Роторные дробилки

В настоящее время интенсивное функционирование таких отраслей деятельности человека как строительство зданий, сооружений и систем транспортной и энергетической инфраструктуры, получение электрической и тепловой энергии средствами твердотопливной энергетики, развитие современных технологий в металлургии, химической промышленности и сельском хозяйстве требует применения большого количества минеральных полезных ископаемых. Очевидно, что для различных областей применения твёрдые полезные ископаемые должны быть приведены в состояние с требуемым размером фракции материала, иными словами, материал должен иметь необходимые гранулометрические показатели.

Доведение гранулометрического состава перерабатываемых материалов до необходимого уровня достигается при помощи технологической операции дробления. Дробление является неотъемлемой частью многих производственных процессов, причём, не только на обогатительных предприятиях, продукцией которых являются непосредственно ископаемые материалы: различные горные породы, руды, уголь и др. Рассматриваемый процесс применяется также, для переработки отходов и побочных продуктов других производств, например, шлаков и угольного кокса в металлургических комбинатах и объектах энергетики, получение пластикового вторичного сырья в виде агломерата при переработке мусора, получение поваренной соли и злаковых круп в пищевой промышленности и т.д.

В современных технологических и производственных процессах операция дробления выполняется специализированными дробильными машинами (дробилками). В настоящее время существует ряд вариантов конструкции указанного оборудования, применяемых на всех стадиях переработки твёрдых материалов. Дробилки часто применяют в составе производственных комплексов по переработке и обогащению сырья совместно с питателями, конвейерами, грохотами, классификаторами и другим оборудованием. Комплексы такого типа строятся с обеспечением высокой степени автоматизации рабочего процесса.

Настоящий технический обзор посвящён рассмотрению конструкции, принципа действия и основных конструкционных и рабочих показателей дробильных агрегатов роторного типа. Дробильные агрегаты роторного типа являются наиболее универсальным оборудованием для измельчения исходного сырья в силу возможности переработки широкой номенклатуры материалов с различными физико-механическими свойствами, низкой чувствительности к наличию примесей, не поддающихся переработке, в исходном сырье и технологичности с точки зрения технического обслуживания и ремонта.

Целью данного обзора является снабжение специалистов инженерного профиля необходимыми данными для принятия предварительных технических решений о применении того или иного типа дробильного оборудования в конкретных производственных линиях, требующих наличия технологической операции измельчения твёрдых материалов.

Роторные дробилки конструкция и принцип действия

В основе принципа работы дробильных агрегатов роторного типа лежит механизм создания критических механических напряжений в частицах исходного сырья, что приводит к их разрушению и образованию более мелкой фракции материала. В рассматриваемом дробильном оборудовании механическое разрушение материала происходит в результате раскалывания, ударных воздействий и истирания частиц исходного сырья.

Существует ряд вариантов конструктивного исполнения роторных дробилок, но принцип их работы остаётся неизменным независимо от конструкции. Основным конструктивным элементом роторного дробильного агрегата является ротор, представляющий собой цилиндрическую опору с жёстко закреплёнными ударными элементами (билами). Цилиндрическая опора с билами установлена на валу, через который передаётся вращательное движение в исполнительный механизм дробилки. Показателем, определяющим эффективность работы исполнительного механизма роторной дробилки является окружная скорость движения бил. Для обеспечения высокой производительности и качества продукта переработки конструкция ротора рассчитывается на значения окружной скорости в диапазоне от 20 до 80 м/с. В этом случае в исполнительном механизме возникают центробежные силы порядка сотен килоньютон. Центробежные силы действуют на ударные элементы, что обеспечивает при их взаимодействии с частицами перерабатываемого материала усилия, превышающие центробежную силу в среднем на два порядка.

Габаритные размеры ротора определяют количество бил, которое возможно на нём установить. Указанный аспект является показателем эффективности реализации процесса разрушения перерабатываемого материала в рабочей зоне дробилки. Определение зависимостей производительности дробильного агрегата и качества продукта осуществляемой им перерабатывающей операции от количества и конфигурации ударных элементов, а также, формализация данного вопроса до уровня аналитических выражений и методик расчётов является в настоящее время предметом многочисленных научных исследований. Результатом научных исследований стало разнообразие конструкций и конфигураций роторов, обеспечивающих повышенный интервал между регламентными работами по замене бил, снижение трудозатрат, требуемых для плановых ремонтов и технического обслуживания, повышение надёжности крепления бил в посадочных местах на корпусе ротора и др. При выборе количества бил в сечении ротора используют следующий принцип: при увеличении числа бил сокращается промежуток времени между двумя проходами двух соседних бил, что влечёт за собой снижение степени проникновения кусков перерабатываемого материала в рабочую зону дробильного агрегата, а, следовательно, уменьшается размер осколков материала, которые могут быть выброшены в разгрузочную щель. Однако, следует помнить, что с увеличением степени проникновения частиц материала в рабочую зону дробилки повышается её производительность. Далее кратко рассмотрены основные конструкции бил, наиболее широко применяемые в современных роторных дробилках, а также, указаны основные технические требования, соблюдаемые при изготовлении.

Независимо от исполнения била должны соответствовать ряду требований, выполнение которых обеспечивает оптимальные рабочие показатели дробильного агрегата:

• била должны обладать максимально реализуемой износостойкостью особенно по отношению к материалам с высокой абразивностью. Данный вопрос решается применением специальных марок стали, часто била изготавливают из марок стали, применяемых при отливке ковшей для экскаваторов;
• должна быть обеспечена надёжность крепления, которая исключает возможность выпадения била из посадочного места под действием центробежной силы, соударений с частицами дробимого материала, динамических усилий, возникающих в конструкции при отрицательных угловых ускорениях ротора в момент удара. В рамках выполнения данного требования за время существования роторных дробилок разработано множество конструкций крепления бил на опоре, позволяющих обеспечить не только надёжность крепления, но и быструю смену бил при техническом обслуживании;
• должен быть обеспечен наибольший коэффициент использования материала, из которого изготовлено било. Коэффициент использования представляет собой отношение массы изношенного била к массе нового била, высокое значение данного показателя обеспечивается применением соответствующих марок стали;
• било не должно являться причиной деформации или износа элементов конструкции ротора. Выполнение этого требования обеспечивается конструктивным исполнением посадочных мест под била и способ их крепления.

Широкое распространение в современной производственной практике получили била разового применения с одной рабочей поверхностью. Особенностью данного исполнения ударных элементов является надёжность крепления в посадочных местах ротора, высокая прочность и устойчивость к большим динамическим нагрузкам, что даёт возможность особенно эффективного применения рассматриваемых бил в дробилках крупного дробления при обработке материалов с самыми различными физико-механическими показателями. Такие показатели обусловлены чётким функциональным назначением всех частей била. Крепление бил данного типа на роторе выполняется при помощи клиновидных элементов (планок, брусков и др.), располагаемых в посадочном месте узкой стороной клина наружу. Такое крепление выполняет как функцию фиксации била в посадочном месте, так и функцию защиты от выпадания била во время работы, т. к. указанное расположение крепёжного элемента обеспечивает самозатягивание всей конструкции под действием центробежной силы во время вращения ротора.

Более целесообразными с технологической и экономической точек зрения являются реверсируемые била с одной рабочей поверхностью. Данные ударные элементы являются симметричными относительно одной из координатных соей, что даёт возможность поворота била при износе рабочей поверхности с одной стороны для получения новой рабочей поверхности. Данная конструктивная особенность позволяет значительно продлить срок эксплуатации бил. Крепление рассматриваемых изделий к ротору осуществляется при помощи болтовых соединений. Для снижения периодичности обслуживания и контроля состояния болтовых соединений может быть применён анаэробный фиксатор резьбы, значительно повышающий надёжность данного типа соединения. Для исключения перемещения била в радиальном направлении при работе (и, соответственно, от выпадания из посадочного места) в его конструкции применяется выступ, параллельный рабочей поверхности, устанавливаемый в соответствующий паз на роторе дробилки. Область эффективного применения данных бил аналогична предыдущей конструкции.

Также, весьма широко применяются в производственной практике била реверсивного типа. По принципу применения они аналогичны рассмотренному выше типу, но предусматривают установку без применения болтовых или иных разъёмных соединений. Била удерживаются в посадочных местах при помощи уступов, упирающихся в соответствующие точки корпуса ротора. Данное исполнение бил обладает высокой надёжностью крепления, однако, такая конструкция несколько увеличивает время, требуемое на технологическую операцию монтажа и демонтажа бил в посадочные места на корпусе ротора.

Кроме рассмотренных конструкций существуют также, более сложные исполнения бил, предназначенные для узко специализированных применений дробильных агрегатов рассматриваемого типа. К таким исполнениям можно отнести крепление с гидравлическими зажимами или била со сменными головками.

Ротор с установленными билами помещается в металлический кожух, оборудованный внутри отражательными устройствами, защищающими кожух от механических повреждений и создающих дополнительные условия для разрушения и выгрузки перерабатываемого материала. Указанные выше конструктивные элементы образуют камеру дробления роторного дробильного агрегата.

К отражательным устройствам роторного дробильного агрегата можно отнести такие его элементы как плиты и колосниковые решётки. Помимо дополнительного дробления при ударном взаимодействии с перерабатываемым материалом, отражательные устройства выполняют ряд не менее важных функций, формирующих общие показатели эффективности работы дробильного агрегата. Отражательные устройства выполняют удержание недостаточно измельчённых частиц материала в камере дробления с одновременной выгрузкой переработанного материала из камеры дробления (колосниковые решётки). С помощью отражательных плит производится фокусировка движения перерабатываемого материала в камере дробления под наиболее сильные удары бил, что повышает производительность дробилки.

Отражательные плиты изготавливают в виде цельных отливок или сварных конструкций требуемой формы и габаритных размеров. При этом, применяется сталь марок, обладающих высокими показателями износостойкости. Способ крепления отражательных плит к внешней оболочке корпуса дробилки - шарнирное соединение или жёсткое крепление, в зависимости от функционального назначения конкретной модели дробилки. Такое конструктивное решение позволяет изменять форму и размеры камеры дробления в процессе работы путём отдаления или приближения плиты к ротору, изменяя тем самым расстояние между билами и отражательными устройствами. Это обеспечивает пропуск из камеры дробления крупных неизмельчаемых предметов, что служит защитой дробилки как от механических повреждений, так и от аварийных режимов электрооборудования, например при заклинивании механизма и остановке работающего электродвигателя, что для последнего является режимом короткого замыкания.

Отражательные колосниковые решётки выполняются как цельными литыми деталями, так и в виде сборочных единиц, набираемых из отдельных колосников. При этом, в зависимости от конструкции ширина щели может быть постоянной или варьироваться по длине изделия.

Внешним несущим элементом конструкции роторных дробильных агрегатов является корпус. Он состоит из станины, неподвижных и откидывающихся частей. В верхней неподвижной части корпуса устанавливается приёмный лоток, в который поступает исходное сырьё, и первая отражательная плита. Откидывающаяся часть соединена с неподвижной частью легко демонтируемыми струбцинами или откидными болтами. Корпус раскрывается при помощи винтового домкрата, который приводится в движение ручным способом или электрическим приводом.

Представленная механическая система приводится в движение при помощи электрического привода на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Функциональный набор схемы управления электроприводом зависит от области применения дробильного агрегата конкретной модели. В соответствии с этим, схема управления может быть построена на релейно-контакторной аппаратуре, обеспечивающей такие функции как запуск, останов, аварийный останов, реверсирование и разомкнутое регулирование скорости вращения ротора. Также, возможно применение полупроводниковой преобразовательной техники, например преобразователей частоты, что обеспечит оптимизацию потребления электроэнергии и реализацию специфических режимов работы электропривода, позволяющих улучшить рабочие показатели дробильного агрегата: управление скоростью вращения ротора по принципу подчинённого регулирования, векторное управление моментом электродвигателя, плавный пуск, пропуск резонансных частот и др.

Основные параметры и показатели роторных дробилок

В данном разделе перечислены основные параметры роторных дробильных агрегатов, позволяющие выполнить оценку особенностей их применения в конкретном производстве и выбрать необходимое оборудование:

• производительность при номинальной ширине выходной щели – определяет количество кубических метров переработанного материала, производимого агрегатом в час;
• наибольший размер куска исходного материала – параметр определяется габаритным размером приёмного отверстия и составляет 80% от его ширины;
• габаритные размеры ротора - длина и диаметр ротора, выражаемые в миллиметрах;
• мощность приводного электродвигателя – определяет характеристики энергопотребления дробильного агрегата от сети электропитания;
• массо-габаритные показатели – параметры, учитываемые при транспортировке и подготовке установочного места дробильного агрегата.

Применение роторных дробилок

Примерами применения роторных дробильных агрегатов могут служить: приготовление заполнителей при производстве бетона из пород осадочного или изверженного типа; дробление шлаковых отходов металлургического производства, в том числе, содержащих фракции металлических примесей; дробление исходного сырья и клинкера при производстве цемента; дробление извести, гипса, мрамора, кирпичного боя; селективное дробление и распушка асбестового волокна; дробление коксующихся углей и руд.

Роторные дробильные агрегаты применяются на всех технологических этапах дробления перерабатываемых материалов, вплоть до тонкого измельчения. При этом, рассматриваемые дробильные агрегаты обладают низкими удельными показателями по расходу электроэнергии и меньшими массо-габаритными показателями относительно дробильных агрегатов других конструкций.