1、锤式破碎机锤头失效分析
1.1破碎机的工作原理
锤式破碎机类型很多，按转子数目可分为单转子和双转子锤式破碎机；按转子回转方向可分为定向式（转子朝一个方向旋转）和可逆式（转子可朝两个方向旋转）锤式破碎机；按垂头排列数目可分为单排列、双排列和多排列锤式破碎机；按锤头装置方式可分为固定式和活动式锤式破碎机。砖瓦行业使用的一般为单转子、定向式、多排列、活动式锤式破碎机。图l为该类型锤式破碎机结构。锤头1用锤轴铰接并悬挂在锤盘2上，而锤盘装配在主轴3上。机壳下半部装有篦条4，主轴、锤盘和锤头组成的回转体称为转子。物料从喂料口落下进入破碎腔，与高速旋转的锤头相撞击，被冲击的物料从锤头获得动能，以很高的速度撞在有一定间隙的篦条上，再次被撞击，被篦条弹回的料块落到转子上，又一次受到冲击，物料在运动中，料块之间也频频发生相互撞击。这样，粒度较大的物料经过反复破碎，直到符合要求的粒度后经篦条缝排除。块状物料在破碎腔的破碎过程包括以下几个部分：①物料与锤头的撞击；②物料与衬板的撞击；③物料之间的相互撞击；④物料在锤头与衬板之间的挤压。
1.2锤头失效分析
锤式破碎机锤头在工作期间，除受到物料的撞击外，还受到物料的冲刷+这样长期反复使用，锤头的工作面就会受到破坏，使表面形状发生变化，如果用在可逆式破碎机上，锤头两侧的棱角就会被磨成光滑的圆弧面，如图2所示。在丁作初期，锤头表面形状未发生改变时，主要受到撞击磨损，物料以正向力撞击金属表面产生塑性变形和撞击坑；当锤头的工作面磨成圆弧后，表面受力就发生了变化，作用在磨损面上的力F可分解为两个分力，一个是垂直于锤面的法向力F=Fsina，一个是平行于锤面的切向力Ft=Fcosa，前者对锤头产生撞击作用，后者对锤面造成切削、冲刷，二者的大小取决于冲击角a的值。在锤头工作初期，冲击角a=90。，切向力Ft为零，这时主要表现为撞击磨损；当锤头磨损后，冲击角a角变小，切向力Ft随冲击角a减小而变大，这时主要表现为冲刷磨损，使金属从锤面上迁移。冲刷磨损是锤头失效的主要形式。尽管物料的撞击可对锤头产生一定量的加工硬化，但冲击力还不足以使锤头的工作面形成坚固的硬化层，造成锤头的耐磨性不够，最终使得锤头在工作初期失效。
2、影响锤头磨损的主要因素
2.1锤头材质的影响
一般来说，硬度越大的锤头其耐磨性也愈大。要提高锤头的耐磨性，就要增加其硬度，但随着硬度的提高，锤头的抗冲击韧性就会降低。因此，如何兼顾锤头适宜的硬度和良好的抗冲击韧性是提高锤头耐磨性的关键。锤头常用的材料有：高锰钢、高铬铸铁、低碳合金钢。高锰钢韧性好，工艺性好，价格低，其主要特点是在较大的冲击或接触应力的作用下，表面层将迅速产生加工硬化，其加工硬化指数比其它材料高5—7倍，耐磨性得到较大的提高。但如果使用中冲击力不够或接触应力小，则不能使表面迅速产生加T硬化，高锰钢的耐磨性就不能充分发挥。高铬铸铁是一种具有优良抗磨性能的耐磨材料，但韧性较低，易发生脆性断裂。为了使高铬铸铁锤头安全运行，人们开发了复合锤头，即将高铬铸铁镶铸在高锰钢或低合金钢锤头头部，或者锤头工作部分采用高铬铸铁，锤柄部分采用碳钢，将两者复合起来，使锤头头部具有高硬度，而锤柄部具有高韧性，充分发挥两种材料的各自优点而克服单一材料的缺点，满足锤头使用性能要求。但其制造工艺复杂，工艺要求较严格。低碳合金钢主要为含铬、钼等多种元素的合金结构钢，硬度高、韧性好，其基体组织有马氏体，贝氏体或贝氏体+马氏体复合组织。锤头硬度为HRC 45左右，冲击韧性dk≥15J/cm2。在同等工况条件下，其使用寿命至少比高锰钢锤头提高l倍以上。但锤头的调质热处理是关键，调质热处理后不仅要求整体抗拉强度达850MPa以上，而且要求有相当的塑性和韧性。
2.2锤头的制造质量
锤头的制造也是决定其使用寿命的关键因素。如果锤头表面或内部制造中存在缺陷，如缩孔、裂纹、穿晶等，不仅会降低锤头性能，甚至造成锤头断裂。因此，在锤头生产中必须制定合理的铸造和热处理工艺。例如对高铬铸铁锤头，应采用立浇和合理使用外冷铁，并严格控制浇注温度等措施，这样可使锤头在铸造时有良好的凝固顺序和补缩条件，进而得到致密的内部组织，并减弱晶粒粗大的现象。锤头的热处理工艺则决定了其力学性能的实现和碳化物的分布形态。由于在锤头的成分中含有一定量的铬和其它合金元素，因此如何使这些合金元素形成硬质点碳化物的作用充分发挥出来，也是制订热处理工艺时考虑到的一个因素。总之，制订合理的生产工艺和严格的质量检验手段，是保证锤头达到使用性能的先决条件。
2.3锤头的结构设计
不同结构和几何形状的锤头，其热处理的力学性能、内部的金相组织有很大的差别，进而对耐磨性有较大的影响，特别是厚度、尺寸大的锤头影响更为突出。锤头越厚大，越不易淬透，其抗磨损性能也就越差。由于锤头的内部抗磨损性能明显低于表面，因此，对于厚度尺寸较大的锤头，只能借助于合理的铸造和热处理工艺来改善这一状况，但这一手段对提高锤头的抗磨损性能是有限的，最好的办法是在不改变锤头的打击动能和强度的情况下，对锤头的结构进行优化设计，一方面可提高锤头的利用率，同时又可减少结构对热处理性能的影响，避免锤头的耐磨性能下降。
2.4破碎机的技术参数
锤头的寿命还与破碎机的技术参数有关，其中最主要的是转子体的功率和转速。这两个参数直接反映了锤头的线速度和冲击力，它们不仅关系到破碎机的生产能力，也关系到锤头冲击硬化的程度。冲击硬化良好的锤头，使用寿命势必会有所延长。转子转速过低，不仅生产能力低，且动能低，致使锤头冲击硬化不良、耐磨性能差；转子转速太高，虽然可使锤头获得较好冲击硬化、设备生产率提高，但同时也会引起锤头、篦条和衬板极度磨损，对锤头使用寿命不利，同时会显著增加功率消耗。因此，应确定合理的转速，提高锤头工作初期的冲击硬化程度，降低锤头的磨损。
2.4破碎机结构中各部的间隙
这里主要是指转子体与破碎板、篦条及给料辊的间隙以及锤头之间的间隙。这些间隙的尺寸关系到篦条上及安全门附近是否存有积料。如果出现积料，当锤头无法将积料从篦条上压下时，就会受到严重的磨擦磨损。间隙过小，虽然可提高物料的破碎质量和效率，但容易形成积料、堵塞，导致锤头磨损；间隙过大，虽然可以避免物料堆积，但破碎效果和效率低。因此，锤头破碎机在使用时，必须经常调整各部分的间隙，使其处于适当的范围之内。改进篦条结构，使排料保持通畅，也有助减少锤头的磨损。
2.5破碎机给料情况
给料情况包括：(1)入料粒度和硬度．(2)破碎机的给料方式。前者关系到破碎机是否会出现积料和锤头打击物料时所受到的碰撞冲量，后者则因给料方式不同造成物料到转子的落差不同，也影响到锤头打击物料时的碰撞冲量。当锤头重量及转子转速一定时，锤头的碰撞冲量与物料质量、落差成正比，而碰撞冲量的大小直接关系到锤头加工硬化的程度和耐磨性能。因此大型锤式破碎机的入料粒度不宜太小，给料设备转速以高一些为好。此外，物料含水量过大也对锤头寿命有一定的影响，含水量过高，物料容易粘接成团，造成积料，加剧锤头的磨损。
3、提高锤头寿命的措施
3.1合理选择锤头材料
选择合适的材料是提高锤头寿命的基本途径。由于锤头在使用中不同程度地承受撞击磨损与切削磨损，对使用的材质提出了高韧性与高硬度的要求。提高锤头的硬度，可提高其耐磨性，从而减轻撞击磨损；提高材料的韧性有助于抑制裂纹的产生和扩展，有利于减轻冲刷磨损。但韧性与硬度是一对矛盾，在实际选择材质时，一定要充分了解工况条件及其磨损机制，合理选用材质。
(1)根据冲击载荷大小选择锤头材料
当破碎物料的粒度大时，锤头所承受的冲击载荷也大，因此，应选择合金化的高强高锰钢，其韧性可保证安全使用，其初始硬度高、屈服强度高、奥氏体内有弥散碳化物，可保证其高耐磨性；锤头重量越重，其所破碎物料的块度越大，锤头受到的冲击载荷也越大，因此应首先考虑在保证锤头韧性的前提下提高其硬度；对于中小型锤头，冲击载荷小，采用高锰钢不能发挥其加工硬化的特性，达不到耐磨效果，应选择高中碳低合金钢和中碳合金钢材料。
(2)根据物料特征选择锤头材料
选择锤头材质时，要充分了解破碎的物料组成及其硬度、粒度、尖角锐度、水分等。物料硬度越高，对锤头材质的硬度要求越高；而物料块度越大，对其韧性要求越高。实践经验表明，在H。=(0.8—1.1)H。范围内(Hm-金属硬度，H。一物料硬度)，材料耐磨性会得到提高，因此，锤头的材料硬度应该选为物料硬度的0.8倍以上。在此基础上，再兼顾锤头的大小、转速等情况选择硬度、韧性匹配合理的材料。
(3)根据破碎机结构选择锤头材料
普通锤式破碎机锤头经锤架固定在轴上，运行时离心力大，锤头受冲击载荷大，应选高韧性耐磨材料；反击锤头式破碎机的锤头镶在转轮上，可用韧性较低的耐磨材料；破碎机规格越大，锤头的重量越大，动量和冲量也大，对锤头的要求越高，应选择韧性高的耐磨材料。
(4)根据经济性选择锤头材料
在选用锤头材质时，还应考虑到技术经济效果，力争做到优质价廉，具有市场竞争力。同时还应考虑其工艺合理性，使生产厂易于组织生产与质量控制。
3.2合理设计锤头结构
锤头的形状和质量直接影响破碎机的产量和使用寿命。应根据破碎物料的性质、进料粒度及检修情况进行合理选择。用于粗碎时，锤头应重且数量要少；用于中细碎时锤头的重量要轻且数量要多。
锤式破碎机常见的锤头如图3。a.b、c是轻型锤头，质量通常为3.5-15kg，多用于破碎块度为100-200mm的软质和中硬物料。其中a、b两种是两端带孔的，磨损后可以调换4次；而c种锤头只能换两次。d为中型锤头，质量为30~60kg，且重心距悬挂中心较远，多用于破碎800—1000mm的中硬物料，而e、f是重型锤头，其重量50-120kg，主要用来破碎大块且坚硬的物料。
为了提高锤头的使用寿命，在设计和选择锤头结构时应注意以下几点：
(1)在满足冲击力度的前提下，尽量选择两端带孔的锤头，它磨损后两端可进行多次调换，能有效延长锤头的使用寿命。
(2)如果工艺要求使用一端带孔的锤头，在保持锤头重量基本不变的情况下，尽量延长悬挂长度，增大工作部尺寸，减小悬挂部尺寸。这样，不仅可以增加锤头的磨损裕量，延长锤头的寿命，而且还能有效增加锤头的动量和冲量，加大打击力度，提高破碎效果。
(3)为了提高锤头的耐磨性，可在其工作面上涂焊一薄层硬质合金，或设计成复合型锤头，锤头工作部使用高硬度材料，非工作部使用高韧性材料，使锤头既耐磨又耐冲击。
(4)采用先进的锤头结构，如组合式快速更换的锤头。这种锤头由柄部和头部构成，两者材料不同，柄部韧、头部硬，柄部和头部通过销轴连接。头部磨损不可再用后，操作者不必拆下整个锤头，仅拆装销轴即可快速更换锤头。每次更换锤头时真正扔掉的金属仅占整个锤头重量的25qv左右，相当经济的。
(5)锤头结构要有利于修复。锤头磨损到一定程度之后，有条件的用户可以实施堆焊修复。高锰钢锤头，磨损后可用锰钢焊条堆焊的方法进行修补；其他材料，可用ZDECr50-10高铬合金耐磨堆焊焊条堆焊锤头，利用高铬合金中的硬相质(Cr、Fe)7C3，提高锤头表面的硬度。
3.3加强设备的管理与维护
正确使用与科学维护是使设备始终处于良好状态，延长锤头使用寿命的有效途径。如果使用和维护不当，不仅容易引起设备故障，如振动、噪声、发热、磨损等，而且势必招致锤头的使用寿命降低。锤式破碎机在日常使用与维护中应特别注意以下几点：
(1)根据设计型号，适当控制进料尺寸，严禁超出设计最大限定尺寸的物料人机。
(2)选用合适的给料设备，如采用板式给料机或振动给料机等进行喂料，保证进料均匀稳定，避免因喂料不均匀对设备造成冲击和发生无效运转。
(3)由于锤头铸造时重量有误差，锤头使用过程中应根据电流的情况，按时倒眼、翻个，以使锤头均匀磨损和转子运转平衡。
(4)更换新锤头时最好进行称量，根据重量平均分成几组，每组的重量要求相等，否则开机时转子不平衡容易引起振动。
(5)停车时要检查锤头与筛条之间、筛条与筛条之间的间隙，必要时进行调整，并定期更换筛条。因为锤头的成本比筛条高，新筛条与旧筛条相比，锤头能多用4-5个班。
(6)锤式破碎机的锤架是铸钢材质，与物料接触较少，但当破碎机内进入金属物或衬板脱落时，容易造成中锤盘损坏或弯曲，这时要及时将其换掉，否则容易夹锤头引起振动。
(7)锤架的边锤盘与机壳侧板间由于受到物料冲击，边锤盘的磨损较为严重，为了延长边盘的使用寿命，可在边盘的圆周面以及靠近侧板的一面堆焊出耐磨层。
(8)由于运转中的摩擦，主轴两端轴径容易磨损，安装时要在轴径处加上两个护轴套，使其抱在轴上保护轴径。
(9)轴承磨损后要及时进行修复和调整。轴承磨损后一般应根据新尺寸刮研轴瓦，调整垫片厚度，使之保持合理间隙，以便形成有效润滑油膜。
4、锤式破碎机锤头的改造实践
某砖瓦厂一煤矸石单转子不可逆锤式破碎机，尺寸1250mmx1250mm，3排锤头，每排10个，电机功率180kW，转子转速735r/min，原锤头材料为高锰钢，锤头结构如图4a。锤头失效的主要形式是磨损，锤头使用寿命非常短，一般为40~50d，锤头损耗大。企业对破碎机锤头进行了改造，改造措施如下：
(1)改进锤头材料。将原高锰钢改为高铬锰钨合金，材料成分见表l。高铬锰钨合金的硬度高且韧性较好。高铬锰钨合金经热处理后，其组织为：马氏体+一次碳化物+铸铁少量粒状二次碳化物+少量残余奥氏体。一次碳化物呈分散、孤立状，且块度较小，体积比值达27%左右，起到了抗磨损的骨干作用；支撑一次碳化物的马氏体基体，由于其上析出高度弥散的二次碳化物的缘故，进一步强化了马氏体，提高了基体组织的抗磨性能；少量的残余奥氏体减缓了裂纹扩展的趋势，从而使高铬锰钨合金抗磨性能高且韧性较好。其机械性能如见表2。
(2)改进锤头结构。现锤头结构如图4b，在锤头重量基本不变的条件下，主要是适当增加锤头长度、增加锤头工作部宽度和厚度，同时减少锤头悬挂部尺寸。
上述改进效果显著，经使用证明具有以下优点：
(1)锤头的硬度和韧性提高
锤头材料从高锰钢改为高铬锰钢后，锤头硬度提高了20%左右，锤头的韧性提高了lO%，不仅改善了锤头耐磨性能，而且改善了锤头的强度。仅就材料改进而言，锤头使用寿命可提高1.7倍。
(2)锤头的有效磨损量增加
原锤头有效磨损量只有1/3左右，锤头工作部分宽度和厚度增加后，锤头总重量变化较小，但有效磨损量却增加为总重量近2/3。因此，改进后的一套锤头可以当作改进前的二套使用，大大降低了锤头的使用成本。
(3)锤头对物料的冲击力增加
锤头的重心外移，回转直径增大，锤头在运转过程中线速度加大，锤头对物料的冲击能力也随着增大，从而增强了破碎机的破碎效果。
(4)提高了破碎质量和产量
由于锤头悬挂孔到锤头端部长度增加，回转直径增大，因此，锤头与壳板、锤头与锤头间隙减小，故可使破碎机的出料粒度减小，改善了破碎机的粉碎效果，从而提高了产量。
5、结束语
锤式破碎机由于结构简单、破碎比大、耗能少、出料均匀、适合破碎各种物料，又具有重量轻、操作维修方便等特点，被广泛用于矿山、冶金、建材等行业。但锤式破碎机锤头磨损快，使用寿命短，成为该机的突出问题。锤式破碎机锤头磨损失效为：小冲击力的冲击磨损和切削、冲刷磨损的组合。工况不同，磨损状况不一。因此在使用中应针对不同的影响因素，采用不同的减磨措施，延长锤头的使用寿命。从总体上讲，提高锤式破碎机锤头的使用寿命，不仅制造厂要刻意保证和提高锤头的材质、机械性能和质量，而且使用厂家要务必重视科学选型，做到“因材施锤”，以及合理使用和科学管理。只有这样，才能有效提高锤头的使用寿命，达到降低成本，提高企业生产率和经济效益的目的。
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