立轴冲击式同步破碎机闭式转子设计.doc

济南大学毕业设计
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毕业设计

题 目 立轴冲击式同步破碎机
闭式转子设计
学 院 机械工程学院
专 业 机械工程及自动
班 级 机自0702
学 生 路阳
学 号 20070403128
指导教师 赵方

二〇一一年五月二十九日

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济南大学毕业设计
1前言
破碎机在现代社会的发展中有着重要的作用，建材、工程产品的生产，从其
原料、燃料到半成品都需要进行破碎和粉磨。
立轴冲击式同步破碎机就是在原先的立轴破碎机基础上，增加一同步技术，这样不仅提高了石料的破碎效果，同时还降低了能耗和磨损，实现了高效、低能耗的目的，拥有很强的市场竞争力。
1.1国内外立轴冲击式同步转子破碎机发展现状
立轴冲击式同步破碎机起步于国外，我国在这方面还比较落后。立轴冲击式同步破碎机的原理是基于普通立轴破碎机的“石打石”和“石打铁”改进而来。
发展趋势主要向以下几个方面发展：
(1)降低破碎机转子的尺寸大小，但又不影响破碎效果，同时对破碎产量没有影响。
(2)向整体机器的大型化发展，即在外部碰撞板设计研究，满足满足各种不同用户的需要，满足更大的产量要求。
(3)破碎机转子型式多样化 目前立轴冲击式破碎机已发展成开式转子和闭式转子两大类，每一大类又分为带反击衬板和不带反击衬板。且每一规格的机器中又有几种不同的转子转速，几种不同的电机功率和几种不同转子出口数。从而组合成不同的通过能量，不同的破碎效应，即配置的多样性和灵活性得出充分体现。
（4）全自动控制 采用计算机或PLC控制，运行中可远距离显示工作状态下的机器各种参数，如轴承的温度，机器的振动，瞬时的通过量，润滑油的质量情况等等。
1.2立轴冲击式同步转子破碎机的工作原理
立轴冲击式同步转子破碎机工作原理：物料由入料口进入，由分料锥平均分向3个导料板，物料顺着导料板运动，从装有抛料头的出料口甩出，获得第一次加速，物料运动一段时间后，与外围的碰撞板发生碰撞，产生第二次加速，从而使物料完全甩出，与破碎腔的铁砧或者石头相撞，便完成了破碎。（具体可分为“石打石”和“石打铁”两种情况）

2设计任务与要求

本次设计的主要任务是：立轴冲击式同步破碎机闭式转子的设计。
参考数据：最大入料直径：60mm
功率：264kw-320kw
转子转速范围：850-1450r/min
处理量：160-300 t/h
具体步骤：
1 确定转子的选用材料
2 转子的重要数据：尺寸大小. 转子转速 .抛料口距反转子的距离
3 主轴装置的选择:包括主轴 上轴承 上轴承座，下轴承， 下轴承座。
4 抛料头与碰撞转子角度的选择

3立轴冲击式同步破碎机转子的总体设计
3.1立轴冲击式同步破碎机闭式转子的结构
转子是立轴冲击式破碎机中的重要部件，它大体可分为两种类型的转子，即开式平板转子和闭式破碎腔型转子。转子主要由转子本体、导料板、分料锥、抛料头、耐磨板块以及上下耐磨衬板组成，一般具有三个出料口，转子示意图如图1所示。转子的内部结构可以使转子内部形成物料垫，防止物料与转子的磨损，延长转子的使用寿命降低经济消耗。转子内部的分料锥将进入转子的物料平均分给各个出料口，出料口边缘有抛料头，一般采用高耐磨材料制成，减少磨损。转子转动由于离心力的作用将物料加速到50~85m/s之间。

图1 立轴冲击式破碎机转子示意图
1、 入料管；2、入料管套；3、转子主体；4、抛料头夹块耐磨板；5、副抛料头；6、抛料头；7、下耐磨板；8、端压板；9、分料盘；10、导料板；11、上耐磨板

立轴冲击式同步破碎机闭式转子，则是在上述普通闭式转子外增加一碰撞板，使之进行第二次加速（如图2）。因此，立轴冲击式同步破碎机闭式转子与普通转子相比较，其优点是有两次加速的机会，这样在设计时，可以减小里面转子的半径，同时也可以降低主轴的转速。

图 2 同步转子

3.2设计方案的选择
3.2.1 闭式转子方案选择
同步转子半径的确定为：闭式转子半径r1=300mm
外部碰撞板半径r2=500mm
转子转速:n=1000r/min
闭式转子出料口与碰撞板夹角确定为15度。
3.2.2 主轴及支撑方案的选择
主轴是立轴冲击式同步破碎机支撑转子的主要部件，承受来自转子的重量，冲击力，因此要求主轴的材质具有较高的强度和韧性，选用45Cr，调质处理。轴承的选择，一方面要承受径向的压力，另一方面需要承受轴向的压力，因此需要两种以上轴承配合使用，可选择圆柱滚子轴承承受径向的压力，推力轴承承受轴向的压力。

4 主要零部件的设计计算和校核计算
4.1 转子结构设计计算
转子作为立轴冲击式破碎机的主要工作部件,其结构状况非常重要，对整个破碎机的性能有重要的影响。立轴冲击式同步破碎机闭式转子的结构由内部闭式转子和外部碰撞板组成，所以其主要结构由内部转子半径r、碰撞板半径R、 转子转速n、碰撞板与出料口夹角θ组成。
如图 2 所示为立轴冲击式同步破碎机闭式转子。转子由上下两个圆盘、和三块导料板围起来组成，上下两个圆盘分别带有入料口和轴套孔，三个导料板负责引导物料从出料口甩出，然后与外部的碰撞板发生碰撞，产生第二次的加速，从而使物料完成破碎。
4.1.1 转子半径的计算
转子的半径是立轴冲击式破碎机上一个重要的参数, 它与转子的转速组成了破碎机的主要性能参数。试验可以得出,在满足平衡条件要求的情况下, 随着转子半径的增加, 物料的通过量增大, 破碎机的处理能力增大;但伴随着转子质量加大, 转动惯量增大,轴承承受的载荷也增大。
转子半径与破碎机处理能力和给料最大粒度有关，根据经验利用给料最大粒度来确定转子半径，一般给料度越大转子半径也就越大。
给出计算转子直径D(mm)的公式为：
D=600+K(dmax-40) mm
式中：K-----系数，K=20；
-----最大给料粒度，mm。
设给料粒度在=60mm，带入式（3-1）中，D=1000mm。
所以可取外部碰撞板半径为R=D/2=500mm
4.1.2 转子转速n的计算
立轴冲击式破碎机的工作原理就是转子高速旋转,将物料在离心作用下抛入破碎腔,完成破碎。确定转子转速时,应考虑两方面因素:1.速度越大,物料获得的速度也就越大,从而破碎效果也就越好;2.转子速度太大,引起的震动也就越大,对机器的损坏影响便很严重。因此，应综合这两方面的因素，取一合适的转速。转子转速线速度范围一般取800-1400r/min为宜。结合同步转子的特点，它具有第二次加速的效果，因此，所取转速不宜过大。
转子切线速度一般在vx在50-85m/s之间，通过下面公式： 得n=980~1624r/min。再根据经验取转速n=1000 r/min。
式中：v -----转子切线速度，m/s；D-----转子直径。
4.1.3 碰撞板与出料口夹角θ的计算

图4-1物料相对运动轨迹
图4-1为物料初次加速后运动情况，曲线AD为物料相对转子运动轨迹，挡料板在与抛出位置成θ角度。
有公式：

Δt=/ Vt
式中w-------转子角速度；
Vt------物料切向速度；
Δt------两次碰撞时间差。
由图中几何关系得公式：

式中，R=D/2=500mm,得出r300mm,=170mm，=32，=15
所以出料口与碰撞板的夹角为15
由此可确定导向板与碰撞板的安装位置。
4.2主轴部分的设计和校核计算
(一) 轴的材料
主轴是立轴冲击式同步破碎机支撑转子的重要零件，用来承受转子的重量，冲击力等。因此所选主轴材料应具有较高的硬度，强度和韧性，可选择45Cr，调质处理。 （二）确定各轴段直径大小。
先按照公式确定轴的最小直径。
式中：P------电机功率，KW；
n------轴的转速，r/min；
n=1000r/min,P=350KW,查机械设计手册，取=112，可得80mm
确定各轴段的直径，如下图所示，轴段①和⑥直径最小，考虑到轴段①和⑥上有键槽，取d1=100mm，轴段②直径为110;轴段③直径为120;轴段④直径为110;轴段⑤直径为106；轴段⑥直径为100。

各段轴的长度分别为：l1=93mm
L2=126mm
L3=274mm
L4=240mm
L5=20mm
L6=113mm
（三） 轴的强度校核计算
（1）按扭转强度条件计算
轴的扭转强度条件为：
式中：------扭转切应力，Mpa;
T------轴所承受的扭矩，N﹒mm；
------轴的抗扭截面系数，mm；
n------轴的转速，r/min;
P------轴的传递功率，KW；
d------计算截面处轴的直径，mm;
[]------许用扭转切应力，Mpa，查手册知45Cr的[]=35-55Mpa。
带入所有数据得：=16.7Mpa[]
所以 ： 经校核可知满足扭转强度。
（2）按弯扭合成强度条件校核
轴的弯扭合成强度条件为：

------轴的计算应力，Mpa；
M------轴所受的弯矩，N﹒mm；
T------轴所受的扭矩，N﹒mm；
W------轴的抗弯截面系数，,
------轴的许用弯曲应力，查表可得，=70Mpa.
其中：b为键槽宽；
t为键槽深度；
d 为轴的直径。
带入所有数据后，经过校核，满足弯扭强度条件。

4.3 支撑轴承的选择校核计算
4.3.1 轴承的选择
破碎机转子在高速转动的情况下，需要承受的力来自轴向和径向两个方面。因此，所选轴承配合必须能承受轴向和径向两方面压力。因此需要选择两种轴承，最终选择圆柱滚子轴承和推力轴承配合使用。
（1） 圆柱滚子轴承
圆柱滚子轴承具有较大的径向承载能力。它的外圈（或者内圈）可以分离，故不能承受轴向载荷，滚子由内圈（或外圈）的挡边轴向定外，工作时允许内，外圈有少量的轴向错动。根据轴的直径d和转子转速n，选择轴承型号为N2220E.
如下图：

推力球轴承
能够承受轴向载荷，高速离心力大时，钢球与保持磨损，发热严重，寿命降低，故极限转速很低。选择型号为51412。
如下图：

(3)润滑方式的选择
润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中润滑剂不能降摩擦阻力，还起着散热，减小接触应力，吸收震动，防锈蚀等作用。
轴承常用的润滑方式有油润滑和脂润滑两类，选用哪一类润滑方式，这与轴承的转速有关，一般用滚动轴承的DN值表示轴承速度的大小。
本次设计采用轴承分别为圆柱滚子轴承和推力轴承，根据机械设计手册所示其用脂润滑的极限转速分别为3800r/min和4000r/min，故本设计可采用脂润滑。
（4）轴承寿命的计算
滚动轴承的寿命计算公式
式中：C------基本额定动载荷；
P------轴承的当量动载荷；
n-轴承的转速；
ε------轴承的寿命指数；
对称轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3。
当量动载荷的计算：P=xFr+yFa
式中：Fr------实际径向负荷；
Fa------实际轴向负载；
X------径向系数；
Y------轴向系数；
fp------动载荷系数，查手册得fp =1.8—3.0。
所选圆柱滚子轴承型号为N220E，润滑方式采用脂润滑，查机械手册可知 p =F+0.3F(0F/F0.12);P=0.94F+0.8F(0.12F/F0.3)基本额定载荷Cr=318KN，极限转速3000r/min。
计算得： 5700h
所选推力球轴承型号为：51412，润滑方式采用脂润滑，查机械设计手册可以知道：基本额定动载荷Ca=200KN,基本额定静载荷C=395KN。.极限转速为1000r/min。
计算得： 16000h

结 论
本次毕业设计通过对立轴冲击式同步破碎机闭式转子，以及对主轴和其支撑的设计计算，对减小破碎机整体尺寸，降低机器的整体能耗，提高立轴冲击式破碎机的破碎效果有了很好的改善。
立轴冲击式同步破碎机是在传统立轴式破碎机的基础上进行改善的，通过分析转子的转速，物料的运动情况，对转子的尺寸大小以及结构重新进行设计，不仅提高了破碎机的效率，同时也减小了能耗。整个设计论证了此设计的可行性：
（1）转子的结构合理，尺寸大小，出料口与碰撞板位置合理，能够满足第二次的完全加速，能够达到破碎所需要的速度。
（2）主轴支承方案可靠，运转平稳，可以承受相应的载荷，润滑方式合理。
（3）破碎机整体布局设计合理，整体机身，电机选择，传动方式选择都很合理。
在此设计中，得到一下几个结论：
(1) 立轴冲击式同步破碎机相比传统立轴破，转子尺寸减小，整体机身尺寸也 减小了，从而对所需动能的要求降低了。
（2）轴冲击式同步破碎机与传统立轴冲击式破碎机相比较，在相同转速的条 件下，物料的加速情况更好，石料的破碎效果更好。
（3）立轴冲击式同步破碎机对主轴的要求降低，因为转子有两次加速的机会，在闭式转子内所要获得的速度要求不是很高，因此转子的转速比以前降低了。
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