颚式破碎机齿板与齿距对破碎性能的影响

齿板是颚式破碎机破碎过程中直接与物料接触的零件，由于齿板经常受到挤压、冲击、碰撞，导致齿板极易磨损甚至失效，频繁的更换齿板，将严重影响企业的经济效益，因此，为了延长齿板的寿命，本文通过建立有限元模型，分析齿板破碎过程中与齿距对破碎性能的影响，从而为齿板及齿距的改造提供依据。

一、有限元模型的建立

1、边界条件和载荷

根据颚式破碎机的实际工作情况，定颚齿板的底面设置为固定约束，而动颚齿板设置为周期性运动。幅值的圆周频率设置为27.6rad/s。为和真实的破碎过程接近，对物料块施加Z方向的重力载荷，考虑到物料进入破碎腔具有一定的初速度，给物料块施加Z方向的初速度v=0.1m/s。

2、齿板齿形

本文中研究的是梯形破碎齿。该齿形的使用有利于破碎出相对合理的产品粒度、粒形，所以被广泛使用。m为齿根宽，t为齿距，a为齿形角，r为齿形圆角。本文中主要研究齿距单因素对破碎性能的影响规律，即设定齿根宽、齿形角和齿形圆角不变，而单独改变齿距，即以m=35mm，α=25°，r=5mm，t分别为70mm、75mm、80mm建立有限元模型。

二、数值模拟分析

1、破碎行为

从力学机制上看，物料破碎主要表现分为两种形式，即剪切破坏和拉伸破坏。按照采用的材料模型的失效原理，物料首先在大拉应力超过抗拉强度的部位产生裂纹。物料与破碎齿接触的区域相对较小，作用区域在挤压作用下出现初始裂纹。随着齿板破碎齿的挤压，接触面迅速扩大，在接触区及其周围萌生大量裂纹。微裂纹扩展，相邻单元达到大开裂拉应变或者剪应变失效准则而发生破坏，在可视化结果中显示破碎的效果。在每次齿板压缩动作下，都将经历发生压实阶段、微裂纹萌生和扩展阶段这两个渐变期，终在某次齿板动作下进入断裂破坏的突变阶段。

结合75mm齿距的破碎过程来揭示物料在齿板破碎齿作用下的裂纹拓展模式。物料刚接触破碎齿时，在接触点区域产生高度的应力集中，随着进一步压实，单元因达到开裂应变致出现一条或多条裂纹，并随之拓展，物料裂解碎屑形成，其余的裂纹在物料体内部成为残余裂纹，在随后的破碎环节中将加速破碎的进展。两块齿板的破碎齿在空间上相互错开，故齿板和物料冲击过程中内部受到折弯作用，在块体上部与两个破碎齿接触的中间区域产生弯曲拉应力，又由于破碎齿的侵入而造成接触区域边缘局部拉应力显著增强，因而主裂纹从破碎齿旁的区域开始萌生拓展。

2、单因素条件下破碎性能与齿距的关系

由于齿距在齿形参数中是对破碎效果产生影响的重要参数，本文对破碎过程中的齿板大反作用力、齿板应力、破碎程度这三个性能指标对碎性能进行评价。齿板大反作用力体现了破碎物料所需要能量消耗的水平。齿板大反作用力在齿距为70mm～75mm之间时增加较为显著，而齿距从75mm～80mm时，破碎力增大速度减缓。这就意味着，碎矿功率随齿距的增大而增大，齿距从75mm再继续增大时功率增加较缓。由此可知，要减小破碎物料的功率消耗可以通过减小齿距的措施来实现。齿板在实际制造过程中，冶炼、铸造时形成的夹杂物和气孔的缺陷或者金属晶格缺陷在反复的冲击、研磨作用下产生裂纹并继续拓展，将造成齿板失效。表面应力增大将加速齿板失效的进程，应力较小则有利于齿板使用寿命的延长。从模拟结果看出齿距75mm和80mm的破碎效果要优于70mm，在模拟的齿距中75mm齿距达到了破碎程度。这就意味着齿距在75mm～80mm之间，可以获得比较良好的破碎效果。

三、齿距与破碎性能的灰色关联分析

为分析齿距和各性能参数之间的关联度，拟采用邓聚龙提出的灰色关联分析法。灰色关联分析法是建立在灰色系统理论基础上的一种定量评价方法，以各因素的样本数据为依据，根据评价因素之间的发展态势的相似或相异程度，来衡量评价因素之间的关联程度，用灰色关联度来描述因素间关系的强弱。关联度可以知道:齿板大作用力和齿距的关系为密切，单元破坏质量次之，和齿板应力关系弱。故在单因素条件下调整齿距对齿板大反作用力影响为显著。齿板大反作用力反映了能量消耗的水平，这个结论为齿板破碎齿的设计和改造提供了参考。

通过有限元模型的建立，分析颚式破碎机齿板与齿距对破碎性能的影响规律，得出了齿板的大应力及优齿距，为破碎机的改造提供了有效的参考依据。