准东露天煤矿破碎站关键破碎装备设计研究

陈 通

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

准东露天煤矿位于昌吉自治州吉木萨尔县，距离乌鲁木齐市230 km，矿区采掘场揭露地层主要为泥岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粗细砂岩、煤层等[1]。露天矿原破碎站系统采用了1台处理能力800 t/h的单辊破碎机，产品粒度≤200 mm，出料产品单一，年产量低于0.4 Mt。外销产品价格受市场行情影响经常发生变化，200 mm(含)以下单产品销售经济效益低，单产品销售价格以50 mm(含)以下和80 mm(含)以下为最佳，当50 mm(含)以下褐煤销售综合经济效益最大时，产品应以50 mm(含)以下粒级为主，同理当80 mm(含)以下褐煤销售综合经济效益最大时，产品应以80 mm(含)以下粒级为主。在上述情况下，露天采煤产能需要进一步提升，同时外销产品对粒度要求越来越严格，破碎站改造计划快速推进。

露天破碎站是一种基于露天采矿的破碎作业系统，一般采用可拆卸式钢结构组建，其作用类似于露天原煤破碎中心，是原煤开采后进行集中加工的重要场所。常规的露天破碎站一般设有承重钢结构组件、原煤承重仓、板式给料机、破碎机、胶带机、给料和出料溜槽、成品卸料仓、集中控制系统等，其特点是选址容易、工艺布置简单、可根据采掘面的变更而拆卸后移动重新组装，见图1。

图1 露天破碎站系统

1 准东破碎站生产工艺

通过分析产成品外销现状，结合原简易破碎站情况，改造破碎站设计工艺为：外来露天原煤经宽体重型卡车运输至破碎站承重料仓，仓内原煤经底部重型刮板运输机输送至一级破碎机进行破碎，破碎后原煤经由胶带机运输至二级破碎机或三级破碎机进行二次破碎后生成最终产成品，产品经由底部胶带机输送至卸料车间装车发货[2]。整个破碎站支撑部分采用钢结构设计，电控系统采用集中控制，上下游设备形成闭锁关联。

准东露天破碎站设计升级后年生产能力要求为600 Mt，每年有效生产330 d，每日满负荷生产24 h，年检修时间30～35 d[3]。

则有如下计算公式：

式中：Q为破碎站系统生产能力，t/h；K为来料不均匀系数，取值1.48[4]；Qn为破碎站设计年生产能力，t/h；D为年有效生产天数，d。

考虑到刮板输送机、破碎机等瞬时来料不均匀情况，预设破碎系统处理能力为1 500 t/h，煤仓来料粒度≤1 500 mm，由宽体重型卡车运输至承重料仓，通过仓底重型刮板机输送至一级破碎机进行破碎，见图2，刮板机运输能力为1 500 t/h，一级破碎机出料粒度≤350 mm。

图2 一级破碎工艺示意

经由胶带输送至二级或三级破碎机进行破碎，物料进入二级或三级破碎机前经过滚轴筛筛除成品细粒级物料，二级破碎机出料粒度≤100 mm，三级破碎机出料粒度≤50 mm，二级和三级破碎机间通过溜槽改路实现工艺变更，按照外销产品粒度需求对工艺进行调整，可单独生产100 mm(含)以下或50 mm(含)以下粒级产品，使时销产品效益最大化，见图3。二级或三级破碎后的物料通过胶带送入储煤仓。

图3 二级、三级破碎工艺示意

由图3中所示可知，物料经过一级破碎机破碎后经由胶带转入二级或三级破碎机进行破碎，系统中重型刮板机、一级破碎机承受着物料破碎和转运的较多压力，当改造系统出现故障时需启动旧系统暂时补救，系统产量降低，且产品物料单一，影响经济效益。因此，在设计重型刮板机和一级破碎机时需要提高运行安全系数，同时保证设备维护简便快捷，最大限度降低长时间停产风险。

2 破碎机选型设计

2.1 一级破碎机选型设计[4]

一级破碎机入料粒度≤1 500 mm，出料要求≤350 mm，破碎比为4.29。实际勘查时确认大块物料为长条状，长度接近1 500 mm时宽度方向上最大尺寸为1 124 mm，平均值958.5 mm，高度方向上最大尺寸为651 mm，平均值498.75 mm，见表1。破碎单块大型物料需满足齿辊长度≥1 500 mm，齿辊间距≥1 124 mm。

表1 大块物料尺寸

假设两齿辊中心距为L1，见图4，则单位时间(1 h)内破碎机处理能力Q1计算公式如下：

Q1=[(60×A1×π×D1×Lmin×M1-5×2×

ΔQ1×A1×p1)-S1×M1×60×A1×π×

D1]×ρ1×f1

式中：Lmin为齿底间距，m；S1为齿头交叉尺寸，m；D1为齿辊直径，m；M1为齿辊长度，m；ΔQ1为单个破碎齿的体积，m3；A1为齿辊转速，r/min；P1为辊长方向上的齿排数；ρ1为物料堆积密度，t/m3；f1为物料通过系数。

图4 一级破碎机齿辊啮合示意

褐煤原煤堆积密度为0.6～0.8 t/m3，取最大值，物料通过系数按同产品试验机对样品试验结果取值0.57，齿辊转速A1=74 r/min，齿辊直径D1=1.25 m，齿辊长度M1=2.5 m，计算结果为Q1≈2 860 t/h，安全系数v≈1.907，综合考虑物料不连续性、湿度、硬度、粘稠度和瞬时量差异的影响，整体设计符合要求，即一级破碎设备选型型号为2PLF120/250，破碎方式为正旋破碎。

2.2 二级破碎机选型设计

二级破碎机来料粒度≤350 mm，出料产品要求为≤100 mm，破碎比为3.5。综合筛分试验得出来料产品中大于100 mm的物料占比约35%，即通过滚轴筛后进入二级破碎机的实际物料量约525 t/h，但由于滚轴筛的不稳定性，需要考虑当滚轴筛无法正常工作时，二级破碎机需满足物料通过率100%，即设计通过量为Q2≥1 500 t/h。与一级破碎机设计方案相同，设计计算结果为Q2≈2 200 t/h，安全系数为v≈1.47。由于二级破碎机破碎比3.5明显小于一级破碎机的4.29，物料一次啮合通过率远高于一级破碎机，整机设计符合要求，即二级破碎机选型型号为2PLF120/300，破碎方式为正旋破碎。

2.3 三级破碎机选型设计

三级破碎机来料粒度与二级破碎机相同，出料产品要求为≤50 mm[6]，破碎比为7，与双齿辊破碎机破碎比要求(2～6)有较大出入。综合筛分试验得出，来料产品中大于50 mm的物料占比约53%，即通过滚轴筛后进入三级破碎机的实际物料量约800 t/h，同样由于滚轴筛的不稳定性，需要考虑当滚轴筛无法正常工作时，三级破碎机需满足物料通过率100%，即设计通过量为Q2≥1 500 t/h。因出料粒度要求小，增加物料通过性的途径是增大齿辊转速、加长齿辊长度，这明显与大破碎比和高啮合性形成矛盾，且当齿辊长度大于3 000 mm时，齿辊长度利用率大大降低，物料均匀布置程度不够，通过试验机试验得出正旋破碎时物料通过系数低于0.38，与二级破碎物料通过系数差距较大，腔体卡堵成为必然结果。

综合上述因素，齿辊内旋破碎设计理论不符合现实要求，考虑双齿辊反旋独立破碎方案，见图5。

图5 三级破碎机齿辊啮合示意

单位时间(每小时)内破碎机处理能力Q3计算公式如下：

Q3=[2×60×A3×π×D3×S3×M3-

A3×N×18×(△Q3+△C3)×p3]×ρ3×f3

式中：D3为三级破碎机齿辊直径，m；A3为齿辊转速，r/min；M3为齿辊长度，m；N为辊长方向上分布排齿数；Δc3为单个侧齿体积，m3；ΔQ3为单个齿板齿头体积，m3；S3为齿底与侧齿板间距，m；P3为齿辊长度方向上的齿排数；ρ3为物料堆积密度，t/m3；f3为物料通过系数。

褐煤来料堆积密度为0.65～0.87 t/m3，齿辊转速A3=83 r/min，齿辊直径D3=1.5 m，齿辊长度M3=3 m，反旋破碎物料通过系数f3=0.42，计算结果为Q3≈1 980 t/h，安全系数为v≈1.32。破碎比大于6时合理的反旋破碎结构设计能够增强破碎齿啮合能力，整机设计符合要求，即三级破碎机选型型号为2PLF150/300，破碎方式为反旋独立破碎。

2.4 破碎机齿辊结构设计

一级破碎机设备承载物料反向扭矩高，设备工作环境恶劣，齿辊结构为整体铸造齿环式，齿型粗大，有较高的抗振能力和较强的耐磨性，易损备件只需配套1对破碎齿辊总成即可。

二级破碎机和三级破碎机齿型较小，单齿承载物料反向扭矩较小，齿辊结构采用齿板式，齿板与辊座结合处采用精加工面键联结，拆卸简便，且在齿辊不均匀磨损的情况下可实现局部更换，节约配件成本。

2.5 破碎机检修方式设计

一级破碎机设备总重52 t，三级破碎机总重86 t，均布置于预设起重器钢轨上，采用3kW×4的行走驱动电机，维修时电动行走机构可最大载重110 t滑出工作位置至检修平台。二级破碎机因空间限制采用了地脚固定方式。

2.6 破碎机密封结构设计[7]

准东露天矿破碎站对粉尘控制要求较高，且因破碎机年生产天数大于300 d，齿辊轴承和腔体的密封设计非常关键。轴承密封方面，首先将破碎腔体与轴承组件分离，轴承组件设2道骨架密封结构加1道毛毡密封；腔体方面，破碎辊外侧设置挡料盘，降低物料对挡板冲击，挡板外侧设计防尘橡胶板控制粉尘外溢，同时周期性涂抹润滑脂粘结粉尘，腔体接缝处涂抹密封胶，侧梳齿减空区周期性涂抹润滑脂粘结粉尘，见图6。

图6 密封结构示意

2.7 高寒地理特性应对方案[8]

在冬季极寒天气下，准东地区最低温度达零下40 ℃，破碎机产品稳定性面临严峻考验。针对该地区地理特点，3台破碎机分别加装了电机电加热系统、减速机电加热系统、润滑泵电加热系统、油路保温系统和关键零部件温度测控系统，该类系统通过接入集控可实现在线监测、APP端实时观察，同时，润滑油脂、齿轮箱油、液力传动油均采用了低温特性油脂，为破碎机在极寒天气下仍能稳定运行提供了保障。

3 破碎站实际运行情况

3.1 破碎设备参数

准东露天破碎站于2021年7月正式带煤生产，整体运行良好，其中一级破碎机齿辊长度有效使用率约60%，符合设计安全系数预估，二级破碎机和三级破碎机前的滚轴筛应用不稳定，后进行了拆除，二级破碎机和三级破碎机齿辊有效长度利用率分别约为75%和85%，符合设计安全系数预估，两产品超限率分别为4.2%和2.6%，对产品外销影响不大，得到业主方认可，产品粒级分布见表2和表3。

3.2 破碎机设备密封情况

3台破碎机密封设计符合使用需求，轴承监测温度长期保持低于45 ℃，破碎腔体粉尘控制情况良好，符合环保标准要求。

表2 二级破碎产品粒级分布

表3 三级破碎产品粒级分布

3.3 破碎机设备耐寒情况

加装电加热系统和测温系统运行正常，油脂监测正常，冬季极寒温度下无故障发生。

4 应用效益分析

长期以来，国产大型大处理能力分级破碎机在露天破碎站系统中应用局限于产成品大粒度破碎领域，在50～100 mm产品要求范围内应用成功案例较少，长期被国外品牌垄断[9]，尤其是在50 mm产品领域，国产反旋破碎设备稳定性不高，设计缺乏理论数据和试验支撑，准东露天矿三级反旋设备2PLF150/300破碎机实现了突破，是目前运行良好的大型反旋小粒度产品破碎设备。

准东露天矿破碎站系统升级改造项目破碎成品年产量成功得到提升，实现两产品直接经济效益超12 亿元/a，较旧系统增加收益约5 亿元/a，因破碎机安全系数仍有余量，后期产能提升后满载情况下最高可再增收2.4 亿元/a。

5 结 语

准东露天煤矿3个级别破碎机的成功应用结合了严谨的理论设计计算和试验研究成果，有较高的设计参考价值和应用借鉴，也为2022年该地区第二期同类型产品的设计应用打好了基础，其推广价值如下：

(1)基于齿辊式破碎机工作原理对3台破碎机进行选型设计，提出了相关理论公式。

(2)利用现有实验机对物料通过率进行试验验证，为同类产品设计提供试验依据。

(3)设备实际应用良好，产生较高经济效益和社会价值。