CN110152771B - 物料破碎腔结构及多级嵌套式物料破碎腔结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种破碎腔结构，属于圆锥破碎装备破碎腔技术领域。所述破碎腔结构包括：第一破碎腔结构，用于通过破碎具有第一物料特征的输入物料，所述第一破碎腔结构具有与所述第一物料特征匹配的第一破碎腔和第一衬板结构，且所述第一破碎腔和所述第一衬板结构构成第一级物料破碎通道；第二破碎腔结构，用于通过破碎具有第二物料特征的第一级物料，所述第一二级物料由所述输入物料通过所述第一级物料破碎通道后得到，所述第二破碎腔结构具有与所述第二物料特征匹配的第二破碎腔和第二衬板结构，且所述第二破碎腔和所述第二衬板结构构成第二级物料破碎通道。本发明用于物料破碎腔结构设计。本发明具有高效能特性和低磨损特性。

Description

物料破碎腔结构及多级嵌套式物料破碎腔结构设计方法

技术领域

本发明涉及圆锥破碎装备破碎腔技术领域，尤其涉及物料破碎腔结构、多级嵌套式物料破碎方法及多级嵌套式物料破碎腔结构设计方法。

背景技术

圆锥破碎机的工作机构是由破碎壁和轧臼壁构成，破碎壁通过其中的主轴偏心安装于轧臼壁中间，且破碎壁可以相对于轧臼壁摆动。破碎壁在摆动过程中，对破碎腔中物料进行破碎，使矿石粒径不断变小，直至将物料破碎至特定粒径以后排出破碎腔。

目前我国的破碎行业所使用的破碎机主要有两类，一类为传统的弹簧式圆锥破碎机，这类破碎机是以动锥获得大位移和大破碎力，对物料进行挤压破碎。因动锥的转速较低，破碎腔形状为常规的倒锥形腔体结构，其破碎效率低；另一类是以三特维克和美卓为代表的国外进口破碎机，这类破碎机的装机容量大，动锥转速高，且采用层压破碎腔型结构，其破碎效率相对较高，但衬板磨损过快，设备运行成本大幅上升。

圆锥破碎机的破碎产能和排料粒度与破碎腔型几何结构、破碎壁和轧臼壁的几何结构密切相关；破碎腔型形状在前期与后期的一致性，破碎壁和轧臼壁使用寿命的长短，与破碎腔型结构、衬板几何结构及其衬板材料成分有关。

目前，圆锥破碎腔型主要根据粗碎、中碎和细碎的进料粒度和破碎比，且啮角不超过25°等条件，设计衬板工作面形状单一的V形破碎腔；矿石在这种破碎腔内的停留时间短，受到的施载方式单一，未能对物料实施选择性破碎；此外，越靠近破碎腔底部，其破碎负荷越大，衬板的磨损也越快；因此，在目前衬板材料采用单一的高锰钢合金材料的情况下，在衬板使用的前期和后期，破碎腔形状将发生快速变化。

与本技术有关的专利主要有：

圆锥破碎机的破碎腔型(申请号：201620415439.5)，公开了一种圆锥破碎机(半)阶梯形破碎腔型，组成该腔型的定锥衬板为工作面为光滑内锥面，而动锥衬板的工作面设计若干台阶状结构，从而获得破碎腔也成为(半) 阶梯形结构。相比传统V形破碎腔，这种破碎腔衬板磨损均匀，破碎产品质量和破碎效能得到改善。但因只在动锥衬板工作面上设置台阶，只是减缓物料在破碎腔的下降速度，各阶梯腔型的啮角没有得到调整，层压破碎效果难于得到充分发挥。

一种圆锥破碎机(ZL 201210406843.2)，公开了一种破碎机的破碎腔包括上部为均匀给料的预备区和下部破碎平行区组成，其中预备区的啮角为零，而在平行区定锥衬板和动锥衬板的工作锥面上规则分布环状蜂窝空腔。这种蜂窝空腔可以对物料实施单颗粒粉碎和料层粉碎，可以提高细粒级产品比例，同时还能减少衬板的磨损,降低衬板的重量。但由于衬板工作锥面上的环状蜂窝空腔的截面形状、尺寸大小，对破碎效果和衬板的使用寿命的影响都很大。

一种圆锥破碎机的破碎腔型(ZL 201120476948.6)，公开了一种定锥衬板的工作面的母线为曲线，动锥衬板的工作面的母线为直线，且定锥和动锥轴线之间的采用大夹角(10-20°)而形成的一种破碎腔。因动锥衬板的摆角大，可以大破碎力，适应于粗碎，但破碎产品粒级分布宽。

圆锥破碎机衬板结构(ZL201220695220.7)，公开了一种圆锥破碎机的 (半)阶梯形破碎腔型，组成该腔型的动锥衬板为工作面为光滑内锥面，而定锥衬板的工作面设计若干台阶状结构，从而获得破碎腔也成为(半)阶梯形结构。相比传统V形破碎腔，这种破碎腔衬板磨损均匀，破碎产品质量和破碎效能得到改善。但因只在动锥衬板工作面形状单一，且其下部的工作面磨损较快，使破碎腔型底部的腔体形状在衬板寿命的后期变化较大，而导致破碎效果变差。

基于以上分析，现已公开的有关圆锥破碎腔和衬板结构专利技术，均未涉及到本发明内容。因此，研究一种多梯度嵌套式层压破碎腔型与衬板结构的技术设计方法，提升破碎效能，延长衬板使用寿命，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种物料破碎腔结构、多级嵌套式物料破碎方法及多级嵌套式物料破碎腔结构设计方法，其旨在解决现有技术由于没有考虑破碎过程中物料特征变化导致的效能低下和磨损严重等技术问题。

本发明方案如下：

一种物料破碎腔结构，包括：

第一破碎腔结构，用于通过破碎具有第一物料特征的输入物料，所述第一破碎腔结构具有与所述第一物料特征匹配的第一破碎腔和第一衬板结构，且所述第一破碎腔和所述第一衬板结构构成第一级物料破碎通道；

第二破碎腔结构，用于通过破碎具有第二物料特征的第一级物料，所述第一二级物料由所述输入物料通过所述第一级物料破碎通道后得到，所述第二破碎腔结构具有与所述第二物料特征匹配的第二破碎腔和第二衬板结构，且所述第二破碎腔和所述第二衬板结构构成第二级物料破碎通道；

其中，所述第一级物料破碎通道与所述第二级物料破碎通道构成连续物料破碎通道。

可选的，还包括：

第三破碎腔结构，用于通过具有第三物料特征的第二级物料以获得破碎输出物料，所述第二级物料由所述第一级物料通过所述第二级物料破碎通道后得到，所述第三破碎腔结构具有与所述第三物料特征匹配的第三破碎腔和第三衬板结构，且所述第三破碎腔和所述第三衬板结构构成第三级物料破碎通道；

其中，所述第三级物料破碎通道与所述连续物料破碎通道构成多级连续物料破碎通道。

可选的，所述第一破碎腔结构选用层压破碎腔结构。

可选的，所述第二破碎腔结构和/或所述第三破碎腔结构选用层压破碎腔结构。

可选的，所述第二衬板结构或所述第三衬板结构设置于第一衬板结构内、与第一衬板结构构成嵌套式破碎腔结构，且所述第二破碎腔或所述第三破碎腔相对于所述第一破碎腔的腔体大小不同。

可选的，所述第二衬板结构和所述第三衬板结构依次设置于第一衬板结构内、与第一衬板结构构成多级嵌套式破碎腔结构，所述第二破碎腔和所述第三破碎腔中任意一个相对于所述第一破碎腔的腔体大小不同，且所述第二破碎腔与所述第三破碎腔的腔体大小不同。

可选的，所述第一衬板结构包括定锥衬板和动锥衬板；

所述定锥衬板和所述动锥衬板的工作面为台阶曲面，且相对输入物料位置依次形成从大至小的上层压破碎腔、中间层压破碎腔和下层压破碎腔；

所述上层压破碎腔、所述中间层压破碎腔和所述下层压破碎腔构成所述第一破碎腔。

可选的，所述第二衬板结构包括在所述第一破碎腔内通过在所述定锥衬板和所述动锥衬板的工作面上设置凹凸结构所构成的凹凸衬板结构；

所述凹凸衬板结构对应所述上层压破碎腔、所述中间层压破碎腔和所述下层压破碎腔依次形成从大至小的上部嵌套二级层压破碎腔、中部嵌套二级层压破碎腔和下部嵌套二级层压破碎腔；

所述上部嵌套二级层压破碎腔、所述中部嵌套二级层压破碎腔和所述下部嵌套二级层压破碎腔构成所述第二破碎腔。

可选的，所述凹凸结构包括：

凹形沟槽，沿所述定锥衬板或所述动锥衬板的锥面母线延伸且沟槽宽度不变；

凸形锥，与所述凹形沟槽相互间隔排列设置；

其中沿所述输入物料的位移矢量方向，所述凹形沟槽的沟槽深度相对所述凸形锥的工作面为由深至浅；

其中在选定的动锥衬板或定锥衬板纵截面内，所述凹形沟槽的对称中心面相对当前衬板的锥面母线成螺旋角，所述螺旋角旋转方向与所述动锥衬板的转动方向相同；

其中沿所述输入物料的位移矢量方向，所述凸形锥的工作面呈螺旋扇形。

可选的，所述第三衬板结构包括：

凹形楔槽，设置在所述动锥衬板相对所述定锥衬板的平行工作面上。

可选的，所述凹形楔槽按等角度间隔均匀分布于所述动锥衬板相对所述定锥衬板的平行工作面上。

可选的，所述凹形楔槽沿所述动锥衬板的锥面母线呈直线楔形结构、所述凹形楔槽的沟槽深度沿所述输入物料的位移矢量方向由深至浅且沿与所述动锥衬板锥面母线垂直的圆周方向呈弧楔形。

可选的，所述凹形楔槽包括相对所述第三破碎腔在所述平行工作面内腔壁的直线段、外弧段和內弧段，且所述直线段、所述外弧段和所述內弧段的沟槽深度按照沿所述动锥衬板锥面母线垂直的圆周转动方向由浅至深的方式分布。

一种多级嵌套式物料破碎方法，该破碎方法包括以下步骤：

S1)根据输入物料的物料特征选择第一破碎腔结构，将所述输入物料通过所述第一破碎腔结构，获得第一级物料；

S2)根据所述第一级物料的物料特征选择第二破碎腔结构，将所述第二破碎腔结构嵌套于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道，并将所述第一级物料通过所述第二破碎腔结构，获得第二级物料；

S3)根据所述第二级物料的物料特征选择第三破碎腔结构，将所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道，并将所述第二级物料通过所述第三破碎腔结构，获得破碎输出物料。

具体的，所述第一破碎腔结构具有第一破碎腔和第一衬板结构，所述第二破碎腔结构具有第二破碎腔和第二衬板结构，步骤S2)将所述第二破碎腔结构嵌套于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道，包括：

通过设置凹凸结构于所述第一破碎腔结构内的第一衬板结构工作面上，将设置了所述凹凸结构的所述第一衬板结构的部分衬板结构作为所述第二破碎腔结构的第二衬板结构并形成所述第二破碎腔结构的第二破碎腔，以使所述第二破碎腔结构嵌套于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道。

具体的，所述第一衬板结构包括定锥衬板和动锥衬板，所述第三破碎腔结构具有第三破碎腔和第三衬板结构，步骤S3)将所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道，包括：

通过设置凹形楔槽于所述第一破碎腔结构的动锥衬板平行工作面上构成所述第三破碎腔结构的第三衬板结构并形成第三破碎腔，以使所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道。

一种多级嵌套式物料破碎腔结构设计方法，该设计方法包括以下步骤：

S1)根据输入物料的物料特征选择第一破碎腔结构；

S2)根据所述输入物料通过所述第一破碎腔结构所获得的第一级物料的物料特征，选择第二破碎腔结构，并将所述第二破碎腔结构嵌套于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道；

S3)根据所述第一级物料通过所述第二破碎腔结构所获得的第二级物料的物料特征，选择第三破碎腔结构，并将所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道。

具体的，所述第一破碎腔结构具有第一破碎腔和第一衬板结构，所述第二破碎腔结构具有第二破碎腔和第二衬板结构，步骤S2)将所述第二破碎腔结构设置于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道，包括：

通过设置凹凸结构于所述第一破碎腔结构内的第一衬板结构工作面上，将设置了所述凹凸结构的所述第一衬板结构的部分衬板结构作为所述第二破碎腔结构的第二衬板结构并形成所述第二破碎腔结构的第二破碎腔，以使所述第二破碎腔结构嵌套于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道。

具体的，所述第一衬板结构包括定锥衬板和动锥衬板，所述第三破碎腔结构具有第三破碎腔和第三衬板结构，步骤S3)将所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道，包括：

通过设置凹形楔槽于所述第一破碎腔结构的动锥衬板平行工作面上构成所述第三破碎腔结构的第三衬板结构并形成第三破碎腔，以使所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道。

一种基于动态腔形的物料破碎腔结构，该破碎腔结构包括：

定锥衬体；

动锥衬体，包括转轴、与转轴连接的具有多个活动撞杆的活动撞杆阵，所述活动杆撞阵在所述转轴不同转动平面内的活动撞杆相互平行、输入物料位置所在转轴转动平面内活动撞杆最大伸展长度至破碎输出物料位置所在转轴转动平面内活动撞杆最大伸展长度是由短至长且在所有活动撞杆最大伸展情况下，所述活动撞杆阵用于物料破碎的外包络面构成圆锥面；

其中，所述动锥衬体和所述定锥衬体构成具有动态腔形的物料破碎通道。

可选的，所述转轴包括：

编程控制器，定义有每个活动撞杆的相对坐标和最大伸展长度；

驱动电路，接收由所述编程控制器发出的用于更新所述物料破碎通道当前腔形的伸展信号；

液压装置，用于伸缩所述活动杆撞阵中的每个活动撞杆，由所述驱动电路根据伸展信号选择地驱动伸缩所述活动杆撞阵；

其中，所述伸展信号包括相对坐标和对应相对坐标活动撞杆的伸展位移矢量。

另一方面，本发明提供一种多级嵌套式物料自动破碎设备，该自动破碎设备包括：

至少一个处理器；

存储器，与所述至少一个处理器电连接；

其中，所述存储器存储有能被所述至少一个处理器执行的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令实现前述的方法。

另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时使得计算机执行前述的方法。

通过上述内容，本发明实现了嵌套式多梯度层压破碎几何腔型与对应的衬板结构，使不同粒径的物料均能在不同高度位置的破碎腔内得到高效层压破碎，衬板磨损速度在沿破碎腔高度方向也得到均化，同时由于一级层压破碎腔形状受到二级凹凸形破碎腔和三级楔形破碎腔的异化，使得物料由单一的压碎过渡到压碎、劈碎和剪碎的复合破碎方式，可显著提高破碎效能；

本发明提供了解决物料破碎问题的新方案和新方法，即通过利用当前破碎过程中物料特征对应的破碎结构，进一步与前一级破碎结构构成整体连续物料破碎通道，实现物料高效破碎过程；

本发明进一步地嵌套一级、二级破碎腔结构能够让效能利用率显著提高，并且本申请独创引入的具有圆锥面的嵌套式凹凸结构和带弧形的凹形楔槽能在高效破碎物料的同时，还能显著降低破碎腔内破碎通道磨损；

此外，现有技术方案按本发明内容进行技术实践可以成为本发明的特定实施例、实现关联物料特征的多级和/或嵌套破碎腔结构，并且除了这些特定实施例外，本发明还通过难以想到的特定“具有圆锥面的嵌套式凹凸结构和带弧形的凹形楔槽”技术特征实现了独有的技术实践，具有高效能特性和低磨损特性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的物料破碎腔结构的嵌套式多梯度层压破碎几何腔型与衬板结构简图；

图2为本发明实施例提供的物料破碎腔结构中的二级凹凸形衬板结构简图；

图3为本发明实施例提供的物料破碎腔结构中的三级楔形层压破碎腔结构简图；

图4为多尺度内聚颗粒模型示意图；

图5为不规则多尺度矿石颗粒模型构建示意图；

图6为本发明实施例提供的物料破碎腔结构破碎过程模拟示意图。

附图标记说明

1 定锥衬板

11 定锥衬板上部嵌套的二级层压破碎腔

12 定锥衬板中部嵌套的二级层压破碎腔

13 定锥衬板下部嵌套的二级层压破碎腔

2 动锥衬板

21 动锥衬板上部嵌套的二级层压破碎腔

22 动锥衬板中部嵌套的二级层压破碎腔

23 动锥衬板下部嵌套的二级层压破碎腔

24 动锥衬板平行区嵌套的三级层压破碎腔

31 一级破碎腔的上部区域

32 一级破碎腔的中部区域

33 一级破碎腔的下部区域

4 平行区

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

实施例1

本发明提供了一种由大小不同、形状结构不同且分布位置不同的破碎腔结构，按照一定要求组合成为多级嵌套式层压破碎几何腔型，一方面使不同粒径的物料均能收到层压破碎，另一方面使破碎负荷能够沿破碎腔高度方向得到均化，从而提高破碎效率，延长衬板的使用寿命。

一种物料破碎腔结构，包括：

入料口，用于导入具有第一物料特征的输入物料；

第一破碎腔结构，与所述入料口连接，所述第一破碎腔结构用于通过破碎所述输入物料，所述第一破碎腔结构具有与所述第一物料特征匹配的第一破碎腔和第一衬板结构，且所述第一破碎腔和所述第一衬板结构构成第一级物料破碎通道；

第二破碎腔结构，用于通过破碎具有第二物料特征的第一级物料，所述第一二级物料由所述输入物料通过所述第一级物料破碎通道后得到，所述第二破碎腔结构具有与所述第二物料特征匹配的第二破碎腔和第二衬板结构，且所述第二破碎腔和所述第二衬板结构构成第二级物料破碎通道；

其中，所述第一级物料破碎通道与所述第二级物料破碎通道构成连续物料破碎通道。

(1)一级层压破碎腔的设计方法

所述的第一破碎腔结构，其所述第一衬板结构包括定锥衬板1和动锥衬板2，以及由定锥衬板1和动锥衬板2工作面形成的一级层压破碎腔3和平行区4。

所述一级层压破碎腔3，是由定锥衬板1和动锥衬板2上的对应台阶之间的上层压破碎腔31、中间层压破碎腔32和下层压破碎腔33组成。

所述上层压破碎腔31、所述中间层压破碎腔32和所述下层压破碎腔33 的啮角，应满足层压破碎腔要求和衬板结构尺寸要求。

(2)二级层压破碎腔结构设计方法

将一级破碎腔的不同腔体中对应的定锥衬板和动锥衬板的规则圆锥工作面，分别做成凹凸形锥面。在上层压破碎腔31内，定锥衬板1的上部嵌套二级层压破碎腔11，动锥衬板2的上部嵌套二级层压破碎腔21；在上层压破碎腔32内，定锥衬板1的中部嵌套二级层压破碎腔12，动锥衬板2的中部嵌套二级层压破碎腔22；在下层压破碎腔31内，定锥衬板1的下部嵌套二级层压破碎腔13，动锥衬板2的下部嵌套二级层压破碎腔23。

所述动锥衬板2上的凹凸形锥面21上存在凹形沟槽211和凸形锥面212，所述凹形沟槽211的宽度沿锥面母线方向保持不变，其深度沿自上而下的母线方向由深变浅(相对物料位移方向，输入物料位置为上)；凹形沟槽211 的对称中心面与同一纵截面面内的母线成一螺旋角α，该螺旋角α的旋向与动锥衬板在破碎过程中的自转方向一致。

凹凸形动锥衬板上锥面21上的沟槽211之间的凸形锥面，沿自上而下的母线方向呈螺旋扇形形状。

凹凸形定锥衬板上锥面11上也有沟槽211和凸形锥面212，其沟槽的宽度、深度及其变化趋势，沟槽螺旋角的大小及其旋向与所述动锥衬板21上的凹凸形锥面一致。

(3)三级楔形层压破碎腔结构设计方法

在与所述平行区4(或排料口)对应的所述动锥衬板24对应工作表面上，以等角度间隔均匀分布若干二维的凹形楔槽，该凹形楔槽的结构是由沿锥面母线方向的直线楔形结构241，以及沿圆周方向的弧楔形结构242组成。

凹形楔槽沿所述动锥衬板24锥面母线方向的直线楔形结构241，是其深度自上而下逐渐减小；

凹形楔槽沿所述动锥衬板24锥面圆周方向的弧楔形结构242，弧楔形的横截面是由外弧段、直线段和内弧段组成，其深度沿锥面的圆周方向逐渐减小。

(4)基于3D扫描的不规则矿石多尺度内聚颗粒模型的建立

第一步，不规则矿石几何多尺度颗粒模型构建

对碎前矿石进行3D激光扫描，利用Geomagic Studio构建单个不规则矿石颗粒的NURBS三维曲面几何模板；

结合碎后粒形和粒径，获取多尺度模型构建所需的单元集合体的数目、坐标和尺寸等信息，结合颗粒工厂插件导入3D扫描的NURBS曲面模板，重构不规则矿石的多尺度几何颗粒模型。

第二步，矿石力学多尺度内聚力学模型的构建

结合破碎实验获取的矿石硬度、韧性等力学参数，确定颗粒模型的本征参数、接触参数及BPM粘结力参数，采用BPM接触模型定义单个矿石颗粒模型中单元体之间的法向刚度、切向刚度、法向极限强度及切向极限强度。

第三步，根据所建立的单个不规则多尺度矿石颗粒模型，利用EDEM颗粒工厂的多形状API插件建立不同形状矿石的多尺度颗粒群堆模型。

(5)破碎模型的构建及破碎过程模拟

第一步，建立一级、二级和三级破碎腔结构，建立定锥衬板、动锥衬板三维模型；根据动锥摆角、排放口尺寸建立多级破碎腔模型，并将不规则矿石的多尺度颗粒群堆模型充填到破碎腔中。

第二步，结合动锥转速建立物料破碎过程的物理模型，利用EDEM与 ADAMS实行双向耦合，模拟物料在多级破碎腔中的破碎过程。

第三步，利用赫兹接触方法处理单元体之间、颗粒之间的接触行为，以不同尺度单元的线位移和角位移判断颗粒的变形情况。

第四步，通过接触分析和外载荷情况计算颗粒模型内的应力状态，当应力状态满足最大拉应力准则和摩尔库伦准则时颗粒模型开始破碎，以单元体之间连接键的受力情况描述颗粒模型的破碎情况。

(6)破碎腔内物料粒级分布模型的建立

第一步，分析破碎腔结构参数(入料口尺寸、排料口尺寸、破碎腔高度)、物料碎前粒级分布、动锥转速与摆角等对碎后粒级分布的影响。

第二步，破碎过程粒级分布模型的构建方法如下：

①采用以下基于质量平衡的粒级质量平衡模型，即：

P＝(I-C)(I-BC)^-1f (1)

式中，P—排料粒级分布向量，f—进料粒级分布向量，B—破碎函数矩阵，C—分级函数矩阵，为对角矩阵，I—单位矩阵；

②破碎矩阵的确定

破碎矩阵是一个i×j的矩阵，其中i表示破碎前母系物料所分的级数，j 表示破碎后子系物料所分的级数。破碎矩阵中的每个元素由一个连续的破碎函数求得，破碎函数矩阵B中的各元素可由式(2)确定。即：

式中，m—破碎后粒级分布中某一级物料平均粒径(mm)，n—表示为破碎前粒级分布中某一级物料平均粒径(mm)，b_mn—破碎矩阵计算函数，表示母系物料中粒级为d_n的颗粒经破碎后在d_m粒级中的分布(％)，d_m—子系物料中某一粒级筛分分组的上限，d_m-1—子系物料中某一粒级筛分分组的下限， d_n—母系物料中某一粒级筛分分组的上限，d_n-1—目系物料中某一粒级筛分分组的下限，

为破碎累积函数，表示母系物料中粒级为d_n经破碎后子系中小于d_m的颗粒所占的百分比；

③分级矩阵的确定

假设d₁为单个颗粒是否需要被破碎的临界尺寸，在破碎机中是否需要被破碎的临界尺寸则排放口尺寸b决定，即d₁＝s，d₂为单个颗粒是否能被完全破碎的临界尺寸，在破碎机中是否能被完全破碎的临界尺寸则由入料口宽度L决定，而介于d₁和d₂之间的颗粒则遵循分级函数C(d)进入破碎过程，并假设该分级函数为二次函数，且在d₂处的曲线斜率为零，因此，分级函数可表示为：

C(d)为连续分级函数，但是破碎腔内某一特定高度内的物料粒级分组是不连续的，因此可用C^*(d)表示某粒度d的连续函数C(d)的平均值，根据上式可推导以下C^*(d)表达式，即：

物料粒级在(d_n，d_n-1)之间的连续函数C_n(d)可表示为：

④进料粒级向量f的确定

将碎前母系物料进行筛分为i级，据此建立进i×1进料粒级向量，向量中的元素则是每级物料所占母系物料的比例，即：

f＝[f₁,f₂,f₃,…,f_m]^T (6)

⑤排料粒级分布向量P的确定

碎后粒级分布向量P为j×1向量，物料经过破碎之后筛分为j个粒级，每级物料所占排料总量的比例为向量P对应元素的值。

经过计算把B、C矩阵中各元素确定下来，再把给料粒级分布向量f代入，即可得出对应于该进料粒级分布情况下用向量P描述的破碎腔结构的排料粒级分布情况。

(7)多级破碎腔型结构与尺寸优化

第一步，结合颗粒在破碎中的运动轨迹，利用破碎函数P计算多级破碎腔中不同高度位置的颗粒粒级组成；

第二步，设定碎后排料粒级的目标值；

第三步，将多级破碎腔的排料粒级的计算值与目标值进行比较，如果排料粒级的计算值未达到目标值，结合多级破碎腔自上而下的颗粒粒级分布情况，对各级子破碎腔形状结构，及其啮角和长度尺寸进行调整，直到满足要求为止。

本实施例具有以下独特效果：

(1)以凹凸形锥面结构，对上部层压破碎腔进行嵌套，在给料量(尤其满腔给料)时，可以强化上部破碎腔的层压破碎作用，使不同粒径物料的均能得到高效破碎；

(2)以多维楔槽结构，对下部层压破碎腔进行嵌套，便于大粒径物料进入该楔槽形腔体，为该腔体内的大粒径物料的有效破碎创造了条件，因而能降低平行区的破碎负荷和磨损速度，还能为均化排料粒级；

(3)采用嵌套式多梯度层压破碎几何腔型与衬板结构，不仅能使物料由单一的压碎过渡到压碎、劈碎和剪碎的复合破碎方式，提高破碎能的有效利用率，而且还可使破碎负荷和衬板磨损速度在沿破碎腔高度方向得到均化，有效延长衬板的使用寿命，保持破碎腔型的一致性；

(4)以破碎过程模拟和破碎分级建模相结合的分析方法，优化多级破碎腔结构和尺寸，可以显著提升多级破碎腔结构的合理性，使破碎腔设计从经验试凑设计过渡到准确定量分析设计。

实施例2

基于实施例1，进一步地，有：

1.如图1所示的一级破碎腔的设计步骤如下：

(1)所述定锥衬板1的工作面由若干台阶，以及由各相邻台阶之间的凹凸形内圆锥面组成，台阶的数量、高度和台阶之间的锥面长度的取值与进料粒度分布和破碎效率有关。

(2)所述动锥衬板2的工作面由若干台阶，以及由各相邻台阶之间的凹凸形外圆锥面组成，台阶的数量、高度和台阶之间间距的取值与所述定锥衬板1工作面上的台阶数量和台阶之间间距相对应。

(3)所述定锥衬板1和动锥衬板2工作面上的台阶之间形成一级破碎腔的上部区域31、中部区域32、下部区域33，各破碎腔的啮角不超过25°。

2.如图1、图2所示的二级凹凸形破碎腔的设计步骤如下：

(1)凹凸形锥面设计：在动锥衬板上部工作锥面上，设计由若干弧形凸筋和弧形凹槽相间、等角度均匀排列的凹凸形锥面；这种凹凸形锥面可以是正弦形、矩形或其它凸筋与凹槽相间的规则形状，凸筋和弧形凹槽之间以圆弧光滑过渡；

(2)动锥衬板凹凸形锥面长度设计：对于粗碎衬板，凹凸形锥面沿母线方向的长度与物料的最大进料粒级的(0.5-1)倍；对于中碎衬板，凹凸形锥面沿母线方向的长度为物料的最大进料粒级的(1-1.5)倍；对于细碎衬板，凹凸形锥面沿母线方向的长度为物料的最大进料粒级的(1.5-2)倍。

(3)动锥衬板凹凸形锥面的凹槽深度设计：对于粗碎、中碎和细碎衬板，凹凸形锥面最上端凹槽深度均不低于最大进料粒径的1/5～1/3，沿锥面自上而下的母线方向，凹槽深度逐渐减小，直至为零。

(4)动锥衬板凹凸形锥面的凸形锥面设计：在相邻凹槽之间的区域为凸形锥面，在圆锥面方向上呈扇形形状。

(5)动锥衬板凹凸形锥面的凹槽宽度设计：对于粗碎、中碎和细碎衬板，凹凸形锥面上波峰位置对应的凹槽宽度皆为最大进料粒径的1/3～1/2。

(6)定锥衬板上的凹凸形锥面的形状设计、长度设计、凸筋高度或凹槽深度设计、凹槽或凸筋宽度设计方法以及凹凸形动锥衬板的取值方法基本相同。

3.如图3所示的三级楔形破碎腔的设计步骤如下：

(1)在所述动锥衬板的工作锥面上，沿锥面的母线方向自上而下设计若干凹形楔槽24，这些凹形楔槽沿动锥衬板工作锥面以等角度分布；

(2)凹形楔槽的数量可根据破碎机的最大碎后粒度与一级破碎腔33下部的开口度的大小确定；

(3)将凹形楔槽沿高度方向的截面设计为直线楔形241，凹形楔槽的最大开口端在动锥衬板的上平面，越靠近底部，凹形楔槽的深度变得越浅、越小；

(4)将凹形楔槽沿锥面方向的截面形状均设计为弧楔结构242，弧楔槽底的深度由深变浅的趋势与动锥在破碎过程中的自转方向相同；

(5)凹形楔槽上部槽底的深度应应不低于碎后产品的最大粒径,凹形楔槽最下端槽底的深度应为零。

4.如图4所示的多尺度离散颗粒模型，其几何特征和力学特征按以下方法定义：

(1)采用连接键将刚性基本单元体胶结聚合，基本单元体的质量、密度与矿石颗粒物性参数相同，连接键的强度用来表征单元间的内聚力，且符合弹性破裂本构关系，不同尺度单元内部及外部采用不同的连接键强度定义其内聚力大小；

(2)在颗粒模型运动或破碎的计算过程中，二级以上尺度单元按照整体计算，破碎时首先是单元间的连接键断裂，形成不同尺度的单元来表示粒级分布；

(3)当颗粒模型仅含不同尺度单元(没有单元间的连接键，仅有单元内部连接键，图4中的二级单元变成一个颗粒模型)时，满足破碎准则，单元体内连接键才会断裂；当破碎为一级基本单元时，破碎过程结束，一级基本单元为破碎最小粒径。

5.如图5所示的不规则颗粒模型的生成方法与步骤：

(1)对碎前矿石的整体几何外观分析，得出球状、锥状、柱状、片状为不规则黑钨矿石的四种典型形状。利用便携式关节臂测量机与Scanworks V5激光扫描测头配合工作的方式对四种不规则外形扫描，并用Geomagic Studio完成典型不规则矿石外形的逆向建模。

(2)获取三维几何体前视图、右视图与俯视图的几何特征参数，以关键点信息为基础对相邻型面合并、去除外孤点、数据封装，形成不规则体矿石形状(形态)的点云数据；

(3)以点云数据为基础创建不规则体矿石形状的流型点，删除其非流型的三角数据，同时对型面进行填充，对曲面进行自动修补以及对多边形进行松弛处理，使矿石颗粒的型面形成多边形网格。

(4)把多边形网格离散为曲面片，然后重新拟合成为NURBS曲面。

6.破碎粒级分布模型的实施例

PYD1650圆锥破碎机的给料口为22～60mm，排料口为8mm，定锥衬板和动锥衬板底部的高度差为100mm，破碎腔高度为1020mm，定锥衬板倾角为11°，动锥衬板倾角为16°，定锥衬板底部直径为1260mm，动锥衬板摆动行程为23mm，动锥悬挂点到排料口截面的距离为1540mm，动锥的摆动次数为125r/min。

(1)破碎实验分析

实验物料为铜矿石，普氏硬度系数为14～20，进料粒级如表1所示。

表1铜矿石进料粒级分布

经PYD1650圆锥破碎机破碎后的多次取样，得到各粒级的平均值如表2 所示。

表2铜矿石碎后粒级分布 (2)累积破碎函数的推导

通过对PYD1650圆锥破碎机碎后粒级数据分析，利用多参数拟合后，分别得到了矿石的碎前粒径t₂与不同碎后粒径t₅、t₁₀、t₂₈、t₄₆之间的变化趋势，即：

式中：t_n为物料中小于母系物料综合尺寸n分之一的颗粒占颗粒总数的比例，其中t₂为矿石碎后粒径小于碎前粒径二分之一的物料占总矿石的比例。根据筛分要求取n＝5、10、28、46。

通过式(7)可以计算出母系物料中t₂为任意值时子系物料中t₅、t₁₀、t₂₈、 t₄₆所占的值。根据生产经验，取t₂分别为60、50、40，并带入上式，分别计算出t₅、t₁₀、t₂₈、t₄₆的值，用表格的方式表示t₂与t_n的关系，即累积破碎函数的一种表达方式，如表3所示。

表3由破碎实验数据推导出的累积破碎函数

采用多参数拟合方法可得出t₂颗粒在母系物料中比例为40％、50％、60％的累积破碎函数表达式分别为式(8)、式(9)和式(10)所示，即：

y＝-443.4414k²+152.1523k-1.1397 (8)

y＝-131.2205k²+96.6848k-0.3263 (9)

y＝-215.1213k²+151.7548k+1.0862 (10)

其中，式(8)——t₂颗粒在母系物料中的比例为40％时的累积破碎函数；式(9)——t₂颗粒在母系物料中的比例为50％时的累积破碎函数；式 (10)——t₂颗粒在母系物料中的比例为60％时的累积破碎函数。

如果定义某一粒级的物料经过破碎后子系颗粒的综合几何尺寸x与母系颗粒的综合几何尺寸Y之比为K，即K＝x/Y；当子系颗粒的综合几何尺寸x＝1 时，K＝1/n。

上述三式中y表示筛下物的比例，k表示子系物料与母系物料粒径之比。有了累积破碎函数，当K为任意值时(即K取任意值)，可以得到相应筛下物所占的比例。若用

表示为：

(2)破碎矩阵的推导

根据式(12)结合实验的实际情况将母系物料按照：-20mm、20mm～30mm、 30mm～45mm、45mm～60mm四个粒级筛分，破碎后的子系物料按照+15mm、 10～15mm、5～10mm、-5mm四个粒级筛分。按照这种粒级筛分，破碎矩阵B 是一个4×4矩阵，母系物料分级对应矩阵的行用j表示，从第一行开始依次对应-20mm、20mm～30mm、30mm～45mm、45mm～60mm，子系物料分级对应矩阵的列用i表示，从第一列开始依次对应+15mm、10～15mm、5～10mm、 -5mm。

累积破碎函数为d_m/d′_n，其中d_m为子系物料中某一粒级筛分分组的上限；d′_n为第n组粒级的几何平均粒径(即

d_n为母系物料中该粒级分组的上限粒径，d_n-1为母系物料中某一粒级分组的下限粒径)。

根据上述定义可以求出破碎矩阵B中每个元素对应的d_m/d_n，i/j的计算结果如下：

由于母系物料中t₂的值趋于50％。因此，将上述值代入累积破碎函数式 (12)中计算，就能依次计算出破碎矩阵B中的各元素值。从母系物料和子系物料筛分粒级的平均粒径可以看出，子系物料每一粒级的平均粒径均小于母系粒级的平均粒径。因此，破碎矩阵中每个元素适用于m<n的情况，用i/j 来计算破碎矩阵B中的元素b_mn，即：

以i/j值代入式(12)，再将得到

结果经式(14)计算，就能得到 B矩阵中各元素值，则破碎矩阵B可表示为：

(3)分级矩阵的推导

根据进料口d₁＝60mm与排料口尺寸d₂＝8mm；由于母系物料按照0～20mm、20～30mm、30～45mm、45～60mm分级，因此在计算时将0、20、 30、45、60代式(4)，则有：

当d＝0时，

当d＝20时，

当d＝30时，

当d＝45时，

当d＝60时，

将上述计算结果代入到

则有：

因此，粒级分级矩阵C为：

根据表1，可得进料粒级分布函数可表示为：

f＝[0.201 0.35 0.149 0.299] (17)

因此，将式(15)、式(16)、式(17)和单位矩阵I代入式(1)，便可得到PYD1650圆锥破碎机在排料口尺寸为8mm，最大进料粒度为60mm时排料粒级的分布模型。

7.如图6所示是按以下步骤对多级破碎腔中的不规则颗粒实施破碎的模拟：

(1)建立1650短头型圆锥破碎机多级破碎腔结构的三维模型，并导入EDEM；

(2)利用VC++进行二次开发，将上述破碎函数导入EDEM中；

(3)将以矿石碎前粒级分布建立的不规则颗粒模型导入多级破碎腔中，在设置动锥的转速和偏摆角后，采用EDEM和ADMS接口软件，在动锥产生进动和章动过程中，对破碎腔中的颗粒模型施加破碎力，当破碎力超过颗粒模型的内聚力是，则该颗粒产生破碎。

8.多级破碎腔的破碎效果

预磨试验机粒度控制器宽度设为3mm，长度设定为20mm；经排料粒级分布模型计算和预磨实验得到的结果如表4所示。

表4排料粒度的计算结果与实验结果对比情况

从以上可以看出，大多数实验组别对应粒级的计算结果与实验结果的吻合度较好；少数组别对应粒级的相对误差波动比较大。

以上研究基础可以为本项目中颗粒群破碎的粒度分布模型的建立，以及多参数相关的颗粒群破碎能耗分析奠定基础。

在高效破碎性能研究方面，主要以破碎产能和破碎比为优化目标，以矿石的硬度、碎前与碎后粒度、破碎腔的结构等参数为约束条件，采用多目标优化方法开展破碎机的高效破碎腔型设计；与普通破碎腔型相比，采用优化后的腔型可以使破碎产品的合格粒度的比例提高10％以上，破碎产能提高 20％～40％以上，衬板寿命提高1～2倍。因此，破碎腔型优化建模及其求解方法可以为本技术提供借鉴。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (8)

1.一种物料破碎腔结构，其特征在于，包括：

第一破碎腔结构，用于通过具有第一物料特征的输入物料，所述第一破碎腔结构具有与所述第一物料特征匹配的第一破碎腔和第一衬板结构，且所述第一破碎腔和所述第一衬板结构构成第一级物料破碎通道；

第二破碎腔结构，用于通过具有第二物料特征的第一级物料，所述第一级物料由所述输入物料通过所述第一级物料破碎通道后得到，所述第二破碎腔结构具有与所述第二物料特征匹配的第二破碎腔和第二衬板结构，且所述第二破碎腔和所述第二衬板结构构成第二级物料破碎通道；

其中，所述第一级物料破碎通道与所述第二级物料破碎通道构成连续物料破碎通道；

该物料破碎腔结构还包括：

第三破碎腔结构，用于通过具有第三物料特征的第二级物料以获得破碎输出物料，所述第二级物料由所述第一级物料通过所述第二级物料破碎通道后得到，所述第三破碎腔结构具有与所述第三物料特征匹配的第三破碎腔和第三衬板结构，且所述第三破碎腔和所述第三衬板结构构成第三级物料破碎通道；

其中，所述第三级物料破碎通道与所述连续物料破碎通道构成多级连续物料破碎通道；

所述第一衬板结构包括定锥衬板和动锥衬板；所述定锥衬板和所述动锥衬板的工作面为台阶曲面，以使得所述第一破碎腔结构中所述第一破碎腔形成一级层压破碎腔；所述第二衬板结构包括在所述第一破碎腔内通过在所述定锥衬板和所述动锥衬板的工作面上设置凹凸结构所构成的凹凸衬板结构，以使得所述第二衬板结构嵌套于所述第一衬板结构形成二级层压破碎腔；所述第三衬板结构包括：凹形楔槽，所述凹形楔槽设置在所述动锥衬板相对所述定锥衬板的平行工作面上，以使得所述第三衬板结构嵌套于所述第一衬板结构形成三级楔形层压破碎腔。

2.根据权利要求1所述的物料破碎腔结构，其特征在于，所述第二衬板结构和所述第三衬板结构依次设置于第一衬板结构内、与第一衬板结构构成多级嵌套式破碎腔结构，所述第二破碎腔和所述第三破碎腔中任意一个相对于所述第一破碎腔的腔体大小不同，且所述第二破碎腔与所述第三破碎腔的腔体大小不同。

3.根据权利要求2所述的物料破碎腔结构，其特征在于，

所述定锥衬板和所述动锥衬板相对输入物料位置依次形成从大至小的上层压破碎腔、中间层压破碎腔和下层压破碎腔；

所述上层压破碎腔、所述中间层压破碎腔和所述下层压破碎腔构成所述第一破碎腔。

4.根据权利要求3所述的物料破碎腔结构，其特征在于，

所述凹凸衬板结构对应所述上层压破碎腔、所述中间层压破碎腔和所述下层压破碎腔依次形成从大至小的上部嵌套二级层压破碎腔、中部嵌套二级层压破碎腔和下部嵌套二级层压破碎腔；

所述上部嵌套二级层压破碎腔、所述中部嵌套二级层压破碎腔和所述下部嵌套二级层压破碎腔构成所述第二破碎腔。

5.根据权利要求4所述的物料破碎腔结构，其特征在于，所述凹凸结构包括：

凹形沟槽，沿所述定锥衬板或所述动锥衬板的锥面母线延伸且沟槽宽度不变；

凸形锥，与所述凹形沟槽相互间隔排列设置；

其中沿所述输入物料的位移矢量方向，所述凹形沟槽的沟槽深度相对所述凸形锥的工作面为由深至浅；

其中在选定的动锥衬板或定锥衬板纵截面内，所述凹形沟槽的对称中心面相对当前衬板的锥面母线成螺旋角，所述螺旋角旋转方向与所述动锥衬板的转动方向相同；

其中沿所述输入物料的位移矢量方向，所述凸形锥的工作面呈螺旋扇形。

6.一种多级嵌套式物料破碎腔结构设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：

S1）根据输入物料的物料特征选择第一破碎腔结构，其中，所述第一破碎腔结构具有第一破碎腔和第一衬板结构，所述第一衬板结构包括定锥衬板和动锥衬板；所述定锥衬板和所述动锥衬板的工作面为台阶曲面，以使得所述第一破碎腔结构中所述第一破碎腔形成一级层压破碎腔；

S2）根据所述输入物料通过所述第一破碎腔结构所获得的第一级物料的物料特征，选择第二破碎腔结构，并将所述第二破碎腔结构嵌套于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道，其中，所述第二破碎腔结构具有第二衬板结构，所述第二衬板结构包括在所述第一破碎腔内通过在所述定锥衬板和所述动锥衬板的工作面上设置凹凸结构所构成的凹凸衬板结构，以使得所述第二衬板结构嵌套于所述第一衬板结构形成二级层压破碎腔；

S3）根据所述第一级物料通过所述第二破碎腔结构所获得的第二级物料的物料特征，选择第三破碎腔结构，并将所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道，其中，所述第三破碎腔结构具有第三衬板结构，所述第三衬板结构包括：凹形楔槽，所述凹形楔槽设置在所述动锥衬板相对所述定锥衬板的平行工作面上，以使得所述第三衬板结构嵌套于所述第一衬板结构形成三级楔形层压破碎腔。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，

所述第二破碎腔结构具有第二破碎腔，步骤S2）将所述第二破碎腔结构设置于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道，包括：

通过设置凹凸结构于所述第一破碎腔结构内的第一衬板结构工作面上，将设置了所述凹凸结构的所述第一衬板结构的部分衬板结构作为所述第二破碎腔结构的第二衬板结构并形成所述第二破碎腔结构的第二破碎腔，以使所述第二破碎腔结构嵌套于所述第一破碎腔结构内以构成连续物料破碎通道。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述第三破碎腔结构具有第三破碎腔，步骤S3）将所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道，包括：

通过设置凹形楔槽于所述第一破碎腔结构的动锥衬板平行工作面上构成所述第三破碎腔结构的第三衬板结构并形成第三破碎腔，以使所述第三破碎腔结构与所述第一破碎腔结构和所述第二破碎腔结构构成多级连续物料破碎通道。

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