按破碎機理的不同，立軸沖擊式破碎機可分為“石打鐵立軸沖擊式破碎機”和“石打石立軸沖擊式破碎機”，本文主要以后者為研究對象，以下簡稱立軸沖擊式破碎機。 上世紀80年代末, *臺立軸沖擊式破碎機在德國展出, 獲得了很大的反響。經(jīng)過多年的發(fā)展，立軸沖擊式破碎機以其破碎效率高，產(chǎn)品粒度和粒型*，機械磨損少等優(yōu)點，在多個國家得到了較好的推廣。然而，目前在 我國立軸沖擊式破碎機的生產(chǎn)中，幾乎沒有完善的理論研究成果指導該產(chǎn)品的改進和開發(fā)，只能借助部分實驗成果、經(jīng)驗和不斷地模仿國外產(chǎn)品進行設計和制造，鑒 于此，上海巍立路橋設備有限公司對立軸沖擊式破碎機的破碎過程進行了詳細的研究。
 

 
       1 立軸沖擊式破碎機的破碎過程簡介
       巖石破碎學中指出，機械作用產(chǎn)生的應力超過礦石強度極*礦石就會發(fā)生塑性屈服和脆性破壞。如圖1 所示，初破后的礦石由立軸沖擊式破碎機上方進入，然后分為兩部分，一部分向下進入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中，另一部分從四周以自由落體的方式下落；經(jīng)葉輪加速的礦 石從葉輪流道內(nèi)被高速拋射出去，首先同從四周落下的礦石發(fā)生碰撞，然后一起沖擊到機腔內(nèi)的物料襯層上，被物料襯層反彈沖擊到渦動腔的頂部，之后改變方向偏 轉(zhuǎn)向下運動，繼而與不斷被拋出的礦石形成連續(xù)的料幕。這樣，一塊礦石在渦動破碎腔內(nèi)受了到兩次乃至多次的碰撞、磨擦和研磨破碎作用，上海巍立僅就破碎過程 中的碰撞破碎過程展開研究。
 
       2 碰撞破碎模型的建立
       2.1 模型的材料常數(shù)
       衡量礦石力學性能的主要參數(shù)有彈性模量、泊松比、密度、抗壓強度、抗剪強度等，由于天然的礦石組成復雜，以上參數(shù)往往沒有定值，文獻給出了常見巖石的力學參數(shù)范圍，本文選取了其中三種列于表1 中。

圖1 “石打石”立軸沖擊式破碎機工作原理圖

 
       表1 幾種礦石模型的材料常數(shù)

      注：/后值為本文分析中所取數(shù)值。
 
      2.2 建立碰撞模型
     將礦石粒簡化為表面光滑的不同粒徑的球體；在ANSYS 中選用solid65 三維實體單元模型劃分單元并添加接觸對。假設發(fā)生的碰撞均為對心碰撞，由于被拋射出的礦石速度很高并且碰撞時間極短，在進行碰撞模擬時，近似認為四周料幕 處自由下落的礦石是靜止的，從葉輪內(nèi)被拋出的礦石水平高速撞擊四周料幕處下落的礦石。圖2 為本文分析所用的碰撞破碎有限元模型
 
     3 碰撞破碎過程的瞬態(tài)分析
     利用 ANSYS 瞬態(tài)分析模塊，對礦石的碰撞破碎過程進行分析。通過ANSYS 后處理功能得到有限元模型上任意節(jié)點的碰撞應力隨時間變化曲線圖以及礦石之間的碰撞應力分布云圖。如圖3 ～ 4 為粒徑均為30 mm 的花崗巖礦石在碰撞速度為60 m/s 時，碰撞接觸區(qū)域上一節(jié)點受到的碰撞應力隨時間變化曲線圖和相應過程中出現(xiàn)zui大碰撞應力時模型上的應力分布云圖。由圖3 可以看出該種材料的礦石在上述條件下碰撞接觸時間極短，約為0.06 ms, 從接觸到分離礦石所受應力急劇變化，分離后，礦石內(nèi)部仍存有一定的殘余應力。圖4 說明了zui大碰撞應力出現(xiàn)在被高速拋出的礦石上，對比表1 可知，zui大碰撞應力遠遠超出了該種礦石的強度極限。模擬試驗表明，破碎過程中的碰撞速度為60m/s 時，能*對粒徑30mm 的花崗巖礦石的破碎要求。
 

 
      4 不同粒徑分布下的礦石碰撞破碎過程分析
      在立軸沖擊式破碎機中， 對同種礦石進行破碎，相互碰撞的礦石粒徑不可能嚴格相同，為得到礦石粒徑對礦石破碎效果的影響情況，本文以確定材料常數(shù)的花崗巖礦石為模型，（材料常數(shù)見 表1），選定礦石被甩出的初速度為60 m/s，分別對粒徑為20 mm、30 mm、40 mm 的花崗巖礦石進行碰撞破碎模擬試驗。試驗完成后得出zui大碰撞應力以及碰撞接觸所用的時間，用曲線圖進行描述如圖5 ～ 6 所示。結(jié)果表明，相同粒徑的花崗巖礦石相互碰撞時，zui大碰撞應力隨礦石粒徑的增大而呈增長態(tài)勢，且在礦石粒徑為30mm～40mm 的區(qū)間增長較快。不同粒徑的礦石相互碰撞時，假設粒徑較小的礦石相對運動，粒徑較大的礦石相對靜止，即“小碰大”與假設粒徑較大的相對運動而粒徑較小的相 對靜止，即“大碰小”這兩種情況相比較，前者的zui大碰撞應力比后者的大。另外，碰撞接觸時間隨礦石粒徑的增大而增大，即兩者之間成正比例關(guān)系。
 
      5 不同材料和碰撞速度下的礦石碰撞破碎過程分析
      為得到不同種礦石在不同碰撞速度下的破碎情況，本文以粒徑為30mm 的礦石為模型，分別對確定材料常數(shù)的砂巖、花崗巖、玄武巖在碰撞速度分別為50 m/s、60 m/s、70 m/s 幾種情況下進行碰撞破碎模擬試驗。試驗完成后列出各種情況下礦石所受zui大應力及碰撞接觸時間，用曲線圖進行描述如圖7～8 所示。通過對比表1 中材料的抗壓強度值和以上分析結(jié)果可以看出，當碰撞速度為50 m/s 時，每種礦石的zui大碰撞應力仍大于其相應的抗壓強度的zui大值，但相差不大，所以，為了獲得較好的破碎效果，在設計沖擊式破碎機時，必須使葉輪具有足夠的線 速度，一般取50 ～ 70 m/s，也可以通過控制系統(tǒng)根據(jù)礦石的可破性不同做出相應的調(diào)整。另外，碰撞接觸時間與礦石材料沒有明顯的關(guān)系而與碰撞速度相關(guān)，且碰撞接觸時間隨碰撞速 度的增大而縮短。

       
           本文首先介紹了立軸沖擊式破碎機的 工作特點，然后利用模擬碰撞試驗的辦法，模擬了多種條件下礦石在立軸沖擊式破碎機中的破碎過程，得出了以下結(jié)果：①建立了基于ANSYS 的“石打石”碰撞破碎模型；②通過模擬碰撞試驗，測定了碰撞破碎過程中的應力和接觸時間，并統(tǒng)計了相關(guān)規(guī)律，為礦石的可破性研究提供了理論依據(jù)；③以模擬 碰撞試驗的辦法驗證了立軸沖擊式破碎機葉輪線速度的合理性，為立軸沖擊式破碎機的設計提供了參考。