国内外大型液压旋回破碎机的发展现状

2013-10-31邱静雯郭文哲付晓蓉

金属矿山 2013年7期

邱静雯郭文哲付晓蓉

(1.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司;2.矿山重型装备国家重点实验室;3.华中科技大学机械科学与工程学院;4.桂林电子科技大学信息科技学院)

当前，在矿山、冶金、化工、建材、工程建设等需要大规模粗破碎物料的场合，大型液压旋回破碎机受到普遍的重视和推广应用。在破碎工艺流程中，旋回破碎机用于爆破后采掘出的原矿的初级破碎作业，其特点是进料尺寸较大，能够进行连续破碎作业，因而产量高、电耗低，机器运行更稳定可靠。与颚式破碎机相比，虽然旋回破碎机构造复杂、体型庞大、初期投入高，但从大规模生产的效率和长期运行成本来看，旋回破碎机具有明显的技术经济优势。因此，国外著名破碎设备厂商的旋回破碎机技术发展很快。我国由于受矿山生产工艺、规模、机械制造基础技术薄弱等因素制约，大型旋回破碎机的技术进步缓慢，只在近两三年来，才引起各重型机械厂的充分重视。本文将介绍国内外技术最先进、最具影响力的破碎机制造厂家的代表型旋回破碎机的技术特点。

1 概述

1.1 初级破碎设备的发展概况

在大型矿山和混凝土骨料加工等工业领域，初级破碎设备通常采用颚式破碎机和旋回破碎机，这两种破碎机问世均已有100多a。在这100多a来，颚式破碎机应用较为广泛，而近10 a来，旋回破碎机的应用和发展已呈现出更加强劲的发展趋势。

随着对采矿和矿物处理技术要求的不断提高，以及机械设计、材料、加工和配套技术的发展，这两种破碎机无论是在大型化、效率、耐磨性，还是在易用性、维修性等方面都得到了很大的发展。二者破碎机理大致相同，即都是上端入料口大，下端排料口小，物料在楔形破碎腔内靠自重下落，并逐次被破碎。不同的是颚式破碎机是间歇式破碎，而旋回破碎机是连续破碎，因而其产量比颚式破碎机更高，更适合大型化的破碎工艺流程。因此，近年来，随着矿物处理工艺的大型化，旋回破碎机在坑口或大型工艺系统中已大量取代颚式破碎机。但颚式破碎机因结构简单、机身低矮、配套简单、设备投资少，所以仍有一定的市场。在破碎工序向采矿现场前移的趋势下，颚式破碎机和旋回破碎机都已应用于井下，但颚式破碎机在井下布置、安装维护等更为便捷。

世界上第1台颚式破碎机于1858年由美国人E.W.Black设计并推出，经历150多a的发展，Metso－Nordberg已生产出了C200型颚式破碎机，其最大进料尺寸可达2 000 mm，最大出料尺寸在200～450 mm可调，相应产量可达760～1 590 t/h(以松散密度2.7 t/m3计)，已被用于1 200 m深的井下。

世界上第1台旋回破碎机由美国人Charles Brown于1878年申请专利，1881年由芝加哥Gates铁工厂制造出厂。经历130余a的发展，Metso－Nordberg生产的60－110E型旋回破碎机最大进料尺寸可达1 525 mm，最大出料尺寸在175～250 mm可调，相应产量可达5 535～8 890 t/h(以物料松散密度1.6 t/m3计)，装机功率达1 200 kW。旋回破碎机尽管在发展过程中，其基本原理和基本结构并无多大变化，但最新发展的机电液压技术已被应用其中，同时融入了易用、安全、耐久和个性化等设计理念。对设备结构和工作参数的不断优化，使当代旋回破碎机的大型化不只是体现在规格尺寸和质量上，铸钢机架、锻造轴、螺旋伞齿轮、广泛的润滑和长寿命锡青铜零件的应用，使设备能够承受更大的负荷。同时追求同规格和质量上的最优产量效率、能量效率、安全性和使用维护性，为此，在腔形、传动、液压与润滑、横梁、主轴、机架、铜瓦衬套和衬板等结构细节上，以及自动监测控制与使用维护上均做足了文章。

1.2 国外大型液压旋回破碎机的发展概况

目前，世界上设计制造大型液压旋回破碎机的厂家主要有 Metso、FLSmidth、Sandvik和 ThyssenK-rupp，4家公司中又以Metso公司和FLSmidth公司的市场份额最大。他们的技术发展方向基本代表了当今旋回破碎技术发展的方向，基本都具备以下共同点(参见图1和图2)。

图1 当代大型液压旋回破碎机的结构

(1)都采用现代优化设计技术，并结合长期经验数据进行项目个性化设计，以追求更合理的结构和更高的强度。

(2)采用拱形横梁以加大给料口尺寸。

图2 大型液压旋回破碎机主要耐磨件

(3)将主轴和圆锥整体锻造成一体，避免了作业中动锥松动的问题。主轴上部轴承采用干油润滑，并配有电子可视化控制。

(4)内腔动、定锥衬板和筋护板在结构设计和安装方式上虽不尽统一，但都采用高耐磨材料——高锰钢或铬钢。

(5)壳体为铸钢件，多采用水平箍带或加加强筋设计，并经有限元分析，以优化其结构性能。

(6)主轴下部防尘密封维护少，采用压缩空气以提高防尘效果。

(7)偏心套组件带有可更换的偏心内衬套，用来调节摆程;并采用集成的配重，可将非动平衡降至最小。

(8)传动齿轮采用摆线齿锥齿轮，运转更平稳可靠;带有齿隙设定装置;全密封的静润滑可保证润滑良好，并配有电子可视化油量控制;同时可随意进行振动控制。

(9)主轴下部通过液压油缸支承，既可在遇到不可破碎异物时进行过载保护，也可在破碎圆锥下部衬套过度磨损后或其他情况需要时，利用该液压油缸很方便地调节产品粒度。

(10)对破碎腔型进行优化设计，衬板形状和安装方式充分考虑了对腔型、产品颗粒形状、过粉碎、装拆甚至换位的影响。

(11)配备电子监测与控制装置，通过触摸屏即可监测、设定破碎机和相关设备的工作参数。

1.3 国内大型液压旋回破碎机的发展概况

我国旋回破碎机的生产最早始于1950年代，由前苏联提供图纸技术，原沈阳重型机器厂(现北方重工)制造。当时，受需求、研发能力和市场等因素制约，且规格较小，显示不出旋回破碎机的优势，因此并未形成气候。1980年代沈重引进了美国FFE公司(现已并入FLSmidth公司)的旋回破碎机技术(国内定型为PXF型)，但是技术消化改进和市场推广工作长期不理想，从装机功率和处理能力等基本功能参数上看，与国外著名公司的旋回破碎机有很大差距。近年来，随着矿山采矿工艺装备和技术的进步、追求规模效益的需要以及国内研发能力和市场推广能力的发展，对旋回破碎机的研发正越来越引起国内重型机械厂的重视。目前国内生产旋回破碎机的厂商主要有北方重工和中信重工。北方重工设计制造的适用于中硬度以上物料的PXZ系列中的PXZ1623型为最大规格，产量达2 800～3 200 t/h。中信重工进入旋回破碎机的研发时间很短，仅三、四年时间，但进步很大，截至目前，已经完成了完全具有自主知识产权的多种规格的PXZ系列重型液压旋回破碎机的设计开发工作，并获得了多项国内外订单。目前该公司设计制造的PXZ－152/287型为最大规格，装机功率1 200 kW，产量达5 100～8 000 t/h，这是目前国内自行设计制造的最大规格旋回破碎机。

2 国外大型液压旋回破碎机的发展现状

2.1 Metso SUPERIOR 60－110E粗碎旋回破碎机

Metso Nordberg生产破碎机已经有100多a的历史，以其Superior旋回破碎机而闻名世界，处理能力从约2 000 t/h到约9 000 t/h不等，至今已经向世界各地的矿山和采石场销售了超过1 500台的Superior旋回破碎机。60－110E型旋回破碎机是Metso 2010年初推出的新机型，是在SUPERIOR MK－Ⅱ系列60－110型基础上的改进型。SUPERIOR MK －Ⅱ系列旋回破碎机的主要技术参数见表1。

60－110E型旋回破碎机继承了SUPERIOR MK －Ⅱ系列的优点［1］，并在60－110型基础上将电机功率由1 000 kW提高到1 200 kW;小齿轮转速由514 r/min提高到600 r/min;设计采用了最新的计算机设计与建模软件，降低了壳体应力，增加了可靠性，提升了设备性能;重新设计了横梁，采用整体式横梁架体结构和巧妙的新型缘衬板固定装置，兼顾了与原有机型的互换性等(见图1)。改进后设备质量由588 t减少到约553 t，破碎能力由5 575～7 605 t/h提升为5 535～8 890 t/h。

表1 Metso SUPERIOR MK －Ⅱ系列旋回破碎机的主要技术参数

2.1.1 横梁及其积料箱式护板护帽、缘衬板固定装置

60－110E型旋回破碎机的横梁除继承了MK－Ⅱ系列的横梁圈结构和二者设计为一整体式铸钢件的优点外，还采用了拱形横梁设计(见图3(a))，可有效减少物料架桥现象。设计时采用了最新的计算机分析技术和在用旋回破碎机应变实测数据，减少了应变扭曲，可靠性提高。

横梁臂防护板和防护帽不但采取对横梁全体防护式设计，而且采用巧妙的积料箱设计，即防护板和加长设计的防护帽上端为凹陷结构，使停留在此凹坑内的物料对护板和护帽起到阻挡来自上端给料直接冲击磨损的作用。这样的设计，能显著延长横梁臂及其防护板和防护帽的使用寿命，该新型结构可为横梁提供更好的保护。

新型缘衬板固定装置采用卡夹方式(见图3(b))，即在缘衬板接缝的两侧下方的横梁圈上各焊接一个L形卡条，安装时卡上定位销即可，无需用螺栓固定。这种设计结构可预先将横梁缘衬板与横梁装配在一起，从而使组件的安装和更换更加简便快捷、准确。

图3 新型横梁组件结构示意

2.1.2 上机架

利用有限元设计工具重新分析设计了上机架，取消了垂直筋的结构设计，消除了垂直筋引起的应力集中;同时设计采用水平箍带形式的加强筋结构，以保持上机架具有足够的结构强度(见图1);减小机架法兰之间的紧固螺栓直径，使得维护保养更加简便。

2.1.3 底架

根据积累的在用旋回破碎机底架的应变实测数据，对底架高应力区域重新进行了分析评估，并采用了最新的解决方案(见图4):底架采用整体式铸造结构;设计高位装配法兰;底部4个角融入四臂设计概念;底架柱体腔形采用巧妙的向上收缩的平滑截面设计，并采用与其他几何面平滑过渡设计;底架内腔加强筋采用位置对称结构设计。这些设计使底架结构更加坚固，提高了强度，减少了组件数量，可缩短安装、维护时间。

图4 结构优化后的底架外形

2.1.4 主轴

主轴部设计增加了拥有专利的支承环结构，可释放动锥衬板锁紧螺母的压力，消除动锥锁紧螺母或动锥衬板损坏的潜在危险性，同时使动锥衬板的更换更加便捷。

2.1.5 可互换性

横梁、上机架和底架尽管进行了重新设计，但与现有的MK－Ⅱ系列中的60－110型具有可互换性，解决了在用破碎机的优化问题。

2.2 FLSmidth NT系列旋回破碎机的特殊形式——TS型和UD型

FLSmidth Fuller－Tralor也有100多a的破碎机设计制造经验。其最新型旋回破碎机为NT系列中的TS型和UD型，均是在原TC系列基础上发展起来的，主要参数见表2。

表2 FLSmidth NT系列旋回破碎机的主要技术参数

2.2.1 TS型顶部维护旋回破碎机

旋回破碎机更换衬套等易损件是一件不得不做且非常繁琐的工作，更换衬套时通常是从破碎机下面的卸料仓内进行更换，存在更换难和安全隐患等问题。TS型与NT系列破碎机的所有设计标准和优点均相同，不同的是TS型破碎机的偏心套组件和液压缸总成可以从破碎机上部的入料口处吊入吊出，而不是传统地由人员进入卸料缓冲仓，从破碎机下部的卸料口移入移出，大大提高了破碎机的维护效率，并可有效避免安全事故的发生。“TS”即是“Top Service”(顶部维护)的缩写，维护示意见图5。

顶部维护这一安装维护方式的优点在于:

(1)无需接触液压缸柱塞，只需1次起吊，即可在更宽敞的空间场地更换偏心套组件，包括偏心套和偏心铜套，这大大方便了安装与维修，省去了很多繁琐的步骤，缩短了停工检修时间。过去数天才能完成偏心套或偏心铜套的更换工作，现在1个班就能完成，甚至可以在对整个生产影响很小的情况下做预先维护。

图5 FLSmidth TS型顶部维护旋回破碎机示意

(2)无需人员进入卸料仓，可避免维护人员受到掉落物的伤害，大大增加了工作人员的安全性。

(3)增加了设备基础设计的灵活性，降低了粗碎塔楼的建设投入。由于不再需要偏心套维修小车以及在破碎机下部进行维修工作，因而破碎站建设高度可降低，进入卸料仓的门设计成能让1人进出即可。卸料输送机可以无需小车的辅助而直接布置到更接近卸料口处。

(4)采用顶部维护的结构设计，偏心套组件可以采用更大的平衡重，平衡重内部的配重腔形结构得到最佳的优化，使破碎机不平衡力比以前更小，甚至可以100%平衡掉破碎机的不平衡力，从而使机器运转更加平稳，部件寿命更长。

(5)最大化了备用组件的成套性，从而提高了破碎机的维修性。例如，对液压缸组件进行的重新设计，使所有易磨损件位于柱塞上部，而不是传统的在缸体上，必要时只需更换整个柱塞组件就可快速恢复生产。

首台TS型旋回破碎机于2009年10月在美国Tilcon New York(硅纽约)公司的西Nyack石料破碎厂投入使用，受到了用户好评，仅破碎站基建费用就可节省80万美元。

2.2.2 UD型超级旋回破碎机

2005年，FLSmidth公司根据用户的特殊需求，开始了可承担超硬物料破碎任务(Ultra Duty)的旋回破碎机的研发。即在破碎机规格尺寸不变、给料尺寸相同的条件下，可提供比同规格重型旋回破碎机高出33%～35%的破碎力。

UD型超级旋回破碎机采用了更大功率的电机，传动部件的零件尺寸也更大，除采用螺旋锥伞齿轮保证有更多齿面接触以传递更大动力外，甚至采用多重双联小齿轮驱动，以解决破碎能力不足的问题。

在常规情况下，1台UD型超级旋回破碎机可以替代2台较小规格的旋回破碎机，这样既可节省初期总投资，又可降低日常运行成本。在井下应用时，还可设计成剖分式机架，以便于搬运，可节省巨额的为设备搬运的掘进(扩井、扩巷)和搬运机具费用。

2010年8月，FLSmidth已有6台超级旋回破碎机在用户现场投入使用，其中为加拿大某用户提供的超级旋回破碎机规格为1 830 mm×2 262 mm。此后，用多重双联小齿轮驱动技术对该规格机型进行优化改造，并在Minnesota Iron Ore Range(美国明尼苏达铁矿)成功运行。2010年3月，FLSmidth与加拿大安大略省东北部的Detour Lake金矿签订了1台1 500 mm×2 900 mmUD型超级旋回破碎机的合同，并计划于2013年早期投产，该机装机功率为1 000 kW，设计生产能力为61 000 t/d，为两条平行的、总能力为55 000 t/d的半自磨—球磨流程提供给料。

2.3 Sandvik CG系列旋回破碎机

瑞典Sandvik公司也有长期的旋回破碎机的设计制造历史。它的CG系列旋回破碎机是与日本川崎重工旗下的EarthTechnica公司联合设计的。经过多年不断的精细改进，也已成为了世界著名的旋回破碎机系列。CG系列旋回破碎机的主要技术参数见表3。

表3 Sandvik CG系列旋回破碎机的主要技术参数

Sandvik CG系列旋回破碎机的最大特点是，主轴与顶部横梁之间采用球型滑动轴承。众所周知，旋回破碎机在工作时，主轴做旋摆运动，其顶部轴承不但要承受巨大的、沿周向变动的横向破碎力，还要承受因主轴摆动引起的沿周向变动的挠曲力，受力情况十分复杂。因此，传统上，主轴顶部轴承的定期更换是旋回破碎机维护中不得不进行的既耗费维护成本又耽误生产的工作。采用球型滑动轴承后，从根本上改变了顶部轴承的受力情况，也使主轴上端轴颈的受力状况得到改善。Sandvik声称，这一设计可使顶部轴承终身免更换。该球型轴承外形结构见图6。

图6 Sandvik旋回破碎机顶端球型轴承

CG系列旋回破碎机定锥衬板采用自带定位凸锥和张紧螺栓设计，相应地在机架内侧排列若干定位凹槽和用来穿过螺栓的孔(见图7)。这种结构方式虽然加大了机架和衬板的制造难度和成本，但衬板可以分别进行更换，使得衬板的维护和更换变得简易而节省，避免了传统设计的整体更换衬板的问题。

2.4 ThyssenKrupp旋回破碎机

ThyssenKrupp也是世界上著名的旋回破碎机制造厂商之一，同时还是生产颚旋式破碎机的唯一著名厂商，已拥有100多a的旋回破设计制造经验。其设计制造的KB系列旋回破碎机和BK系列颚旋破碎机的主要技术参数见表4。

2.4.1 KB系列旋回破碎机

ThyssenKrupp公司的KB系列旋回破碎机除具有主轴可调、过载保护、摆程可电气调节、紧急情况时可带负荷启动、有不同传动系统备选等技术优点外，另一个显著特点是传动部分通常采用中间连接轴结构，即两个多盘式钢离合器之间用中间连接轴和安全联轴器联接，进行直接驱动。当有不可破碎杂物进入破碎腔时，多盘钢离合器可以补偿电机与小齿轮传动轴之间的几何偏移，安全联轴器可以实时保护破碎机电机免受过载的影响。此外，采用中间连接轴结构可以避免拆卸传动小齿轮时必须拆卸电机的麻烦。直接驱动结构见图8。

图7 Sandvik旋回破碎机带定位凸锥衬板的固定方式

表4 ThyssenKrupp KB系列旋回破和BK系列颚旋破主要技术参数

图8 KB系列旋回破采用中间连接轴直接驱动

2.4.2 BK系列颚旋式破碎机

与标准旋回破碎机不同的是，颚旋式破碎机具有特殊形状的向一侧延伸的进料口(见图9)。进料口通常带齿板，与上部定锥衬板形成初级破碎腔，经过初级预先破碎的大物料进入位于下部的环形破碎腔进行进一步的破碎(少部分已经能排出的物料直接经破碎腔下落排出)以达到最终要求的粒度。由于一侧入料口延伸加大并装有齿板，颚旋式破碎机能处理比任何相似规格(如相同圆锥直径)的旋回破碎机更大的给料块。这对于用当今效率最高的采矿方法——露天开采或井下分段崩落开采法采掘出的物料来说特别有意义，因为有了颚旋式破碎机，这两种采矿法取得的矿石在送入破碎机前不再需要考虑设置消除过大块的工序。显然，颚旋式破碎机结合了颚式破碎机和旋回破碎机两者的优点，即给料尺寸范围更大，破碎比大，破碎效率高，不但能够有效避免给料区域架桥堵料的现象发生，而且更方便布置于井下。

目前，ThyssenKrupp BK系列颚旋式破碎机共有2种规格。近10 a来订单不断，2003年澳大利亚订购了首台BK63－75型颚旋式破碎机，安装运行后效果良好。并于2008年又安装了3台，其中1台用于在550 m的井下铜矿破碎，产量达900 t/h，产品P80=150 mm;另2台用于西澳大利亚的地下钻石矿，产量也是900 t/h，产品P80亦为150 mm。这两座地下矿都采用崩落采矿法开采，生产中容易产生过大尺寸的矿块，实践证明，颚旋式破碎机处理这种矿石具有良好的优势，可大大降低生产成本。

图9 颚旋式破碎机外形结构

3 国内旋回破碎机的发展现状

3.1 北方重工旋回破碎机

北方重工设计制造旋回破碎机已有50多a的历史，其PXZ系列产品规格齐全，具有设计先进、性能可靠、工作平稳及能耗低等特点。目前该公司生产的旋回破碎机有PXZ(重型)、PXQ(轻型)和PXF(引进)等3个系列，其中PXZ系列用于破碎中等或中等以上硬度的物料，PXQ系列用于破碎中等或中等以下硬度的物料，PXF系列适用于大型露天矿山。该公司生产的旋回破碎机结构及技术性能与国内外其他公司类似，本文不做详细介绍。北方重工PXZ和PXF系列旋回破碎机的主要参数见表5、表6。

表5 北方重工PXZ系列旋回破碎机主要技术参数

表6 北方重工PXF系列旋回破碎机主要技术参数

3.2 中信重工旋回破碎机

中信重工从事旋回破碎机的研发已有近10 a的历史。2012年开发出的PXZ－152/287型液压旋回破碎机为目前国内产能最大的粗碎设备，并已成功获得国外订单。中信重工的旋回破碎机代表了我国研发的旋回破碎机的最高技术水平，除大型化和功耗指标与上述国外著名公司有一定差距外，达到或接近国际最高水平的技术主要有:

(1)主轴与圆锥锻造成一体。将破碎机主轴的锁紧螺母改放在轴套上，避免了老式破碎机的断轴现象。主轴上部轴颈与锥体过渡部位采用大圆弧并抛光，加强了主轴强度，可有效延长主轴的使用寿命。

(2)主轴顶部轴承设计了油温监测装置，通过温度传感器实时监测轴承的工作温度，可有效避免烧轴瓦事故的发生，保证破碎机的安全运行。

(3)横梁与横梁圈设计铸造成一体，且横梁护板由被动保护结构改为主动防护，大大延长了横梁和衬板的使用寿命。

(4)横梁润滑装置能够定时自动润滑横梁轴承总成，可减少维护保养的工作量。

(5)重型横梁圈与上机架、上机架与下机架、下机架与底架之间，均采用锥面止口过盈配合，可有效防止破碎机壳体松动，避免壳体间联接螺栓直接承受大的工作载荷，并可减少维护和保养成本;通过有限元分析手段，对横梁、机架结构进行优化，确保能适应恶劣工况。

(6)采用正压防尘装置，使机架密封效果更好。

(7)采用螺旋伞齿轮传动机构，能够承受更大载荷，且传动更加平稳可靠，对破碎硬度高的物料效果更加明显。

(8)拥有齿轮调节装置，使齿轮间隙调节方便可靠，可减少安装维护时间。

(9)传动部采用调心滚动轴承，避免了滑动轴承对润滑系统要求高的问题，润滑更加简便、可靠，且滚动轴承功率损耗小，能够在承受冲击作用下使破碎机获得更高转速和传动功率。

(10)油缸部柱塞采用整体式铸造结构，避免了传统的分体式柱塞在安装、维护过程中柱塞板容易脱落的安全隐患;同时设计了位移传感器，能够自动控制油缸柱塞的位置，从而精确控制排矿口大小;应用液压、润滑一体式结构，自动化水平大幅度提高，且可大大减小辅助设备安装空间。

(11)采用多方面人性化设计，并配备检修维护专用工具，可大大压缩检修时间，提高设备的作业率，降低工人的劳动强度。

近两年，中信重工已将旋回破碎机技术成功融入到大型半移动和移动式旋回破碎站的成套系统设计中，这不但充分发挥了旋回破碎机大产能、高效率的设备优势，而且能够更好地满足大型矿山节能高效的应用需求，可适用于千万吨级大型露天矿山的初级破碎工艺流程。截至目前，中信重工已成功开发出PSZ3000－B和PSZ4000－B型半移动式旋回破碎站，PXZ－160/191和PXZ－152/226型旋回破碎机均为其核心破碎设备，单机处理能力达8 000 t/h以上。目前该系列破碎站已成功获得数项国外订单并完成交付。中信重工PXZ系列液压旋回破碎机的主要技术参数见表7，产品模型见图10。