按破碎机理的不同，立轴冲击式破碎机可分为“石打铁立轴冲击式破碎机”和“石打石立轴冲击式破碎机”，本文主要以后者为研究对象，以下简称立轴冲击式破碎机。 上世纪80年代末, 第一台立轴冲击式破碎机在德国展出, 获得了很大的反响。经过多年的发展，立轴冲击式破碎机以其破碎效率高，产品粒度和粒型优越，机械磨损少等优点，在多个国家得到了较好的推广。然而，目前在 我国立轴冲击式破碎机的生产中，几乎没有完善的理论研究成果指导该产品的改进和开发，只能借助部分实验成果、经验和不断地模仿国外产品进行设计和制造，鉴 于此，上海巍立路桥设备有限公司对立轴冲击式破碎机的破碎过程进行了详细的研究。
1 立轴冲击式破碎机的破碎过程简介
岩石破碎学中指出，机械作用产生的应力超过矿石强度极限时矿石就会发生塑性屈服和脆性破坏。如图1 所示，初破后的矿石由立轴冲击式破碎机上方进入，然后分为两部分，一部分向下进入高速旋转的叶轮中，另一部分从四周以自由落体的方式下落；经叶轮加速的矿 石从叶轮流道内被高速抛射出去，首先同从四周落下的矿石发生碰撞，然后一起冲击到机腔内的物料衬层上，被物料衬层反弹冲击到涡动腔的顶部，之后改变方向偏 转向下运动，继而与不断被抛出的矿石形成连续的料幕。这样，一块矿石在涡动破碎腔内受了到两次乃至多次的碰撞、磨擦和研磨破碎作用，上海巍立仅就破碎过程 中的碰撞破碎过程展开研究。
2 碰撞破碎模型的建立
2.1 模型的材料常数
衡量矿石力学性能的主要参数有弹性模量、泊松比、密度、抗压强度、抗剪强度等，由于天然的矿石组成复杂，以上参数往往没有定值，文献给出了常见岩石的力学参数范围，本文选取了其中三种列于表1 中。
表1 几种矿石模型的材料常数
| 材料常数 | |||||
| 弹性模量 e/ gpa | 泊松比 μ | 密度 ρ/ (g•mm-3) | 抗压强度/ mpa | ||
| 矿 石 材 料 名 称 |
砂 岩 |
10～100/100 | 0.20～0.30/0.25 | 1.8～2.8/2.30 | 11～252/252 |
| 花 岗 岩 |
50～100/100 | 0.10～0.30/0.20 | 2.4～3.1/2.75 | 37～379/379 | |
| 玄 武 岩 |
60～120/120 | 0.10～0.35/0.22 | 2.6～3.3/2.95 | 150～350/350 | |
注：/后值为本文分析中所取数值。
2.2 建立碰撞模型
将矿石粒简化为表面光滑的不同粒径的球体；在ansys 中选用solid65 三维实体单元模型划分单元并添加接触对。假设发生的碰撞均为对心碰撞，由于被抛射出的矿石速度很高并且碰撞时间极短，在进行碰撞模拟时，近似认为四周料幕 处自由下落的矿石是静止的，从叶轮内被抛出的矿石水平高速撞击四周料幕处下落的矿石。图2 为本文分析所用的碰撞破碎有限元模型
3 碰撞破碎过程的瞬态分析
利用 ansys 瞬态分析模块，对矿石的碰撞破碎过程进行分析。通过ansys 后处理功能得到有限元模型上任意节点的碰撞应力随时间变化曲线图以及矿石之间的碰撞应力分布云图。如图3 ～ 4 为粒径均为30 mm 的花岗岩矿石在碰撞速度为60 m/s 时，碰撞接触区域上一节点受到的碰撞应力随时间变化曲线图和相应过程中出现最大碰撞应力时模型上的应力分布云图。由图3 可以看出该种材料的矿石在上述条件下碰撞接触时间极短，约为0.06 ms, 从接触到分离矿石所受应力急剧变化，分离后，矿石内部仍存有一定的残余应力。图4 说明了最大碰撞应力出现在被高速抛出的矿石上，对比表1 可知，最大碰撞应力远远超出了该种矿石的强度极限。模拟试验表明，破碎过程中的碰撞速度为60m/s 时，能完全满足对粒径30mm 的花岗岩矿石的破碎要求。
4 不同粒径分布下的矿石碰撞破碎过程分析
在立轴冲击式破碎机中， 对同种矿石进行破碎，相互碰撞的矿石粒径不可能严格相同，为得到矿石粒径对矿石破碎效果的影响情况，本文以确定材料常数的花岗岩矿石为模型，（材料常数见 表1），选定矿石被甩出的初速度为60 m/s，分别对粒径为20 mm、30 mm、40 mm 的花岗岩矿石进行碰撞破碎模拟试验。试验完成后得出最大碰撞应力以及碰撞接触所用的时间，用曲线图进行描述如图5 ～ 6 所示。结果表明，相同粒径的花岗岩矿石相互碰撞时，最大碰撞应力随矿石粒径的增大而呈增长态势，且在矿石粒径为30mm～40mm 的区间增长较快。不同粒径的矿石相互碰撞时，假设粒径较小的矿石相对运动，粒径较大的矿石相对静止，即“小碰大”与假设粒径较大的相对运动而粒径较小的相 对静止，即“大碰小”这两种情况相比较，前者的最大碰撞应力比后者的大。另外，碰撞接触时间随矿石粒径的增大而增大，即两者之间成正比例关系。
5 不同材料和碰撞速度下的矿石碰撞破碎过程分析
为得到不同种矿石在不同碰撞速度下的破碎情况，本文以粒径为30mm 的矿石为模型，分别对确定材料常数的砂岩、花岗岩、玄武岩在碰撞速度分别为50 m/s、60 m/s、70 m/s 几种情况下进行碰撞破碎模拟试验。试验完成后列出各种情况下矿石所受最大应力及碰撞接触时间，用曲线图进行描述如图7～8 所示。通过对比表1 中材料的抗压强度值和以上分析结果可以看出，当碰撞速度为50 m/s 时，每种矿石的最大碰撞应力仍大于其相应的抗压强度的最大值，但相差不大，所以，为了获得较好的破碎效果，在设计冲击式破碎机时，必须使叶轮具有足够的线 速度，一般取50 ～ 70 m/s，也可以通过控制系统根据矿石的可破性不同做出相应的调整。另外，碰撞接触时间与矿石材料没有明显的关系而与碰撞速度相关，且碰撞接触时间随碰撞速 度的增大而缩短。
本文首先介绍了立轴冲击式破碎机的 工作特点，然后利用模拟碰撞试验的办法，模拟了多种条件下矿石在立轴冲击式破碎机中的破碎过程，得出了以下结果：①建立了基于ansys 的“石打石”碰撞破碎模型；②通过模拟碰撞试验，测定了碰撞破碎过程中的应力和接触时间，并统计了相关规律，为矿石的可破性研究提供了理论依据；③以模拟 碰撞试验的办法验证了立轴冲击式破碎机叶轮线速度的合理性，为立轴冲击式破碎机的设计提供了参考。
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