矿物加工工程振动破碎技术与理论

矿物加工工程振动破碎技术与理论

许剑生、刘桥迪

紫金矿业集团股份有限公司

摘要：矿石大多以晶体的形式存在，同时在其形成过程中往往含有杂质，在不同物质的交界面、晶格的缺陷、错位等不均匀处强度低。固体矿石内部存在大量微裂纹等缺陷，沿着这些缺陷可轻易形成裂纹并逐步扩大直至物料破碎。利用这种方法实现物料的破碎具有节能降耗以及选择性破碎的作用。利用振动作用可使得物料在缺陷处产生裂纹，并通过持续的振动作用使得裂纹不断扩大发生破碎，理论上可破碎任何硬度的脆性物料。因此，振动破碎具有高效节能降耗的特点。在矿物加工过程中，不可避免的要进行物料的破碎。本文对矿物加工工程振动破碎技术与理论进行分析。

关键词：矿物加工；振动破碎技术；理论

1振动破碎技术现状

一般来说粉磨物料所消耗的能量占一般选矿厂能耗的60％以上，主要原因在于磨矿能量利用率低，“多碎少磨”已成为降低能耗的普遍共识。振动破碎技术装备不仅可实现物料的高效解离破碎，具有节能降耗与选择性破碎的特点，在处理高硬度成分复杂方面具有良好的“过铁”性能，可作为研究处理冶金渣、建筑废弃物、电子废弃物等复杂成分固体废弃物有前景的方向。然而，目前振动破碎技术的发展仍受到多个因素的制约，主要体现在动力学行为相对复杂、制造技术要求高、关键部件可选择材料的可靠性低、系统性能稳定性相对较差；进一步深化振动破碎的应用，利用其突出的技术性能为工业生产服务仍有较多的课题有待研究。

2振动破碎技术与装备

惯性振动破碎机实现废旧钢筋混凝土的高效解离。良好的转子同步行为对设备的工作特性具有重要作用，其扭转弹簧的刚度是保证破碎效果的关键参数。目前该设备已在处理铬铁合金方面具有良好的应用。从其结构来看该设备简单，可实现自平衡，不需要牢固的地基；性能上可破碎高硬度复杂物料，处理废旧钢混建材时，可实现钢筋、骨料等快速解离，在处理城市固体废弃物、再生骨料等方面具有良好的应用前景。为方便废旧钢混建材等长径比较大物料出入破碎腔，相关学者进一步设计了倾斜式惯性振动破碎机，研究了双振动转子在倾斜设计条件下的同步行为，将破碎腔倾斜设计，有效解决了原有惯性振动破碎机入料与出料高度的问题。此外，沈阳重型机械厂、洛阳矿山机械工程设计研究院、东北大学等单位相继开展了振动破碎技术及装备的研究工作，取得了系列成果。洛阳矿山机械工程设计研究院开发的振动圆锥破碎机结构如图1所示，与惯性圆锥破碎机主要不同点在于利用弹簧代替球面轴承支撑动锥运动，因而在系统力学特性上，设备可工作在亚共振区、共振区以及远共振区。虽然关于振动圆锥破碎机的研究不及惯性圆锥破碎机普及，但由于其特殊性能，国内目前已形成系列产品，生产出近70台，产生了良好的经济效益。东北大学在沈阳市科学技术局的资助下，研制了一种利用系统振动自同步特性的振动圆锥破碎机，系统采用双机驱动，可方便的通过调节激振器的偏心惯量实现参数调节。总体看来，由于振动破碎的特殊性能，国内外研究人员均积极开展了富有成效的研究。随着相关工业技术的不断发展，振动破碎技术及装备仍在不断进步。与普通破碎机相比，振动破碎系统对参数更为敏感。除了相关制造材料开发之外，其研究的重点在于系统结构动力学。

3振动破碎系统动力学理论

苏联选矿设计研究院在其先进的振动理论研究基础上成功开发了惯性圆锥破碎机与振动颚式破碎机，结合流化床、振动筛的相关设计理论，发展了“振动系统动态自适应性的理论”。关于惯性圆锥破碎机的振动特点，动锥的动力学行为体现了行星转子系统的自同步特性；正是由于该系统的频率俘获趋势，设计了快速实现设备间隙的自动调节装置。振动颚式破碎机以及东北大学开发的振动圆锥破碎机的设计基础是振动转子的自同步理论，利用转子在振动耦合条件下可实现振动自同步的特点保证了系统的动态自平衡。不同于安装在同一振动体上的单质体或双质体转子自同步理论，振动颚式破碎机的转子安装在不同质体上，质体之间存在刚度耦合，因而存在特征频率，在特征频率附近，系统转子的同步行为具有高稳定性与高容差度的特点。俄罗斯米哈诺布尔技术股份公司开发振动冲击破碎机及美国General Kinematics集团设计的VIBRA-JAWTM系列振动颚式破碎机的动力学系统基于转子的自同步理论，以及反共振原理设计，振动转子的自同步理论为激振系统提供了较为稳定的激振源，反共振原理使得工作结构与激振系统分开设计，有效缓冲了破碎过程中的振动冲击对激振系统的影响，提高了设备稳定性与可靠性。法国FCB集团设计的惯性圆锥破碎机利用四个转子驱动，四个转子的运动关系及调节由专门设计的控制系统实现控制同步。值得注意的是，四个转子的控制同步及相位调节需要克服振动自同步产生的振动力矩，如果相关技术不成熟或自适应能力差，常常会发生烧毁电机的行为。其转子的控制技术是开发这类设备的关键。然而，对于振动破碎系统来说，高频的重载振动冲击作用常常使得结构弹簧动力学特性。对于反共振技术而言，其对弹簧刚度的敏感性高。弹簧的刚度变化会直接影响系统的工作性能，反共振振动破碎技术的稳定性相对较差。类似的系统的振动转子自同步特性受到弹簧刚度的影响，若系统工作在远共振区，弹簧性能的变化对系统的影响会明显弱化。控制同步虽然系统复杂，但转子同步的鲁棒性优势明显。因此，对于反共振原理、转子自同步特性优化了设备的结构特点，对于开发高性能振动系统，开发适用于高频重载条件下的同步控制技术是重要的研究方向。对于单激振器振动破碎系统，设备的运转频率应考虑系统的共振区间。多数振动破碎设备均采用减振系统，减振系统会发生疲劳性质的力学性能变化，多数情况下，固有频率会降低，因此将设备的工作频率设计在系统的远共振区间会有更高的稳定性。

4结语

综上所述，振动破碎技术是解决复杂高硬度物料破碎的重要方法，具有节能降耗、选择性破碎的特点，是实现“多碎少磨”工艺流程的研究热点。国内外均开展了相关的技术研究，振动破碎技术不断进入矿山、建材、化工等行业的生产流程，产生了良好的经济效益。受制于材料疲劳力学性能的变化影响以及振动系统的复杂特性，振动破碎技术优势常常难以充分实践。随着相关制造技术与材料的不断提升与优化，借助智能控制技术，振动破碎技术及其稳定性进一步完善，对粉碎领域产生深远的影响。

参考文献

[1]碎磨工艺现状及发展趋势[J].雷存友,余浔,冯裕果.有色金属(选矿部分).2019(05)

[2]惯性振动破碎机转子自同步研究[J].王晓波,陈帮,刘方明,王旭,梁国栋.矿山机械.2017(05)