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复摆颚式破碎机颚板失效分析及材料选择

发布时间:2019-01-24    10:01:24浏览次数:

摘要:颚板是复摆颚式破碎机的主要工作构件,在破碎物料的过程中经受物料的严重磨损和激烈的冲击作用,颚板的寿命成为工程上关注的重点问題。通过对颚式破碎机颚板的运动进行分析,结合破碎腔内物料的运动受力分析、颚板失效后的表面微观状态等情况,对颚式破碎机颚板的失效进行了分析,从而得出破碎机在进行破碎时颚板失效的原因,并寻求更合理的颚板材料,以提高其使用寿命。

复摆颚式破碎机是中等粒度石料破碎中最常用的破碎设备之一。由于其具有结构简单、价格低廉、操作简单、坚固耐用及维护容易等优点,早已成为我国生产最多、使用最广的破碎设备。这种破碎机可破碎各种硬度的矿石和岩石,主要用于大中型矿山的粗碎作业。

颚式破碎机和其他破碎机不同的是其具有颚板。颚板在使用过程中由于受到强烈的冲击、挤压、磨损及低周应变疲劳的作用,使其成为颚式破碎机中主要的易损零件,一般材料难以胜任。颚板在破碎物料的过程中由于齿板不断地受到物料挤压、研磨和冲击,齿面逐渐被磨损,导致出料颗粒不断增大,严重影响了产品质量们。

为了提高产品质量和延长颚板的使用寿命,同时节约成本,有必要对颚板的失效原因进行分析。下面以颚式破碎机颚板运动分析为基础,结合物料在破碎腔内的流动、受力分析,对颚板的失效原因进行分析,从而选择合适的颚板材料,以提高其使用寿命。

1 颚板任意点的位移方程及运动轨迹

图1复摆颚式破碎机运动分析机构模型

以PE250×400型复摆颚式破碎机为例,该颚式破碎机的曲柄摇杆机构的运动如图1所示。图1中曲柄OA=L1=10mm;连杆AB=L2=613mm;摇杆BO1=L3=285mm;OO1=L4=472mm;∠AO1O=ζ ,θ1为曲柄OA的转角,θ1=ω1t=2πn1/60,在0°-360°范围变化;n1为主轴转速,n1=300r/min;v为φ0为机架定位角度。动颚板下部与偏心轴相连,上部悬挂在推力板上,偏心轴转动时,动颚板不仅对定颚板作往复摆动,同时还沿定颚板有很大幅度的上下运动。动颚板上任意点S的位移方程为

方程式(1)(2)

很显然,A点轨迹是以O点为圆心、偏心距为半径的圆;B点轨迹是以O1为圆心、O1B为半径的一段圓弧。利用MatLab软件进行计算,得出颚板上进料口N、任意点S及排料口M三点的运动轨迹曲线,如图2所示。

图2进料口N、任意点S及排料口M三点的运动轨迹曲线

由图2可以看出,从A到B之间各点的运动轨迹大致都呈极度拉伸的椭圆形走势,由此可知,复摆颚式破碎机排料端动颚运动特征值m=yk)大,即垂直方向的摆幅比水平方向的行程大,这样对物料的排出很有利。但是,垂直方向的摆幅越大,物料在此处的滑移时间越长,导致此处的齿板磨损加剧,而且物料对颚板下部的作用以高应力短程凿削磨损为主,特别是在排料口附近。同时在颚板的上部,由于有较大的水平运动幅度,因而对物料的挤压作用大于下部。由运动分析得出,凿削磨损比挤压磨损大,因而颚板下部比上部磨损更快。由此可以说明,短程磨削式磨损是造成颚板失效的主要因素之一。

2破碎腔中物料受力分析

颚式破碎机中物料破碎从理论上来说就是尺寸逐渐变小、形状不断变化的过程,是不可逆的。破碎原理就是依靠外部破碎力作用于物料裂隙处、损伤处和节理处,产生应力集中,从而导致物料破碎。然后新的碎石又吸收破碎能量,产生新的裂隙,或扩展原有的微小裂纹,从而使损伤加强。顎式破碎机在破碎物料的过程中,主要靠动、定两颚板对物料施加作用力使物料破碎,同时物料与机架、物料之间也存在相互的作用力,使物料产生破碎。其作用力的形式有压力、弯折、冲击、研磨、剪切和劈碎等。因此在破碎物料的过程中,物料的受力情况是复杂又随机的,往往存在几种作用力的共同作用。从上一节颚板的运动分析可以发现,在动颚的挤压行程中,动颚在垂直方向先向上运动然后再向下运动。下面就以动颚垂直向上和向下运动两种情况对物料在破碎腔中的受力进行分析。

2.1动颚向上运动时物料受力分析

云南11选5遗漏动颚向上运动时物料的受力分析如图3所示。物料自身重力相比其他力较小,可忽略不计,因此物料受力分析如式(3)所示

方程式(3)

假定物料先和动颚板发生相对滑动,摩擦系数为,即μ=f1/N1,则物料与定颚板之间的摩擦系数为

方式式(4)

与假设不符。

如物料先和定颚板发生相对滑动,即f2=μN2,则物料与动颚板之间的摩擦系数为

方式式(5)

与假设相符。即动颚向上运动时物料先和定颚板发生相对滑动。

图3动颚向上运动时物料受力分析

另外,由图3可以看出,摩擦力f对物料产生一个旋转扭矩,此扭矩为顺时针方向,对定颚板和动颚板同时也产生挤压作用。

2.2动颚向下运动时物料受力分析

当动颚向下运动时,物料靠自身的重力向排料口排出,此过程动颚不对物料施加作用力,也就是说,此过程颚板基本没有来自物料的挤压磨损。

从以上物料受力分析可以看出,物料在破碎腔中流动时,动颚板的失效主要是由于物料与颚板挤压、研磨、冲击而形成;而对于定颚板,物料与颚板的相对滑动也是造成磨损失效的主要原因。

3颚板表面微观分析及材料选择

3.1颚板表面微观分析

对已经失效的颚板进行表面微观分析,得出表面微观特征如图4所示。从图4可以看出,颚板表面形成许多由上而下的短程切削磨痕,在齿板表面还可以看到,由于塑性变形产生的压坑、犁皱以及受到往复作用的接触应力而导致表层材料的大块剥落等等。

图4颚板表面微观特征

从颚板表面微观特征可知,颚板主要的失效形式是短程磨削式磨损,塑性变形、齿板断裂也是颚板失效的主要形式。在破碎机破碎过程中颚板铸件材料慢慢流失变薄,屈服强度、疲劳强度及冲击韧性不断降低,最终导致颚板失效、报废。

3.2颚板材料选择

颚板在破碎过程中由于受到强烈的冲击、挤压、磨损及低周应变疲劳的作用,材质需具有较高的硬度,以防止表面塑性变形以及切削磨损;还必须具有一定的韧性,以防止表面脆性断裂而大块剥落,因此一般的材料难以胜任。锰钢由于具有合理的碳、锰化学成分以及较好的单一奥氏体金相组织,在工程中的广泛应用已达100多年的历史。锰钢中碳的含量较高,一般来说,含碳量增加,材料的硬度増加,耐磨性就越好。锰是锰钢中的主要合金和奥氏体化元素,含碳量一定时,锰的含量增加,钢的金相组织由珠光体变为马氏体、奥氏体,钢的强度和韧性相应提高。那么如何选择锰钢中碳、锰含量要视破碎机的工况而定。

在轻度载荷工况条件下,提高含碳量,有利于提高钢的硬度和耐磨性。高锰钢初始硬度低,屈服强度低,在非强冲击条件下,其加工硬化不充分,易于流变和被切削。实践证明,采用中锰钢可提高颚板的综合性能,中锰钢的成分为:C07%-12%,Mn
6%-9%,以及其他微量元素,如Si、cr、V、Ti等。由于中锰钢合理的化学成分在实际应用中取得了较好的使用效果,颚板寿命比使用高锰钢提高20%以上。

在强烈冲击载荷工况条件下,为获得高的韧性,防止使用中发生断裂现象,钢中锰的含量要高些,因此要选用高锰钢。高锰钢的成分为:C09%-15%,Mn10%-15%,以及其他微量元素,如Si、S、P等。高锰钢由于具有较高的锰含量,材料经过热处理,可以得到稳定的单相奥氏体组织,使材料具有良好的塑性和韧性,在加工硬化中容易被强化。

低合金铸钢也是现在应用较广泛的一种颚板材料,它具有较高的硬度和合理的韧性,可以抵抗物料的切削作用和物料反复挤压引起的疲劳剥落,因而表现出良好的耐磨损性能;同时中碳低合金铸钢还可以通过成分和热处理工艺的调整,使硬度和韧性在较大范围内变动,以适应不同的工况条件。

云南11选5遗漏实际中还有一些其他材料,如高铬铸铁与高锰钢复合材料、中锰球铁及马氏体球铁等等,这些材料由于制造工艺复杂或其他一些原因,在实际中没有得到广泛应用。但不管采用何种材料,材质都需具有高硬度,以抵抗塑性变形和切削磨损,同时还要具有一定的韧性,以防止脆性剥落或断裂。

4 结论

综上所述,复摆颚式破碎机颚板的失效形式主要是由于物料与颚板的挤压和相对滑动而造成的高应力短程磨削式磨损、塑性变形、齿板脆性剥落或断裂等等。因此,颚板材质需具有较高的硬度,以防止表面塑性变形以及切削磨损;还必须具有一定的韧性,以防止表面脆性断裂。总之,从使用者角度看,需根据破碎机的具体工况条件,确定选择何种颚板材料,以使颚板使用寿命更长,破碎效率更高。

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