1、錘式破碎機錘頭失效分析
1.1破碎機的工作原理
錘式破碎機類型很多，按轉子數目可分為單轉子和雙轉子錘式破碎機；按轉子回轉方向可分為定向式（轉子朝一個方向旋轉）和可逆式（轉子可朝兩個方向旋轉）錘式破碎機；按垂頭排列數目可分為單排列、雙排列和多排列錘式破碎機；按錘頭裝置方式可分為固定式和活動式錘式破碎機。磚瓦行業使用的一般為單轉子、定向式、多排列、活動式錘式破碎機。圖l為該類型錘式破碎機結構。錘頭1用錘軸鉸接并懸掛在錘盤2上，而錘盤裝配在主軸3上。機殼下半部裝有篦條4，主軸、錘盤和錘頭組成的回轉體稱為轉子。物料從喂料口落下進入破碎腔，與高速旋轉的錘頭相撞擊，被沖擊的物料從錘頭獲得動能，以很高的速度撞在有一定間隙的篦條上，再次被撞擊，被篦條彈回的料塊落到轉子上，又一次受到沖擊，物料在運動中，料塊之間也頻頻發生相互撞擊。這樣，粒度較大的物料經過反復破碎，直到符合要求的粒度后經篦條縫排除。塊狀物料在破碎腔的破碎過程包括以下幾個部分：①物料與錘頭的撞擊；②物料與襯板的撞擊；③物料之間的相互撞擊；④物料在錘頭與襯板之間的擠壓。
1.2錘頭失效分析
錘式破碎機錘頭在工作期間，除受到物料的撞擊外，還受到物料的沖刷+這樣長期反復使用，錘頭的工作面就會受到破壞，使表面形狀發生變化，如果用在可逆式破碎機上，錘頭兩側的棱角就會被磨成光滑的圓弧面，如圖2所示。在丁作初期，錘頭表面形狀未發生改變時，主要受到撞擊磨損，物料以正向力撞擊金屬表面產生塑性變形和撞擊坑；當錘頭的工作面磨成圓弧后，表面受力就發生了變化，作用在磨損面上的力F可分解為兩個分力，一個是垂直于錘面的法向力F=Fsina，一個是平行于錘面的切向力Ft=Fcosa，前者對錘頭產生撞擊作用，后者對錘面造成切削、沖刷，二者的大小取決于沖擊角a的值。在錘頭工作初期，沖擊角a=90。，切向力Ft為零，這時主要表現為撞擊磨損；當錘頭磨損后，沖擊角a角變小，切向力Ft隨沖擊角a減小而變大，這時主要表現為沖刷磨損，使金屬從錘面上遷移。沖刷磨損是錘頭失效的主要形式。盡管物料的撞擊可對錘頭產生一定量的加工硬化，但沖擊力還不足以使錘頭的工作面形成堅固的硬化層，造成錘頭的耐磨性不夠，最終使得錘頭在工作初期失效。
2、影響錘頭磨損的主要因素
2.1錘頭材質的影響
一般來說，硬度越大的錘頭其耐磨性也愈大。要提高錘頭的耐磨性，就要增加其硬度，但隨著硬度的提高，錘頭的抗沖擊韌性就會降低。因此，如何兼顧錘頭適宜的硬度和良好的抗沖擊韌性是提高錘頭耐磨性的關鍵。錘頭常用的材料有：高錳鋼、高鉻鑄鐵、低碳合金鋼。高錳鋼韌性好，工藝性好，價格低，其主要特點是在較大的沖擊或接觸應力的作用下，表面層將迅速產生加工硬化，其加工硬化指數比其它材料高5—7倍，耐磨性得到較大的提高。但如果使用中沖擊力不夠或接觸應力小，則不能使表面迅速產生加T硬化，高錳鋼的耐磨性就不能充分發揮。高鉻鑄鐵是一種具有優良抗磨性能的耐磨材料，但韌性較低，易發生脆性斷裂。為了使高鉻鑄鐵錘頭安全運行，人們開發了復合錘頭，即將高鉻鑄鐵鑲鑄在高錳鋼或低合金鋼錘頭頭部，或者錘頭工作部分采用高鉻鑄鐵，錘柄部分采用碳鋼，將兩者復合起來，使錘頭頭部具有高硬度，而錘柄部具有高韌性，充分發揮兩種材料的各自優點而克服單一材料的缺點，滿足錘頭使用性能要求。但其制造工藝復雜，工藝要求較嚴格。低碳合金鋼主要為含鉻、鉬等多種元素的合金結構鋼，硬度高、韌性好，其基體組織有馬氏體，貝氏體或貝氏體+馬氏體復合組織。錘頭硬度為HRC 45左右，沖擊韌性dk≥15J/cm2。在同等工況條件下，其使用壽命至少比高錳鋼錘頭提高l倍以上。但錘頭的調質熱處理是關鍵，調質熱處理后不僅要求整體抗拉強度達850MPa以上，而且要求有相當的塑性和韌性。
2.2錘頭的制造質量
錘頭的制造也是決定其使用壽命的關鍵因素。如果錘頭表面或內部制造中存在缺陷，如縮孔、裂紋、穿晶等，不僅會降低錘頭性能，甚至造成錘頭斷裂。因此，在錘頭生產中必須制定合理的鑄造和熱處理工藝。例如對高鉻鑄鐵錘頭，應采用立澆和合理使用外冷鐵，并嚴格控制澆注溫度等措施，這樣可使錘頭在鑄造時有良好的凝固順序和補縮條件，進而得到致密的內部組織，并減弱晶粒粗大的現象。錘頭的熱處理工藝則決定了其力學性能的實現和碳化物的分布形態。由于在錘頭的成分中含有一定量的鉻和其它合金元素，因此如何使這些合金元素形成硬質點碳化物的作用充分發揮出來，也是制訂熱處理工藝時考慮到的一個因素。總之，制訂合理的生產工藝和嚴格的質量檢驗手段，是保證錘頭達到使用性能的先決條件。
2.3錘頭的結構設計
不同結構和幾何形狀的錘頭，其熱處理的力學性能、內部的金相組織有很大的差別，進而對耐磨性有較大的影響，特別是厚度、尺寸大的錘頭影響更為突出。錘頭越厚大，越不易淬透，其抗磨損性能也就越差。由于錘頭的內部抗磨損性能明顯低于表面，因此，對于厚度尺寸較大的錘頭，只能借助于合理的鑄造和熱處理工藝來改善這一狀況，但這一手段對提高錘頭的抗磨損性能是有限的，最好的辦法是在不改變錘頭的打擊動能和強度的情況下，對錘頭的結構進行優化設計，一方面可提高錘頭的利用率，同時又可減少結構對熱處理性能的影響，避免錘頭的耐磨性能下降。
2.4破碎機的技術參數
錘頭的壽命還與破碎機的技術參數有關，其中最主要的是轉子體的功率和轉速。這兩個參數直接反映了錘頭的線速度和沖擊力，它們不僅關系到破碎機的生產能力，也關系到錘頭沖擊硬化的程度。沖擊硬化良好的錘頭，使用壽命勢必會有所延長。轉子轉速過低，不僅生產能力低，且動能低，致使錘頭沖擊硬化不良、耐磨性能差；轉子轉速太高，雖然可使錘頭獲得較好沖擊硬化、設備生產率提高，但同時也會引起錘頭、篦條和襯板極度磨損，對錘頭使用壽命不利，同時會顯著增加功率消耗。因此，應確定合理的轉速，提高錘頭工作初期的沖擊硬化程度，降低錘頭的磨損。
2.4破碎機結構中各部的間隙
這里主要是指轉子體與破碎板、篦條及給料輥的間隙以及錘頭之間的間隙。這些間隙的尺寸關系到篦條上及安全門附近是否存有積料。如果出現積料，當錘頭無法將積料從篦條上壓下時，就會受到嚴重的磨擦磨損。間隙過小，雖然可提高物料的破碎質量和效率，但容易形成積料、堵塞，導致錘頭磨損；間隙過大，雖然可以避免物料堆積，但破碎效果和效率低。因此，錘頭破碎機在使用時，必須經常調整各部分的間隙，使其處于適當的范圍之內。改進篦條結構，使排料保持通暢，也有助減少錘頭的磨損。
2.5破碎機給料情況
給料情況包括：(1)入料粒度和硬度．(2)破碎機的給料方式。前者關系到破碎機是否會出現積料和錘頭打擊物料時所受到的碰撞沖量，后者則因給料方式不同造成物料到轉子的落差不同，也影響到錘頭打擊物料時的碰撞沖量。當錘頭重量及轉子轉速一定時，錘頭的碰撞沖量與物料質量、落差成正比，而碰撞沖量的大小直接關系到錘頭加工硬化的程度和耐磨性能。因此大型錘式破碎機的入料粒度不宜太小，給料設備轉速以高一些為好。此外，物料含水量過大也對錘頭壽命有一定的影響，含水量過高，物料容易粘接成團，造成積料，加劇錘頭的磨損。
3、提高錘頭壽命的措施
3.1合理選擇錘頭材料
選擇合適的材料是提高錘頭壽命的基本途徑。由于錘頭在使用中不同程度地承受撞擊磨損與切削磨損，對使用的材質提出了高韌性與高硬度的要求。提高錘頭的硬度，可提高其耐磨性，從而減輕撞擊磨損；提高材料的韌性有助于抑制裂紋的產生和擴展，有利于減輕沖刷磨損。但韌性與硬度是一對矛盾，在實際選擇材質時，一定要充分了解工況條件及其磨損機制，合理選用材質。
(1)根據沖擊載荷大小選擇錘頭材料
當破碎物料的粒度大時，錘頭所承受的沖擊載荷也大，因此，應選擇合金化的高強高錳鋼，其韌性可保證安全使用，其初始硬度高、屈服強度高、奧氏體內有彌散碳化物，可保證其高耐磨性；錘頭重量越重，其所破碎物料的塊度越大，錘頭受到的沖擊載荷也越大，因此應首先考慮在保證錘頭韌性的前提下提高其硬度；對于中小型錘頭，沖擊載荷小，采用高錳鋼不能發揮其加工硬化的特性，達不到耐磨效果，應選擇高中碳低合金鋼和中碳合金鋼材料。
(2)根據物料特征選擇錘頭材料
選擇錘頭材質時，要充分了解破碎的物料組成及其硬度、粒度、尖角銳度、水分等。物料硬度越高，對錘頭材質的硬度要求越高；而物料塊度越大，對其韌性要求越高。實踐經驗表明，在H。=(0.8—1.1)H。范圍內(Hm-金屬硬度，H。一物料硬度)，材料耐磨性會得到提高，因此，錘頭的材料硬度應該選為物料硬度的0.8倍以上。在此基礎上，再兼顧錘頭的大小、轉速等情況選擇硬度、韌性匹配合理的材料。
(3)根據破碎機結構選擇錘頭材料
普通錘式破碎機錘頭經錘架固定在軸上，運行時離心力大，錘頭受沖擊載荷大，應選高韌性耐磨材料；反擊錘頭式破碎機的錘頭鑲在轉輪上，可用韌性較低的耐磨材料；破碎機規格越大，錘頭的重量越大，動量和沖量也大，對錘頭的要求越高，應選擇韌性高的耐磨材料。
(4)根據經濟性選擇錘頭材料
在選用錘頭材質時，還應考慮到技術經濟效果，力爭做到優質價廉，具有市場競爭力。同時還應考慮其工藝合理性，使生產廠易于組織生產與質量控制。
3.2合理設計錘頭結構
錘頭的形狀和質量直接影響破碎機的產量和使用壽命。應根據破碎物料的性質、進料粒度及檢修情況進行合理選擇。用于粗碎時，錘頭應重且數量要少；用于中細碎時錘頭的重量要輕且數量要多。
錘式破碎機常見的錘頭如圖3。a.b、c是輕型錘頭，質量通常為3.5-15kg，多用于破碎塊度為100-200mm的軟質和中硬物料。其中a、b兩種是兩端帶孔的，磨損后可以調換4次；而c種錘頭只能換兩次。d為中型錘頭，質量為30~60kg，且重心距懸掛中心較遠，多用于破碎800—1000mm的中硬物料，而e、f是重型錘頭，其重量50-120kg，主要用來破碎大塊且堅硬的物料。
為了提高錘頭的使用壽命，在設計和選擇錘頭結構時應注意以下幾點：
(1)在滿足沖擊力度的前提下，盡量選擇兩端帶孔的錘頭，它磨損后兩端可進行多次調換，能有效延長錘頭的使用壽命。
(2)如果工藝要求使用一端帶孔的錘頭，在保持錘頭重量基本不變的情況下，盡量延長懸掛長度，增大工作部尺寸，減小懸掛部尺寸。這樣，不僅可以增加錘頭的磨損裕量，延長錘頭的壽命，而且還能有效增加錘頭的動量和沖量，加大打擊力度，提高破碎效果。
(3)為了提高錘頭的耐磨性，可在其工作面上涂焊一薄層硬質合金，或設計成復合型錘頭，錘頭工作部使用高硬度材料，非工作部使用高韌性材料，使錘頭既耐磨又耐沖擊。
(4)采用先進的錘頭結構，如組合式快速更換的錘頭。這種錘頭由柄部和頭部構成，兩者材料不同，柄部韌、頭部硬，柄部和頭部通過銷軸連接。頭部磨損不可再用后，操作者不必拆下整個錘頭，僅拆裝銷軸即可快速更換錘頭。每次更換錘頭時真正扔掉的金屬僅占整個錘頭重量的25qv左右，相當經濟的。
(5)錘頭結構要有利于修復。錘頭磨損到一定程度之后，有條件的用戶可以實施堆焊修復。高錳鋼錘頭，磨損后可用錳鋼焊條堆焊的方法進行修補；其他材料，可用ZDECr50-10高鉻合金耐磨堆焊焊條堆焊錘頭，利用高鉻合金中的硬相質(Cr、Fe)7C3，提高錘頭表面的硬度。
3.3加強設備的管理與維護
正確使用與科學維護是使設備始終處于良好狀態，延長錘頭使用壽命的有效途徑。如果使用和維護不當，不僅容易引起設備故障，如振動、噪聲、發熱、磨損等，而且勢必招致錘頭的使用壽命降低。錘式破碎機在日常使用與維護中應特別注意以下幾點：
(1)根據設計型號，適當控制進料尺寸，嚴禁超出設計最大限定尺寸的物料人機。
(2)選用合適的給料設備，如采用板式給料機或振動給料機等進行喂料，保證進料均勻穩定，避免因喂料不均勻對設備造成沖擊和發生無效運轉。
(3)由于錘頭鑄造時重量有誤差，錘頭使用過程中應根據電流的情況，按時倒眼、翻個，以使錘頭均勻磨損和轉子運轉平衡。
(4)更換新錘頭時最好進行稱量，根據重量平均分成幾組，每組的重量要求相等，否則開機時轉子不平衡容易引起振動。
(5)停車時要檢查錘頭與篩條之間、篩條與篩條之間的間隙，必要時進行調整，并定期更換篩條。因為錘頭的成本比篩條高，新篩條與舊篩條相比，錘頭能多用4-5個班。
(6)錘式破碎機的錘架是鑄鋼材質，與物料接觸較少，但當破碎機內進入金屬物或襯板脫落時，容易造成中錘盤損壞或彎曲，這時要及時將其換掉，否則容易夾錘頭引起振動。
(7)錘架的邊錘盤與機殼側板間由于受到物料沖擊，邊錘盤的磨損較為嚴重，為了延長邊盤的使用壽命，可在邊盤的圓周面以及靠近側板的一面堆焊出耐磨層。
(8)由于運轉中的摩擦，主軸兩端軸徑容易磨損，安裝時要在軸徑處加上兩個護軸套，使其抱在軸上保護軸徑。
(9)軸承磨損后要及時進行修復和調整。軸承磨損后一般應根據新尺寸刮研軸瓦，調整墊片厚度，使之保持合理間隙，以便形成有效潤滑油膜。
4、錘式破碎機錘頭的改造實踐
某磚瓦廠一煤矸石單轉子不可逆錘式破碎機，尺寸1250mmx1250mm，3排錘頭，每排10個，電機功率180kW，轉子轉速735r/min，原錘頭材料為高錳鋼，錘頭結構如圖4a。錘頭失效的主要形式是磨損，錘頭使用壽命非常短，一般為40~50d，錘頭損耗大。企業對破碎機錘頭進行了改造，改造措施如下：
(1)改進錘頭材料。將原高錳鋼改為高鉻錳鎢合金，材料成分見表l。高鉻錳鎢合金的硬度高且韌性較好。高鉻錳鎢合金經熱處理后，其組織為：馬氏體+一次碳化物+鑄鐵少量粒狀二次碳化物+少量殘余奧氏體。一次碳化物呈分散、孤立狀，且塊度較小，體積比值達27%左右，起到了抗磨損的骨干作用；支撐一次碳化物的馬氏體基體，由于其上析出高度彌散的二次碳化物的緣故，進一步強化了馬氏體，提高了基體組織的抗磨性能；少量的殘余奧氏體減緩了裂紋擴展的趨勢，從而使高鉻錳鎢合金抗磨性能高且韌性較好。其機械性能如見表2。
(2)改進錘頭結構。現錘頭結構如圖4b，在錘頭重量基本不變的條件下，主要是適當增加錘頭長度、增加錘頭工作部寬度和厚度，同時減少錘頭懸掛部尺寸。
上述改進效果顯著，經使用證明具有以下優點：
(1)錘頭的硬度和韌性提高
錘頭材料從高錳鋼改為高鉻錳鋼后，錘頭硬度提高了20%左右，錘頭的韌性提高了lO%，不僅改善了錘頭耐磨性能，而且改善了錘頭的強度。僅就材料改進而言，錘頭使用壽命可提高1.7倍。
(2)錘頭的有效磨損量增加
原錘頭有效磨損量只有1/3左右，錘頭工作部分寬度和厚度增加后，錘頭總重量變化較小，但有效磨損量卻增加為總重量近2/3。因此，改進后的一套錘頭可以當作改進前的二套使用，大大降低了錘頭的使用成本。
(3)錘頭對物料的沖擊力增加
錘頭的重心外移，回轉直徑增大，錘頭在運轉過程中線速度加大，錘頭對物料的沖擊能力也隨著增大，從而增強了破碎機的破碎效果。
(4)提高了破碎質量和產量
由于錘頭懸掛孔到錘頭端部長度增加，回轉直徑增大，因此，錘頭與殼板、錘頭與錘頭間隙減小，故可使破碎機的出料粒度減小，改善了破碎機的粉碎效果，從而提高了產量。
5、結束語
錘式破碎機由于結構簡單、破碎比大、耗能少、出料均勻、適合破碎各種物料，又具有重量輕、操作維修方便等特點，被廣泛用于礦山、冶金、建材等行業。但錘式破碎機錘頭磨損快，使用壽命短，成為該機的突出問題。錘式破碎機錘頭磨損失效為：小沖擊力的沖擊磨損和切削、沖刷磨損的組合。工況不同，磨損狀況不一。因此在使用中應針對不同的影響因素，采用不同的減磨措施，延長錘頭的使用壽命。從總體上講，提高錘式破碎機錘頭的使用壽命，不僅制造廠要刻意保證和提高錘頭的材質、機械性能和質量，而且使用廠家要務必重視科學選型，做到“因材施錘”，以及合理使用和科學管理。只有這樣，才能有效提高錘頭的使用壽命，達到降低成本，提高企業生產率和經濟效益的目的。
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