我國華北地區(qū)混凝土攪拌站冬季混凝土施工所用骨料之一沙子含水量較高，加上天氣寒冷，沙子常結(jié)成塊，且強度較大，給混凝土施工進料造成嚴重影響，減慢了生產(chǎn)施工進度，所以迫切需要設(shè)計一種專門用來破碎凍沙塊的破碎機械。國內(nèi)當(dāng)前主要生產(chǎn)的破碎機械主要有壓碎、沖擊破碎、磨碎等方法。由于物料的形狀不規(guī)則，物料的尺寸一般以粒度來衡量，即以物料能通過的孔徑大小來確定。根據(jù)原材料和產(chǎn)品的粒度大小，把破碎過程分為粗碎、中碎和細碎3類。而破碎機有顎式、錐式、輥式或滾筒式、轉(zhuǎn)子式及錘式幾種。MMD破碎機是英國MMD公司20世紀90年代新開發(fā)出來的破碎機，其主要破碎機理是通過2個相對轉(zhuǎn)動的破碎輪將送入人料口的大型物料剪切破碎。MMD破碎機突破了傳統(tǒng)破碎機以壓潰破碎的破碎理論，且大膽嘗試用剪切破碎機理來實現(xiàn)破碎。從使用情況來看，MMD破碎機較為節(jié)省能量，在相同破碎能力的破碎機中，MMD型破碎機消耗能量僅是普通顎式或輥式破碎機耗能的50%左右。但遺憾的是，國內(nèi)的起重運輸機械生產(chǎn)廠家都還沒有掌握此種破碎機的生產(chǎn)與制造技術(shù)。
1、解決方案
1.1整體破碎系統(tǒng)生產(chǎn)線的方案確定
整體破碎系統(tǒng)生產(chǎn)線的方案是：用一鏟車不斷地向破碎機的料斗喂料，塊料經(jīng)料斗漏到破碎輥間被破碎輥剪切、擠壓破碎后，落到帶式輸送機上，再將其輸送到其他地方等待給混凝土攪拌機人料。
1.2機型及破碎機理的確定
結(jié)合顎式破碎機、旋轉(zhuǎn)式破碎機和輥式破碎機的破碎特點和MMD破碎機的破碎機理，考慮上述機械實驗結(jié)果應(yīng)力值不太大等特點，確定以齒輥式破碎機作為凍沙破碎機的機型。又結(jié)合當(dāng)今較為先進的MMD破碎機的破碎機理，將輥子設(shè)計成1節(jié)大齒1節(jié)小尖齒的形式。整個破碎過程可以分為2個階段：第1階段，大塊物料先被相向轉(zhuǎn)動的且錯開的大齒與大齒剪切破碎，此時物料被破碎成小塊物料；第2階段，小塊物料再落人大齒牙間，在大齒牙間2輥繼續(xù)相向運轉(zhuǎn)，小尖齒給物料施以壓力，物料完全達到預(yù)先想要的粒度，完成整個破碎過程。
1.3工作原理
2個電機通過帶輪帶動2個減速器，2個減速器分別輸出扭矩帶動2個破碎輥相向運轉(zhuǎn)，為了使破碎輥不相互打齒，2個破碎輥必須用滾子鏈實現(xiàn)同步，這樣由料斗落人的物料將落人2相向滾動的破碎齒間完成破碎過程，如圖1所示。減速器輸出扭矩帶動1個主動輥，輥另一端有1大齒輪與從動輪上大齒輪嚙合。從動輥又可以沿導(dǎo)軌滑動，另一端用彈簧頂住來防止過載。但是，由于從動輥工作時物料橫向往復(fù)運動，使2輥上的齒輪在受扭矩作用的同時產(chǎn)生橫向位移，造成從動輥上的齒輪刮削和磨損，降低使用壽命。同時易使大齒輪滾鍵，維修頻繁而影響生產(chǎn)。且在設(shè)計制造大齒輪時由于尺寸較大，加工成本較高，在使用時，無法使用油潤滑，但使用環(huán)境惡劣，易造成大齒輪磨損。制造大齒輪時必須開模鑄造，制造周期較長，與甲方所提出的工期要求不符。所以單電機單減速器的設(shè)計方案不可行。
再者2個破碎輥要實現(xiàn)同步，可以用萬向節(jié)，也可以用滾子鏈，萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但2同步軸必須同軸心，這就需要減速器中必須有1對傘齒輪，由于本設(shè)計想選配減速器，這必將導(dǎo)致2破碎輥的中心距較大，又因破碎輥的直徑已被所選定的外購件一牙齒所確定，所以最終此種方案沒有被采納。用滾子鏈實現(xiàn)同步雖然結(jié)構(gòu)較大，但其性能較為穩(wěn)定，且2輥間的中心距可以通過加鏈節(jié)的辦法來調(diào)節(jié)。最主要的是用滾子鏈實現(xiàn)同步，2同步軸是相互平行的，不會導(dǎo)致2破碎輥中心距太大，且選配減速器也較為方便，所以最終用滾子鏈在高轉(zhuǎn)速低扭矩的減速器輸入軸上實現(xiàn)同步。
1.4過載問題
從電路上通過一限流繼電器來限制電機過載，一旦有大石塊或其他情況而導(dǎo)致破碎輥卡住不能轉(zhuǎn)動，此時電機過載，轉(zhuǎn)子電流必將增大，繼電器給電機斷電并延時1s，之后，電機反轉(zhuǎn)又延時2s，接著，電機斷電停車復(fù)位，工人清理后手動開機。
2、原始數(shù)據(jù)采集
為了采集必要的原始數(shù)據(jù)，在北京建工集團五建公司攪拌站做了關(guān)于測試凍沙破壞應(yīng)力和破壞機理的實驗。將含水量8.6%的沙子以自然壓實度裝入模型，模型的規(guī)格分別為：100×100×100的正方體2個，150×150×150的正方體2個，不規(guī)則形狀3個。然后將模型裝入冰柜，冰柜內(nèi)放置1個溫度傳感器，將溫度傳感器的上限定為-19.9℃，下限定為一20.0℃。溫度傳感器給出脈沖信號到固態(tài)繼電器，而后繼電器控制冰柜的制冷壓縮機電源，使其溫度恒定在-20℃。冷凍3天后將模具從冰柜中取出，迅速拆開模具，將凍沙塊搬到壓力機上做壓碎實驗。
3計算模塊組成
由于凍沙破碎機中計算參數(shù)有一定的相關(guān)性，且計算工作量大，容易出錯。為此有必要編制計算程序。
4、總裝設(shè)計
總裝設(shè)計主要包括：電機、帶傳動、同步器、減速器、聯(lián)軸器至破碎輥的整體裝配位置的布置以及機架的整體布置、上下料斗的設(shè)計。考慮到節(jié)省空間電機布置在減速器下面，又因為帶傳動需要張緊裝置、電機需要安裝在擺架上。電機通過帶傳動將動力傳給減速器。給其裝上1套同步器實現(xiàn)2破碎輥的同步，同步器的導(dǎo)向輪裝在機架的導(dǎo)向支撐架上。減速器裝在基準板工上聯(lián)軸器與減速器輸出端，破碎輥支撐在2調(diào)心滾子軸承上，軸承支座采用國標SN系列，軸承支座又裝在基準板Ⅱ上。確定機架的總體設(shè)計方案：3層雙跨機架結(jié)構(gòu)，整體機架采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，制造方便，重量輕，強度高，結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，美觀大方，單件成本較傳統(tǒng)式鑄鋼結(jié)構(gòu)大大降低，但焊縫質(zhì)量要求較高。最底層是基準面I，采用40 mm厚鋼板；中層是基準面Ⅱ，采用40 mm厚鋼板；最高層用來支撐上料斗，為了防止上料斗傾翻，在機架的4個角上焊上8個吊耳，料斗的4個面的上沿中心也焊4個吊耳，在吊耳間用鋼絲繩拉緊。上破碎輥罩裝配在基準面Ⅱ上。考慮出料用帶式輸送機，由此設(shè)計整機機架高度，機架的主干結(jié)構(gòu)采用槽鋼對焊，3根主梁采用不等邊角鋼對焊。上下料斗采用8mm鋼板焊接結(jié)構(gòu)，考慮破碎機上料時采用ZL50裝載機喂料（鏟寬2850mm、鏟斗容量3m3），將上料斗入料口設(shè)計為3000 mm×1000 mm的矩形。機架與地面固定采用地腳螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)6x4xM20。
5、結(jié)論
(1)2距離較大的平行軸實現(xiàn)相向同步的設(shè)計突破了傳統(tǒng)的用齒輪實現(xiàn)同步的方法，采用了同步鏈輪加導(dǎo)向鏈輪。前者齒輪直徑較大，制造加工困難，成本較高；后者鏈輪直徑不受限制，制造加工簡單，成本低。
(2)采用鏈輪實現(xiàn)同步的方案，會產(chǎn)生多邊形效應(yīng)，而導(dǎo)致在向減速器輸入轉(zhuǎn)矩時角速度不恒定，帶來沖擊，但不影響同步。機架的總體設(shè)計方案較優(yōu)，只是焊縫質(zhì)量要求較高。
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