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锤式破碎机的设计

中文摘要

本文论述了破碎加工机械——破碎机的工作原理，主要技术参数、传动系统、典型零件的结构设计及生产能力分析。

关键词：

转子

第一章绪论

　物料破碎是一个历史悠久的话题。

早在20世纪50年代艾利斯－查尔默斯公司就开始大规模研究破碎工作，60年代得出具有重大意义的结论。

随着研究的深入，人们熟知了高功率的破碎作业，可以用来改善能源效率和降低生产成本。

B． 

H．Bergstrom在研究单颗粒破碎时发现，在空气中一次破碎的碎片撞击金属板时 

明显地产生二次破碎，一次破碎的碎片具有的动能占全部破碎能量的45％。

如能充分利用二 

次 

破碎能量，则可提高破碎效率。

也有人指出，较小的持续负荷比短时间的强大冲击更有希望 

破碎物料。

我国胡景昆和徐小荷研究颗粒的粉碎时得出结论，静压粉碎效率为100%，单次冲 

击效率在35%～40％左右。

为了节约能量，提高粉碎效率，应多用静压粉碎，少用冲击粉 

碎。

Schonert研究表明，如果使大批脆性物料颗粒受到50MPa以 

上的压力，就能够由“料层粉碎”节约出可观的能量。

目前“料层粉碎的理论”已为粉碎界 

的公认，根据料层粉碎理论研制的新设备有美国诺德伯格公司的旋盘圆锥破碎机、俄 

罗斯的惯性圆锥破碎机等。

　　多碎少磨的原则指导研制以料层粉碎原理的新型 

破碎机是当前主要方向。

1996年第四届全国粉体工程学术会议上邓跃红、张智铁发表了《物 

料粉碎分形行为的研究》一文，作者认为破碎理论的研究应归结为3个大的方 

面：

强度理论的研究、破碎效果的评价、破碎功耗的研究。

长期以来，粉碎理论的研究主要 

停留在经验应用和统计推测上，人们了解粉碎的规律尚不明确、不系统。

人们期待新理论的 

出现会给破碎领域带来一次变革。

　　至今，我国破碎机与国外破碎机之间还是存在着相当大的差距。

国内外破碎机械存在差距的原因很多，其中市场需求不同是造成差距的客观原因，由于国际市场上优秀的破碎设备制造商集中在欧美地区，那里大规模的基本建设阶段已过去，市场对砂石料的需求不多，且环保要求又高，势必形成砂石场高度集中以大规模生产来实现环境保护，帮所需破碎设备规格大、自动化程试想高、机动性强。

满足这样的市场需求发展的破碎设备与国内产品不大一样，而我们正处于大规模的基本建设时期，各地对砂石料的需求剧增，引起投资砂石场热，遍地开花的砂石场往往规模小，只求上马快、投资少，供不应求的市场使粗制滥造、技术水平低下、耗能高、污染环境严重的产品纷纷进入，而这些设备往往只能以低价来占领市场，因此与国际上先进水平差距明显。

国际上专业的立轴冲击式破碎机制造商已普遍采用陶瓷制作耐磨零件，而不仅仅是硬质合金（碳化钨）和高铬铸铁。

陶瓷材料不但可耐较高的温度，而且有特别好的抗腐蚀性，因而在带有相当温度的物料高速冲击时耐磨性能良好。

国内的立轴冲击式破碎机目前采用硬质合金和高铬铸铁材料，质量不稳定，易腐蚀和磨损，且易被金属件击碎，由于砂石场使用的破碎设备国内外产品差距明显，故国内高端市场，如规模较大的砂石场仍是进口的设备占多数。

　　因而近制就是测绘国外产品，以此作为更新换代的主要手段，技术进步甚慢。

目前国内的破碎机械制造商无论国有企业还是民营企业，在科技开发上的投入不足是产品差距的主观原因，既缺乏科研手段（例如几乎没有一家制造商具备岩石实险室），又缺少先进技术支撑，自主产权的开发力量十分薄弱。

尽管国内外破碎设备差距很大，但纵观国外的破碎设备制造商由于本土市场日渐缩小，生产成本高，纷纷开拓本国以外的市场，而且作为传统工业在资金、人才等方面获得新的投入甚少，因此，近来年兼并重组频繁，这种局面给国内破碎机械制造商以很大的发展机遇，毕竟我国的制造成本较低，又有较好的重工业基础，通过引进国际上先进技术，产学科研投入，一定能克服技术上的差距，使我国的破碎设备产品更好的进入国内外市场。

第二章破碎机工作原理、类型、构造和特点

2．1破碎机的工作原理及类型

2．11破碎机的工作原理

锤式破碎机是利用装在机壳内高速旋转的锤头动能而击碎物料。

如图1—1所示主轴1上装有锤架（圆盘）2，在锤架（圆盘）上悬挂有锤头3，机壳下半部装有筛板。

主轴、圆盘、和锤头、销轴组成的回转体称为转子。

电动机带动转子在破碎腔内高速旋转，物料自上部给料口给入机内，受高速运动的锤子的打击、冲击、剪切、研磨作用而粉碎。

在转子下部设有筛板，粉碎物料中小于筛孔尺寸的粒级，阻留在筛板上继续受到锤子的打击和研磨，最后通过筛板排出机外。

2．12破碎机的类型

锤式破碎机的种类很多，其主要有：

（1）按转子数目分为：

单转子和双转子锤式破碎机

（2）按转子回转方向分为：

定向式，转子朝一个固定方向旋转，可逆式，转子可朝两个方向旋转。

（3）按锤头排数分为：

单排式、双排式或多排式

（4）按锤头装置方式分为：

固定锤式和活动锤式。

2．2破碎机的构造及特点

2．21破碎机的构造

锤式破碎机的规格，用转子工作直径×

宽度（mm）

本论文中主要设计的为单转子锤式破碎机

图2-1为Φ800mm×

800mm锤式破碎机的构造，它由机壳、转子、筛板与进料板、反击板及传动装置等部分组成。

1、机壳部分

机壳由进料口挡料板、下箱体、上箱体及侧壁组成，各部分用螺栓连成一体，机壳内壁全部镶以锰钢衬板，下箱体、侧壁及后上盖用钢板焊接而成，两侧为了安放轴承以支持转子用钢板焊接成轴承支座，为了便于检修，调整和更换筛板，下箱的前后两面都开有检修孔。

2．转子部分

转子是锤式破碎机的主要工作部件，它由主轴、圆盘、锤头及销轴组成，圆

盘主要是用于装夹锤柄，在锤柄上用销轴将锤头悬挂着.

3.筛板及其它部件

在破碎机的下半部装有出料筛板及筛板组合体,则筛板组合体是筛板和用钢板焊接而成的筛板架组合而成的,筛板的安装形式是筛板的筛齿与锤头运动方向垂直,与转子的回转半径有一定间隙的圆弧状.合格的产品通过筛板排出,大于筛缝的物料在受锤头冲击和研磨作用而破碎,直至通过筛缝排出,在进料部分安装有进料口平齿板、一腔反击板，边衬板。

它由锤头螺杆连接在箱体上的，高锰钢衬板，反击板磨损后都可以更换，维修比较方便。

4．安全保护装置

为了防止金属物进入破碎机造成事故，一般锤式破碎机都有安全装置。

在主轴上装有安全铜套，皮带轮套在铜套上，铜套与皮带轮则用安全销连接，当锤式破碎机内进入金属或过负荷时，销子即衩剪断，使皮带轮与主轴脱离而起保护作用。

5．传动系统

　　电运机通过皮带轮直接带动转子转动，在主轴的两端都设有轴承及轴承座，轴承座主要的用途就是减振性很好，可减少转子旋转的不均匀性，以保证机器平衡运转。

2．22破碎机的特点及使用

破碎机的特点：

在国内常用的五大类破碎机械中，锤式破碎机属于以冲击作用为主来破碎脆性物料的机器，故常被为冲击式破碎机。

冲击式破碎机与以挤压作用为主的破碎机相比有以下特征：

（1）破碎比小，冲击式破碎机的破碎比可达到50以上，而鄂式破碎机很难超过20。

于是，在需要单段破碎的场合，例如水泥工业的石灰石破碎，冲击式破碎机使用十分普遍。

（2）产品颗粒好。

在冲击作用下，被破碎物料往往沿着其最脆弱层碎裂，这种选择性破碎法，其颗粒呈立方体形态的概率较高，故冲击式破碎机产品的针片状百分比含量可低于10%，而颚式等破碎机产品的针片状百分比含量会高于15%，于是，在需要产方体颗的场合，例如：

高等级公路的防滑路面，通常采用冲击式破碎机来作为终破设备。

生产混凝土骨料。

所以，锤式破碎机在众多的破碎机械中占有重要地位，然而，由于锤式破碎机是采用冲击原理破碎物料，其打击件，如：

锤头、反击板、筛板等，在使用中磨损甚快，对于含水分较（过10%）和粘性的物料，筛缝易产生堵塞，且降低产量和增大电耗。

破碎机是冶金，建材，化工和水电等工业部门中细碎石灰石，煤或其它中等硬度以下脆性物料的主要设备之一，具有破碎比大，生产能力高，产品粒度均匀等特点。

一段锤式破碎机可将入料粒度为1100mm的物料一次破碎到20mm以下，因而可将传统的两段或三段破碎改为一段破碎，简化工艺流程，节省设备投资，降低消耗及其它生产费用。

锤式破碎机结构先进，性能可靠，工作平衡，能耗低。

锤式破碎机可分可逆式和不可逆式两种，可逆式的转子可以逆转，一般用于细碎，不可逆式的转子不可逆转，一般用于中碎。

一段锤式破碎机为不可逆式。

锤式破碎机适用于破碎各种脆性材料的矿物。

被破碎物料为煤、盐、白亚、石膏、明矾、砖、瓦、石

灰石等。

其物料的抗压强度不超过100兆帕，湿度不大于15%

第三章破碎机主要参数的确定

3．1转子转速的确定

转子圆周速度大小取决于破碎机的规格、产品粒度、和物料性质，增加圆周速度，可使破碎比以及产品中细粒级含量增加，但是圆周速度过大，将显著增加功率的消耗，同时会引起锤头、筛板和衬板的强烈磨损，欲得到均匀的中等尺寸品，转速应低，锤头数目应少，欲使破碎产品粒度小，则应增大转子的速度或增多锤头的数目。

转子的圆周速度，一般在30~50m/s，因而，转子直径为300~600mm的锤式破碎机。

转子转速n=1000~3000r/min，转子直径为600~1000mm的锤式破碎机，n=600~1500r/min,转子直径为1000~3000m的锤式破碎机，n=3000~10000r/min,通常把圆周速度大于30m/s的称为快速锤式破碎机，小于30r/min的称为慢速锤式破碎机。

3．2锤式破碎机的产量

锤式破碎机的产量与物料的性质，破碎机的规格，破碎比和给料的均匀程度等因素有关，单转子锤式破碎机在破碎石灰石时，其产量通常采用经验公式计算

Q=KDLp（3-1）

式中Q——产量，t/n；

D——转子直径，m;

L——转子长度,m;

p——破碎机产品容积密度，t/m3;

K——系数，K=30-45。

破碎煤时仍按式（3-1）计算，但K=130~150。

3．3电动机功率

在实际应用中,一般多采用经验公式确定锤式破碎机配用电动机的功率.

Nm=GR2N3mk/1×

107η（3-2）

式中Nm——电动机功率KW；

G——每个锤头重量，N；

R——转子外端半径，m;

n——转子转速，r/min;

m——锤头总个数，η——破碎机有效利用率，一般取0.7～0.85，K校正系数，参数见表3-1选取。

式（3-2）适用于n=600-1000r/min的转速锤式破碎机

表3-1圆周速度系数

锤头圆周速度（m/s）

17

20

23

26

30

40

50

系数K

0.22

0.16

0.10

0.08

0.03

0.015

0.008

经验估算式：

Nm=KD2Ln

式中Nm——电动机功率，KW；

L 

——转子长度，m;

N 

——转子转速，r/min；

K——系数，K=0.1～0.2，对于大型破碎机K=0.15～0.20,中型破碎机K=0.15，小型破碎机K=0.10

附：

锤式破碎机技术性能表

破碎机制沙生产性能参数

转子工作直径×

Φ800×

400

600

800

Φ1000×

1000

1200

入料粒度（mm）

≤40

≤50

调节间隙（mm）

5-15

制砂能力（方/小时）

4-5

6-8

10-12

16-19

18-22

电机功率（kw）

37-45

45-55

55-75

90-110

110-132

外型尺寸（长×

宽×

高）（mm）

1300×

1400

1500×

1700×

2150

1900×

转子速度

960

975

3．4锤头的打击平衡

锤式破碎机是一种高速回转且靠冲击来破碎物料的机械,为了使它能正常工作,先必须使它的转子获得静平衡和动平衡,首先必须使它的转子获得静平衡和动平衡.如果转子的重心离开它的几何中心线,则产生静力不平衡现象,若转子的回转中心线和其主惯性中心线相交,则将产生动不平衡现象,这两种不平衡现象,都会使机器产生较大的惯性力和力矩而大大缩短零件的寿命.因此,锤式破碎机的转子上各零件,制造精度应为IT7,而且必须进行静平衡和动平衡检验.

当锤式破碎机的转子进行静平衡和动平衡后,再设计和安装锤头时,还必须正确地选择锤头的悬挂位置,如果锤头悬挂得不正确.则将伴随着锤头与物料的冲击,在锤头销轴、转子圆盘、主轴及主轴承上产生打击反作用力，而显著缩短零件的寿命。

锤头打击物料时，反作用力的影响如图3-1所示，在锤头点上作用打击力№,如果锤头悬挂得不正确，则锤头是非打击平衡锤，则在锤头销轴上将产生打击反作用力Ny.根据作用力等于反作用力的原理，该力边作用在转子转盘的销孔上，其力用Ｎy′表示，其方向与Ｘy相反，如果转子已经静力和动力平衡，则作用在转子圆盘销孔上的打击反力Ｎy′也将传给转子轴上，该力用Ｎ′表示，而Ｎ′力的反作用力Ｎ′将作用在转子中心孔上。

Ny′将作用在转子中心孔上。

Ｎy′与Ｎ′在转子圆盘形成逆转向的打击力偶。

因而额外地消耗了能量，作用在转子轴上的打击力Ｎ′将传给轴承，使轴承在工作中受到与打击次数相同的连续冲击（打击频率约为每小时数万次），因而显著地降低零件（轴承等）的使用寿命。

为了避免破碎机工作时产生打击反作用力，必须使所安装的锤头是打击平衡锤头。

所谓打击平衡锤头，就是指锤头打击物料后，在其悬挂销轴上不产生打击反力。

根据此打击平衡原理，在设计和改进锤式破碎机的锤头时，就必须对所选用锤头的几何形状进行打击平衡计算．

现以最常用的几何形状最简单的，具有一个销轴孔的锤头进行打击平衡计算如图3-2所示是只有一个销轴孔的简单矩形锤头。

图3－１打击反作用力图

1－锤头　　　2－销轴　　　　3－转盘　　　　4－主轴

图3－2头悬挂销轴孔的位

在计算之前，先假定锤头的打击中心在其外棱处，即锤头以其外棱打击物料．然后通过计算得锤头最合适的悬挂销轴孔来满足打击中心公式．

L=JF0/F0C

式中L—锤头悬挂中心０至打击中心（锤头外棱）的距离，cm;

JF0——锤头面积Ｆ0对悬挂中心O的极惯性矩，cm4;

F0——有销轴孔锤头的面积，cn2；

Ｃ――锤头悬挂中心（销轴孔）Ｏ至重心Ｓ的距离，cm.

具有销轴孔锤头的面积F0为：

F0=ab-∏d2/4

式中a――锤头的长度，cm;

b――锤头的宽度，cm;

d－－锤头悬挂销轴孔直径，cm.

从图3－2可知

C=a-x（cm）

根据面矩定理，在图2－2中以左边缘为基准时

ab×

a/2=（ab-∏d2/4）（x+c）+（∏d2/4）x

化简后可得

X=a/2+c[（∏d2/4ab）-1]cm

由上式 

可得

（x-）×

4ab

∏d2-4ab

设FF0-有孔锤头的面积对其悬挂中的极惯性矩，cm4;

J′FO－－无孔锤头的面积对其悬挂中心O的极惯性矩，cm4;

JFS－－无孔锤头的面积对其重心s′的极惯性矩，cm4;

Jd－－销轴孔面积对其悬挂中心O的极惯性矩，cm4；

JFZ—无孔锤头对其面积F垂直对称Z—Z的轴惯性矩，cm4；

JFX—无孔锤头对其面积F的水平对称轴x-x的轴惯性矩,cm4；

F—无孔锤头的面积，cm2；

C—无孔锤头的重心S′直悬挂中心O的距离,cm。

J’Fs=JFz+JFx（cm4）

J′Fo=J’Fs+Fe2（cm4）

J’Fo+Jd=J’Fs+Fe2（cm4）

JFo=J’Fs－Jd+Fe2=（JFz+FFx）-Jd+Fe2

=（

Fa2﹢

Fa2）－

Fdr2＋F（

－x）2

=

aba2＋

abb2－

[（π/4）d2]（

）2+ab（

∏d4

32

ab3

12

a3b

3

=＋－――a2bx＋abx2（cm4）（3-3）

由上面公式代入式（3-3）中并化简整理可得到：

16a2b

x=

－

＋

式中x—销轴孔的中心与锤头的左边缘距离，cm；

根据上述计算公式可得锤头悬挂中的位置，正确地悬挂锤头。

例如，今有a=170mm和b=125mm，销轴孔的直径d=30mm简单矩的锤头。

按式计算如：

由上述计算得x=30.5mm，即锤头的正确位置在锤头的左缘矩销轴孔o的距离为30.5mm处，使其悬挂轴，转子轴及轴承免受打击。

按上述计算方法求得锤头悬挂中心的位置，在实际工作中也难免锤头销轴不受打击反作用力的作用，因为我们在计算之初是假定锤头以其外棱打击物料，而实际上由于给料粒径的变化，锤头并非都是以其外棱打击物料，另外，由于制造和安装上的误差，以及锤头外棱和销轴孔的磨损，都会改变打击平衡的条件（l=JFo/FoC），因此，即使要新设计锤头或再作改进时，都应考虑这种情况。

第四章锤式破碎机的主要工作部件的设计

4．1Φ800×

800破碎机轴的设计

4．11轴的选料；

确定许用应力

由于破碎机的高速旋转，所有轴承受的载荷较大。

故选择的材料是40Cr,其选择这种合金钢的原因是是因为它具有较高的机械性能，可淬火性也较好，还可以传递大功率，减轻轴的重量和提高轴颈耐磨性。

40Cr经断打调质，查表可得此材料的部分机械性能如下：

表4-140Cr的机械性能

材料牌号

热处理方法

毛坏直径

mm

硬度

/HBS

抗拉强度

σb/MPa

屈服极限

σs/MPa

弯曲疲劳极限

σ-1/MPa

40Cr

调质

≤100

241~286

750

550

350

4．12按扭转强度估算轴径

根据表4-2常用材料的[t]值和C值

轴的材料

Q235A,20

35

45

40Cr,35SiMn

[t]/MPa

12-20

20-30

30-40

40-52

C

135-160

118-135

107-118

98-107

根据破碎机电机的功率P=55,转子转速N=960r/min

以及表4-2所得C=98~107

由此式子可得

d≥

=（98-107）3

=92.7～96.1mm

考虑到轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在，故将估算直径加大3%～5%，取为93.68～97.91,由《设计手册》取标准直径d=35mm.

设计轴的结构，并绘制结构草图

（1）确定轴上零件的位置和固定方式，要确定轴的结构形状，必须确定轴上零件的装配顺序和固定方式．

参考图4-1，确定轮毂从轴的右端装入，轴的左右两端装有轴承座用于固定，轴头装有皮带轮．

（２）确定各轴段的直径，如图4-1所示，轴段①（外伸端）直径最小，d1=35mm，考虑到要对安装轴段①上的皮带轮进行定位，而又必然皮带轮与轴承座之间有所摩擦，帮将轴承座安装在轴段③上，轴段③上应有轴肩，便于顺利地在轴承轴段③上安装轴承，故分别取各轴段的直径为：

轴段①Φ９５；

轴段②Φ105;

轴段③Φ110;

轴段④Φ125;

轴段⑤Φ130;

轴段⑥Φ135;

轴段⑦Φ140;

轴段⑧Φ125;

轴段⑨110

（3）确定各轴的长度

根据Φ800×

800破碎机转子各部件的尺寸，可计算出轴的总长为1615mm，根据轮毂的宽度可得:

L1=760mm其各段尺寸如下图：

4．2轴承的选择

轴承的功用是支承轴及轴上零件，保持轴的旋转精度，减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。

由于破碎机轴承的工作条件是长期性工作，温度高，所以必须要求一种高度标准化的部件。

由于破碎机工作时轴承所承受的冲击载荷比较大，故宜选用调心滚子轴承。

查有关轴承的手册，根据d3=80mm

选得型号为3622的轴承，根据破碎机轴承的当量载荷P及径向额定动载荷值，可确定调心滚子轴承型为3622的合适。

4．21轴承与轴之间的配合

为了解决零件在机器内的相互关系，保证各个零件按预定任务协调工作，必须正确选用配合，并能使制造经济合理。

公差等级和基准确定后，配合的选择主要是确定非基准件的基本偏差代号，选用时，应首先采用优先公差带及优先