Щековая дробилка
Введение
Процесс уменьшения размеров упруго-хрупкого тела от первоначальной (исходной) крупности до требуемой путем воздействия внешних сил называется дроблением или помолом, а машины, применяемые для этих целей, дробилками или мельницами.
В зависимости от конечной крупности кусков материала (мм) различают следующие основные виды этого процесса:
Дробление |
Помол | ||
Крупное………………. |
100-350 |
Крупное……………… |
5-0,1 |
Среднее……………….. |
40-100 |
Среднее………………. |
0,1-0,05 |
Мелкое………………… |
5-40 |
Мелкое……………….. |
менее 0,05 |
Уменьшение размера кусков меньше 5 мм (помол) осуществляется в различного рода мельницах.
В горнорудной, цементной промышленности дробление является подготовительным процессом, так как получаемый после дробилок продукт направляется на дальнейшую переработку. В других случаях, например в промышленности строительных материалов при производстве щебня или в угольной промышленности при дроблении угля для брикетирования, коксования и др., после дробилок получается конечный (товарный) продукт, т.е. процесс дробления имеет самостоятельное значение.
Для
обеспечения эффективности
Правильно выбранное оборудование, в особенности оборудование для дробления, позволяет получить высококачественную продукцию при минимальных материальных затратах, т.е. позволяет значительно снизить стоимость готовой продукции.
Процессы дробления присутствуют во многих отраслях народного хозяйства, и каждая отрасль накладывает свою специфику на сами процессы и на конструкции используемых дробилок.
1. Информационный обзор
1.1.
Классификация машин для
В дробильной машине в зависимости от ее назначения и принципа действия могут использоваться следующие виды нагрузок:
- раздавливание (рис.1, а);
- удар (рис.1, б);
- раскалывание (рис. 1, в);
- излом (рис. 1, г);
- истирание (рис 1, д).
Рисунок 1 – Схемы методов измельчения
В большинстве случаев различные виды нагрузок действуют одновременно, например раздавливание и истирание, удар и истирание и др. Необходимость в различных видах нагрузок, а также в различных по принципу действия конструкциях и размерах машин вызывается многообразием свойств и размеров измельчаемых материалов, а также различными требованиями к крупности исходного и готового продуктов.
По принципу действия и конструкции различают дробилки следующих основных видов:
- щековые (рис.2, а), в которых материал дробиться раздавливанием, раскалыванием и частичным истиранием в пространстве между двумя щеками при их периодическом сближении;
- конусные (рис.2, б), в которых материал дробиться раздавливанием, изломом, частичным истиранием между двумя коническими поверхностями, одна из которых движется эксцентрично по отношению к другой, осуществляя тем самым непрерывное дробление материала;
- валковые (рис.2, в), в которых материал раздавливается между двумя валками, вращающимися один навстречу другому, или валками и неподвижной поверхностью; нередко валки вращаются с разной частотой, и тогда раздавливание материала сочетается с его истиранием;
- ударного действия, которые, в свою очередь, разделяются на молотковые (рис.2, г) и роторные (рис. 2, д). В молотковых дробилках материал измельчается в основном ударом по нему шарнирно подвешенных молотков, а также истиранием. В роторных дробилках дробление достигается в результате удара по материалу жестко прикрепленных к ротору бил, удара кусков материала об отражательные плиты и соударения кусков.
Рисунок 2 – Схемы дробилок
В машинах, так называемых дезинтеграторах (рис.2, е) два цилиндра, образующие которых представляют собой стержни, жестко закреплены в основании. Цилиндры (корзины) вращаются в разные стороны, измельчая попавший в сферу их вращения материал. Дезинтегратор может быть отнесен и к дробилкам и мельницам, так как готовый продукт обычно имеет крупность около 5 мм и менее.
1.2 Щековые дробилки
Щековые дробилки применяют для крупного и среднего дробления различных материалов во многих отраслях народного хозяйства, в основном в горнорудной промышленности и промышленности строительных материалов. Принцип работы щековой дробилки заключается в следующем. В камеру дробления, имеющую форму клина и образованную двумя щеками, из которых одна в большинстве случаев является неподвижной, а другая подвижной, подается материал, подлежащий дроблению. Благодаря клинообразной форме камеры дробления куски материала располагаются по высоте камеры в зависимости от их крупности: более крупные – вверху, менее крупные – внизу. Подвижная щека периодически приближается к неподвижной, причем при сближении щек (ход сжатия) куски материала дробятся, при отходе подвижной щеки (холостой ход) куски материала продвигаются вниз под действием силы тяжести, выходя из камеры дробления, если их размеры стали меньше наиболее узкой части камеры, называемой выходной щелью, или занимают новое положение, соответствующее своему новому размеру. Затем цикл повторяется.
Характер движения подвижной щеки зависит от кинематических особенностей механизма щековых дробилок. За время применения этих дробилок для переработки различных материалов было предложено и осуществлено большое количество самых разнообразных кинематических схем механизма дробилок.
- Основные кинематические схемы
На рисунке 3 приводиться выполненная
Б.В. Клушанцевым классификация
Подробный анализ кинематических особенностей механизма щековых дробилок позволил разделить их на две группы, а каждую из групп на подгруппы (при обозначении кинематической схемы первая цифра указывает номер группы, вторая – номер подгруппы, третья – номер фигуры в этой подгруппе).
Рисунок 3 – Кинематические схемы щековых дробилок
1.3.1. Первая группа
К дробилкам первой группы относят дробилки, у которых движение от кривошипа к подвижной щеке передается кинематической цепью. При этом траектории движения точек подвижной щеки представляют собой или прямые линии или части дуги окружности. Эти машины называют щековыми дробилками с простым движением подвижной щеки.
Первая группа, первая подгруппа. Во главе этой подгруппы приведена широко распространенная во всем мире щековая дробилка с простым движением подвижной щеки, кинематическая схема которой (рис. 3, схема 1.1.1.) сохранилась неизменной с момента ее изобретения в 1858 г. Эта схема с параметрами кинематики показана отдельно на рис. 4, причем траектории движения точек подвижной щеки для наглядности увеличены по сравнению о фактическими.
Рисунок 4 – Кинематическая схема щековой дробилки с простым движением щеки
Основные особенности схем первой
подгруппы заключаются в
Подвижная щека совершает качательные движения, центром которых является центр оси подвеса щеки. При этом наибольший размах качания (ход сжатия) имеет нижняя точка подвижной щеки. Чем ближе расположена точка подвижной щеки к приемному отверстию камеры дробления, тем ход этой точки будет меньше.
За ход сжатия какой-либо точки подвижной щеки принимают проекцию траектории движения данной точки на нормаль к неподвижной щеке. Так как в большинстве случаев неподвижная щека вертикальна, то можно условно рассматривать горизонтальные и вертикальные составляющие траектории движения какой-либо точки щеки. Если горизонтальную составляющую хода сжатия подвижной щеки в нижней точке камеры дробления принять равной Х, то в большинстве существующих конструкций дробилок с простым движением ход в верхней точке камеры будет равен примерно 0,5Х. Вертикальные составляющие хода равны соответственно 0,3Х и 0,15Х.
Достоинством схемы следует считать малую вертикальную составляющую хода сжатия 0,3Х и 0,15Х, благодаря чему уменьшается трение основных рабочих элементов машины - дробящих плит о перерабатываемый материал, т. е. увеличивается срок службы плит, что весьма важно для оценки общей эффективности машины. Другим достоинством этой кинематической схемы является обеспечение большого выигрыша в силе в верхней части камеры дробления (рычаг второго рода), что очень важно при дроблении кусков горной массы больших размеров и высокой прочности.
Доказано, что существенным недостатком этих дробилок, присущим данной кинематической схеме, является малый ход сжатия в верхней части камеры дробления. Из-за малого хода сжатия верхняя часть камеры дробления работает плохо и не обеспечивает достаточным количеством материала нижние, более активные слои камеры дробления, что приводит к значительному снижению производительности.
В верхнюю часть камеры дробления
попадают крупные куски материала,
для надежного захвата и
Таким образом, в дробилке с простым движением при выгодных условиях обеспечения необходимых усилий дробления создаются невыгодные условия надежного захвата и дробления материала в верхней части камеры дробления. Однако отмеченные преимущества данной схемы определяют ее широкое применение при производстве дробильных машин.
Схема щековой дробилки а нижним расположением эксцентрикового вала (схема 1.1.2, см. рис. 3) была впервые предложена американской фирмой «Телсмит», и вначале считалось, что благодаря действию усилий непосредственно на узел эксцентрикового вала ее можно применять только для машин среднего типоразмера. Однако последнее время ряд фирм используют данную схему для своих дробилок, в том числе и для дробилок крупного типоразмера. Ввиду некоторых безусловных преимуществ этой схемы далее подробно остановимся на конструкции машин, выполненных по данной схеме.
Новая отечественная дробилка а простым движением подвижной щеки, производство которой осваивается заводом «Волгоцеммаш», выполнена по схеме 1.1.3. Передача движения подвижной щеке осуществляется непосредственно от эксцентрикового вала. Дробилка названа «щековая дробилка с роликом». Она будет рассмотрена ниже.
Дробилки с кулачковым механизмом привода (см. схемы 1.1.4, 1.2.3) одно время имели довольно большое распространение. За границей их изготовляла фирма «Акме» (ФРГ), а в СССР - Рыбинский завод.
Широко известны дробилки фирмы «Стартевант» с кулачковым механизмом с осью подвеса вверху. У этих дробилок подвижная щека приводится в движение кулачковым роликовым механизмом. За один оборот вала щека совершает два полных качания. Фирма «Стартевант» выпускала также дробилки с кулачковым механизмом с нижней осью подвеса, выполненные по схеме 1.2.3. Наличие двойного рычага второго рода в механизме дробилки типа с:Стартевант» значительно усложняет конструкцию и не дает большого преимущества. Кроме того, наличие высшей кинематической пары - кулачка и ролика, соприкасающихся не по поверхности, а по линии, значительно снижает срок службы механизма дробилки.
Весьма оригинальный привод имеет дробилка с простым движением щеки (см. схему 1.1.5), сконструированная фирмой «Кроте». При вращении вала шар, заключенный между пятой вала и подвижной щекой, обегает по наклонному выступу щеки и тем самым придает ей качательное движение. Необходимо заметить, что в данной конструкции ограничены возможности передачи больших усилий через точечные контакты шара
Первая группа, вторая подгруппа. Кинематические схемы машин этой подгруппы отражают попытки устранить отмеченные недостатки машин первой подгруппы. Однако наряду с устранением недостатков были утрачены некоторые преимущества, а в ряде случаев получены новые существенные недостатки. Например, при схеме 1.1.1 обеспечивается значительный выигрыш в силе (рычаг второго рода) в верхней части камеры дробления, где дробятся крупные куски породы. Машины второй подгруппы этого преимущества не имеют, что усложняет работу, а значит конструкцию трущихся и вращающихся пар. Машины второй подгруппы не получили широкого распространения.
Дробилки, сконструированные по схемам 1.2.1 и 1.2.2, относятся к дробилкам с простым движением щеки при расположении оси подвеса внизу (схема Додж). Изготовление таких дробилок вызвано стремлением увеличить ход подвижной щеки вверху, где дробятся крупные куски и, наоборот, уменьшить ход ее внизу, где формируется готовый продукт. Однако кинематические схемы этих дробилок нельзя признать удачными, так как действующие в них усилия обратно пропорциональны полезному сопротивлению, т. е. наибольшее усилие может быть получены внизу камеры дробления, а не вверху.
Ввиду малого хода подвижной щеки внизу выходное отверстие дробилки часто забивается материалом. Поэтому дробилки типа Доджа выпускают сравнительно небольших размеров и применяют их там, где требуется мелкий и однородный продукт измельчения. Имеется несколько конструкций этих дробилок при примерно одной и той же кинематической схеме
Особенности схемы 1.2.3 были рассмотрены выше (см. схему 1,1.4).
Первая группа, третья подгруппа. Создание дробилки фирмы «Шранц» (схема 1.3.1) и дробилки фирмы «Стартевант» (схема 1.3.2) вызвано стремлением более равномерно распределить ход сжатия по глубине камеры дробления при сохранении преимуществ простого движения, т.е. без большого истирания материала. Однако это достигается довольно сложными конструктивными решениями.
Схема 1.3.3 осуществлена не была ввиду ее сложности, однако она представляет интерес, так как и верх и низ подвижной щеки имеют самостоятельный привод от одного эксцентрикового вала и потому ход сжатия может иметь оптимальные значения по всей высоте камеры дробления.
Дробилка с двумя подвижными щеками (схема 1.3.4) также может иметь оптимальные ходы сжатия при полном отсутствии вертикальных перемещений одной дробящей плиты по отношению к другой, т. е. отсутствия истирающего действия при дроблении материала. Эта схема несмотря на очевидные преимущества тоже не получила промышленное внедрение ввиду ее сложности.
Первая группа, четвертая подгруппа включает в себя машины, схемы которых по основному принципу распределения ходов сжатия в камере дробления практически ничем не отличаются от схемы 1.1.1, но они представляют отдельную подгруппу потому, что конструктивное исполнение самих машин и привода подвижной щеки обеспечивает им дополнительный технологический эффект (увеличение производительности, степени дробления и др.).
В дробилках, выполненных по схеме 1.4.1, жесткая механическая связь между отдельными звеньями привода заменена объемным гидроприводом. Данная схема имеет весьма большие преимущества, так как обеспечивает возможность управления временем цикла дробления и защиты от перегрузок. Конструкция дробилок с гидравлическим приводом будет рассмотрена ниже.
По схеме 1.4.2 фирма «Крупп» (ФРГ) выпускает так называемые щековые дробилки ударного действия. Эти дробилки имеют много интересных конструктивных особенностей, которые подробно рассмотрены ниже.
Для получения более высоких степеней дробления, чем у обычных щековых дробилок, приходится прибегать к двух- или трехступенчатому дроблению, что вызывает необходимость постройки сложных сооружений. Попытки увеличить степень дробления щековых дробилок в одном агрегате привели к созданию дробилок с двумя или несколькими камерами дробления.
Впервые такая дробилка была выпущена в двадцатых годах (дробилка «Бакстер»). В этой дробилке дробление крупных кусков происходило в верхней камере, из которой материал поступал в две камеры мелкого дробления. Подвижные щеки приводились в движение с помощью весьма сложного кулачкового механизма. Эти дробилки распространения не получили.
В пятидесятых годах завода
«Цемаг» (ГДР) разработал
Небольшая экономия металла при общем приводе не оправдывает усложнения эксплуатации. То же самое справедливо и для дробилок, выполненных по схеме 1.4.4.
В дробилке фирмы «Еберсол» с двумя камерами дробления, сконструированой по схеме 1.4.5, одна камера расположена над другой. Верхняя подвижная щека совершает простое движение, а траектория движения нижней щеки напоминает сложное движение с обратным углом наклона распорной плиты. Производительность всего агрегата при данной схеме без промежуточного отсева мелочи между первой и второй ступенями дробления зависит от производительности нижней камеры, имеющей меньшую производительность, чем верхняя. Практика показала, что такую компоновку нельзя признать удачной.
1.3.2. Вторая группа
К дробилкам второй группы относят дробилки, у которых кривошип и подвижная щека образуют единую кинематическую пару. В этом случае траектории движения точек подвижной щеки представляют собой замкнутые кривые, чаще всего эллипсы. Дробилки с такой кинематикой называются щековыми дробилками со сложным движением подвижной щеки.
Вторая группа, первая подгруппа. В этой подгруппе дробилок со сложным движением находится одна дробилка (схема 2.1.1), являющаяся первым и наиболее характерным представителем дробилок данной группы.
У данной дробилки (рис. 5) траектории движения подвижной щеки представляет собой замкнутую кривую. В верхней части камеры дробления эта кривая - эллипс, приближающийся к окружности, в нижней части - сильно вытянутый эллипс. Если принять горизонтальную составляющую хода в нижней точке подвижной щеки равной Х, то горизонтальная составляющая в верхней точке будет равна 1,5X, а вертикальные составляющие хода соответственно 3Х и 2,5Х.
Рисунок 5 – Кинематическая схема щековой дробилки со сложным движением щеки
У данной дробилки (рис. 5) траектории движения подвижной щеки представляет собой замкнутую кривую. В верхней части камеры дробления эта кривая - эллипс, приближающийся к окружности, в нижней части - сильно вытянутый эллипс. Если принять горизонтальную составляющую хода в нижней точке подвижной щеки равной Х, то горизонтальная составляющая в верхней точке будет равна 1,5X, а вертикальные составляющие хода соответственно 3Х и 2,5Х.
Интенсивное истирание дробимой породы в нижней части камеры дробления при сложном движении щеки происходит вследствие большой вертикальной составляющей хода. При дроблении прочного и абразивного материала это приводит к быстрому изнашиванию дробящих плит. Кроме того, при истирании образуется большое количество переизмельченного материала, мелочи и пыли, на что непроизводительно расходуется некоторая часть мощности, потребляемой при дроблении.
В этих дробилках горизонтальный ход щеки в верхней части камеры дробления достаточен для интенсивного дробления, а направление движения верхних точек подвижной щеки в сторону разгрузки способствует лучшему захвату куска породы и продвижению его вниз к разгрузке.
Данные благоприятные условия для дробления и разгрузки ряд авторов относят к работе всего механизма дробилки со сложным движением, называя ее forsed feed type - дробилкой с форсированным выходом. При анализе кинематических схем нами установлено, что подобное мнение не вполне соответствует действительности.
Рисунок 6 - Схема сил, действующих на кусок породы в камере дробления
Если на кусок породы, попавший в верхнюю часть камеры дробления, действует сила Р сжатия, направленная нормально к плоскости дробящей плиты и приложенная в точке А (рис. 6, а), то скорость V точки А дробящей плиты, направленная нормально к радиус-вектору эллипса траектории может быть разложена на составляющие Vn (нормальную к плоскости плиты)и Vs (вдоль плоскости плиты).
Как известно из прикладной механики, сила трения всегда действует на тело против его относительной скорости. Поэтому сила fР, действующая на подвижную щеку, будет направлена (как показано на рисунке) направо и вверх. Тогда, равная по величине и противоположная по направлению сила трения, действующая на кусок породы, направлена налево и вниз, т. е. способствует захвату, дроблению породы и продвижению ее к разгрузке.
Совсем противоположное
Таким образом, нормальные условия для захвата и дробления имеют место только в верхней части камеры дробления, в нижней же части движения точек подвижной щеки не способствуют, а препятствует разгрузке, вызывая интенсивное истирание нижней части неподвижной дробящей плиты.
Кинематика дробилки со сложным движением определяет работу этой дробилки, которая отличается от работы дробилки с простым Движением еще одной особенностью.
При вращении эксцентрикового вала в направлении, указанном на рис. 5 стрелкой от нижней точки А до крайней первой точки В, в нижней части камеры дробления подвижная щека поднимается вверх, и приближается к неподвижной, т. е. происходит ход сжатия. В это время в верхней части камеры дробления подвижная щека отходит от неподвижной.
При движении эксцентрика от точки Б к точке В верхняя и Нижняя части подвижной щеки приближаются к неподвижной - это общий участок сжатия. При движении от точки В к точке Г верхняя часть подвижной щеки будет продолжать приближаться к неподвижной щеке, нижняя часть начнет отходить. При движении эксцентрика от точки Г к точке А, верхняя и нижняя щеки будут отходить от неподвижной щеки. Это общий участок холостого хода. .
Отсюда следует, что дробление материала, находящегося в камере дробления щековой дробилки со сложным движением подвижной щеки, происходит в течение 3/4 оборота эксцентрикового вала, а полный отход щеки только в течение 1/4 оборота, т. е. при движении подвижная щека как бы покачивается. Благодаря такому Движению подвижной щеки дробилки со сложным движением менее подвержены залипанию при дроблении вязких пород.
Наличие значительной вертикальной составляющей хода сжатия вызывает интенсивное истирание дробимой породы и быстрое изнашивание дробящих плит, особенно в нижней части камеры дробления. Эта особенность является существенным недостатком дробилки со сложным движением, так как значительно удорожает ее эксплуатацию. Однако простота конструкции и малые размеры обусловили широкое распространение машин, выполненных по данной схеме.
Вторая группа, вторая подгруппа содержит схемы машин, в которых предпринимается попытка, сохранив простоту и компактность конструкции, уменьшить вертикальную составляющую хода, т. е. свести к минимуму основной недостаток дробилки со сложным движением.
Дробилку, выполненную по схеме 2.2.1 (см. рис. 3), называют дробилкой со сложным движением щеки с отрицательным углом наклона распорной плиты. Такое решение позволяет снизить вертикальную составляющую хода сжатия в нижней части камеры дробления. Схему используют в основном для дробилок-грануляторов (для мелкого дробления). Есть попытки фирмы «Роксон» (Финляндия) использовать данную схему на дробилках крупного дробления, однако данных о работе таких дробилок в эксплуатации не имеется.
В дробилке фирмы «3онтгофен» (ФРГ) (схема 2.2.2), вместо распорной плиты применен ролик. При такой конструкции нижней опоры подвижной щеки нельзя, очевидно, рассчитывать на применение дробилки при дроблении прочных пород, так как усилия дробления вызывают большую составляющую силу, действующую на ролик и опорные поверхности, имеющие контакт по линии.
Дробилка (рис. 7) выполненная фирмой «Мюллер» (ФРГ) по схеме 2.2.3 (см рис. 3) представляет определенный интерес. Подвижная щека опирается на гибкой пластинчатый элемент. Верхней частью он жестко защемлен в теле подвижной щеки, а нижним кольцом шарнирно опирается на ось. В таком решении подвижная щека при вращении эксцентрикового вала совершает движения, близкие к горизонтальным, что значительно повышает срок службы дробящих плит. Дробилка имеет повышенную частоту вращения эксцентрикового вала и по данным фирмы обладает повышенными производительностью и степенью дробления по сравнению с дробилками обычных конструкций.
Рисунок 7 - Дробилка с опорой щеки на гибкий пластинчатый элемент:
1 - станина; 2 - эксцентриковый вал; 3 - подвижная щека; 4 - неподвижная щека;
5 - устройство для регулировки размера выходной щели; 6 – гибкий пластинчатый элемент.
Чехословацкая дробилка (схема 2.2.4) относится к машинам со сложным движением подвижной щеки при нижнем ее подвесе. Дробилку применяют для мелкого дробления различных материалов как дробилку-гранулятор.
Вторая группа, третья подгруппа содержит кинематические схемы, основная идея которых еще более, чем в машинах второй подгруппы, уменьшить интенсивное истирание материала в камере дробления, и тем самым существенно повысить арок службы дробящих плит. В дробилках, сконструированных по схемам данной подгруппы, при достаточных ходах сжатия взаимное перемещение дробящих плит по вертикали практически отсутствует, однако достигается это довольно сложными конструктивными приемами, и поэтому несмотря на очевидные преимущества некоторых схем из этой подгруппы они получили весьма ограниченное распространение.
Для уменьшения износа дробящих плит, а также для повышения производительности в результате сообщения материалу, заключенному в камере дробления, дополнительной скорости разгрузки, некоторыми фирмами разработаны конструкции дробилок с двумя подвижными щеками. В этих дробилках взаимное перемещение плит по вертикали практически отсутствует.
В дробилке фирмы «Эжекто» (схема 2.3.1) одна из подвижных щек (основная) подвешена на эксцентриковом валу так же, как в дробилке со сложным движением. Другая подвижная щека опирается на две распорные плиты и соединена тягой с нижней частью первой подвижной щеки. Французский специалист Жаузель отмечает, что единственным преимуществом этой дробилки по сравнению с дробилкой сложного движения является меньший износ дробящих плит. Однако схема устройства рычагов существенно усложняет конструкцию и снижает надежность дробилки в целом.