總裝設計
總裝設計主要包括：電機、帶傳動、同步器、減速器、聯軸器至破碎輥的整體裝配位置的布置以及機架的整體布置、上下料斗的設計。考慮到節(jié)省空間電機布置在減速器下面，又因為帶傳動需要張緊裝置、電機需要安裝在擺架上。電機通過帶傳動將動力傳給減速器。給其裝上1套同步器實現2破碎輥的同步，同步器的導向輪裝在機架的導向支撐架上。減速器裝在基準板工上聯軸器與減速器輸出端，破碎輥支撐在2調心滾子軸承上，軸承支座采用國標SN系列，軸承支座又裝在基準板Ⅱ上。確定機架的總體設計方案：3層雙跨機架結構，整體機架采用焊接鋼結構，制造方便，重量輕，強度高，結構緊湊，安全可靠，美觀大方，單件成本較傳統(tǒng)式鑄鋼結構大大降低，但焊縫質量要求較高。最底層是基準面I，采用40 mm厚鋼板；中層是基準面Ⅱ，采用40 mm厚鋼板；最高層用來支撐上料斗，為了防止上料斗傾翻，在機架的4個角上焊上8個吊耳，料斗的4個面的上沿中心也焊4個吊耳，在吊耳間用鋼絲繩拉緊。上破碎輥罩裝配在基準面Ⅱ上�？紤]出料用帶式輸送機，由此設計整機機架高度，機架的主干結構采用槽鋼對焊，3根主梁采用不等邊角鋼對焊。上下料斗采用8mm鋼板焊接結構，考慮破碎機上料時采用ZL50裝載機喂料（鏟寬2850mm、鏟斗容量3m3），將上料斗入料口設計為3000 mm×1000 mm的矩形。機架與地面固定采用地腳螺栓聯接結構6x4xM20。
5、結論
(1)2距離較大的平行軸實現相向同步的設計突破了傳統(tǒng)的用齒輪實現同步的方法，采用了同步鏈輪加導向鏈輪。前者齒輪直徑較大，制造加工困難，成本較高；后者鏈輪直徑不受限制，制造加工簡單，成本低。
(2)采用鏈輪實現同步的方案，會產生多邊形效應，而導致在向減速器輸入轉矩時角速度不恒定，帶來沖擊，但不影響同步。機架的總體設計方案較優(yōu)，只是焊縫質量要求較高。
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