Щековые дробилки

Технологические операции дробления ископаемых минеральных и иных твёрдых материалов применяются при необходимости получения требуемого гранулометрического состава перерабатываемого материала (т. е. получения сыпучего продукта переработки исходного сырья, состоящего из нескольких фракций, размер которых лежит в требуемом диапазоне значений), при доведении крупности сыпучего материала до заданного техническими условиями уровня (в случае, если предъявляются требования к однородности состава материала по размеру фракции). Также, дробление применяется для получения требуемой степени раскрытия минералов, т. е. для извлечения частиц добываемого минерала из смеси горных пород, получаемой при горных разработках.

В настоящее время технологические операции дробления выполняются специальными устройствами, которые называются дробильными агрегатами или дробилками. За довольно длительный период времени применения дробильного оборудования в различных отраслях промышленности при переработке различных по своим свойствам материалов разработано множество конструкций дробильных агрегатов. В настоящее время процесс совершенствования конструкции дробилок продолжается и является темой многочисленных научных исследований и конструкторских разработок. Целью указанных работ является повышение эффективности функционирования дробильного оборудования на основании последних достижений в области изучения теории дробления материалов, а также снижение стоимости жизненного цикла путём решения конструкторских задач по оптимизации конструкций дробилок с точки зрения повышения ресурса быстро изнашиваемых деталей и снижения трудозатрат на техническое обслуживание, ремонт и другие регламентные работы.

Настоящий технический обзор посвящён рассмотрению конструктивных особенностей, принципа работы, основных характеристик и показателей, а также, рациональных областей применения щековых дробильных агрегатов. Приведённая ниже информация позволяет оценить эффективность применения щековых дробилок для переработки конкретного перечня материалов и вписывание рассматриваемых агрегатов в технологическую инфраструктуру существующего или проектируемого предприятия.

Щековые дробилки конструкция и принцип действия

В основе принципа действия щековых дробильных агрегатов лежит механизм создания критических механических напряжений в частицах перерабатываемого материала, что приводит к их разрушению на более мелкую фракцию. Условия для разрушения перерабатываемого материала создаются ударным воздействием и раздавливанием.

В процессе работы щекового дробильного агрегата в камеру дробления, которая образована двумя щеками (при этом, как минимум одна щека является подвижным элементом) и имеет клинообразную форму, подаётся исходное сырьё, подлежащее переработке. Клинообразная форма камеры дробления обеспечивает распределение перерабатываемого материала в камере в зависимости от крупности его частиц, соответственно, чем мельче частицы материала, тем глубже они располагаются в камере дробления и тем ближе находятся к разгрузочной щели дробилки. Подвижная щека дробилки совершает возвратно-поступательное движение, периодически приближаясь к неподвижной щеке и отдаляясь от неё (в случае конструкции с двумя подвижными щеками, возвратно-поступательное движение обеспечивает одновременное взаимное сближение и отдаление щек). При сближении щек, называемом ходом сжатия, происходит непосредственно дробление перерабатываемого материала, находящегося в камере дробления, при отдалении щек, называемом холостым ходом, происходит выгрузка из камеры дробления частиц перерабатываемого материала, достигших необходимого показателя крупности. Данное действие повторяется циклически и при каждом повторении цикла после выгрузки переработанного материала из камеры дробления происходит перераспределение оставшегося материала под действием силы тяжести.

Основные показатели эффективности работы щекового дробильного агрегата определяются характером движения подвижного элемента камеры дробления, что, в свою очередь зависит от применённой в конкретной модели дробильного агрегата кинематической схемы исполнительного механизма. Следовательно, основное внимание при ознакомлении с конструкцией и принципом работы щековых дробилок следует уделять именно изучению кинематических схем исполнительного механизма, применяемым в современных моделях дробилок. По принципу действия кинематической схемы щековые дробильные агрегаты подразделяются на дробилки с простым движением подвижной щеки и дробилки со сложным движением подвижной щеки.

Щековые дробильные агрегаты с простым движением подвижной щеки обладают кинематической схемой исполнительного механизма, обеспечивающей траекторию движения точек на поверхности подвижной щеки, представляющую собой прямую линию или дугу окружности. Таким образом, траектория движения подвижной щеки в рассматриваемом случае не представляет собой замкнутую линию.

Отличительные особенности движения исполнительного механизма щековых дробильных агрегатов заключаются в следующем. Подвижная щека в процессе работы механизма совершает качательные движения вокруг оси вращения, совпадающей с осью узла подвеса. Качания происходят по дуге окружности, радиус которой равен расстоянию от оси подвеса подвижной щеки до рассматриваемой точки на её поверхности. Таким образом, наибольшее перемещение при движении исполнительного механизма совершают точки, расположенные в нижней части щеки. В следствии этого, наиболее эффективное дробление происходит именно в нижней части рабочей зоны в силу наибольших динамических воздействий на перерабатываемый материал. Выгодным преимуществом рассматриваемого типа щековых дробильных агрегатов является небольшая вертикальная составляющая динамического усилия, создаваемого подвижной щекой, относительно горизонтальной составляющей, являющейся непосредственно усилием дробления. Это обусловливает практически полное исключение истирающего воздействия на перерабатываемый материал, что позволяет значительно снизить износ дробящих элементов (что особенно актуально при обработке материалов с высокой абразивностью) и избежать переизмельчения исходного сырья.

Следует отметить, что кинематические схемы дробильных агрегатов с простым движением щеки обеспечивают сравнительно высокие динамические усилия в верхней части камеры дробления, где происходит первичный захват частиц перерабатываемого материала в рабочую зону. Данное свойство весьма актуально при дроблении материала высокой крупности исходного гранулометрического состава.

Существует множество конструкций исполнительного механизма дробилок, обеспечивающих простое движение подвижной щеки, разработанных с учётом опыта эксплуатации данных объектов в производственных процессах. Разработки новых конструкций механики щековых дробилок всегда имели целью упрощение кинематической цепи, что способствовало существенному повышению надёжности всего агрегата. Ниже рассмотрено несколько конструктивных решений механической части щековых дробильных агрегатов с простым движением подвижной щеки.

Щековый дробильный агрегат с нижним расположением эксцентрикового вала.

В данной конструкции из кинематической схемы исключён шатунный узел, что значительно укорачивает механическую передачу возвратно-поступательного движения. Эксцентриковый вал передаёт движущее усилие на подвижную щеку всего через один элемент механической системы, воздействуя непосредственно на нижнюю часть щеки. Длительное время считалось, что данная конструкция обеспечивает приемлемые показатели работы только в агрегатах среднего и мелкого дробления, т. к. основное усилие приходится именно на ту зону камеры дробления, в которую попадают сравнительно мелкие частицы перерабатываемого материала. Однако, опыт эксплуатации показал, что данный вариант конструктивного исполнения щековых дробилок может быть успешно использован и при крупном дроблении.

Щековый дробильный агрегат с роликом.

Кинематическая схема рассматриваемого исполнения щековой дробилки имеет наименьший набор узлов формирования возвратно-поступательного движения подвижной щеки. В данной конструкции вращение эксцентрикового вала передаётся подвижной щеке через ролик, устанавливаемый, на эксцентриковой части вала, при этом, точка взаимодействия указанных элементов находится в нижней части подвижной щеки. В процессе работы дробильного агрегата ролик находится в контакте с подвижной щекой через расположенный на ней упор. Постоянство механического контакта ролика и упора подвижной щеки обеспечивается прижимным (замыкающим) узлом, состоящим из тяги и пружины растяжения, изменением степени сжатия которой регулируется усилие нажатия ролика на упор.

Щековые дробильные агрегаты со сложным движением подвижной щеки обладают кинематической цепью, в которой кривошип и сама подвижная щека образуют единую кинематическую пару, т. е. конструктивно обеспечивается постоянное механическое соединение указанных деталей, обеспечивающее их относительное движение по требуемому закону.

Указанная структура исполнительного механизма обеспечивает движение точек на рабочей поверхности подвижной щеки по замкнутым траекториям, представляющим собой эллиптические кривые с переменным эксцентриситетом. При этом, величина эксцентриситета зависит от геометрического положения точки на рабочей поверхности подвижной щеки. В верхней части камеры дробления криволинейная траектория представляет собой эллипс со слабым эксцентриситетом в геометрическом направлении, близком к вертикальному. В нижней части камеры дробления криволинейная траектория представляет собой эллипс с сильным эксцентриситетом, при этом, большая полуось эллипса располагается под острым углом к вертикали. Такой характер движения различных участков рабочей поверхности подвижной щеки обеспечивает значительную вертикальную составляющую хода, а, следовательно, и вектора динамического воздействия на перерабатываемый материал. При данном характере движения исполнительного механизма, также, обеспечивается значительная горизонтальная составляющая хода подвижной щеки в верхней части камеры дробления. Это создаёт достаточные условия для реализации эффективного процесса измельчения перерабатываемого материала в верхней части рабочей зоны. При этом, вертикальное движение подвижной щеки, направленное в сторону разгрузочной щели обеспечивает надёжный захват частиц сырья, поступающего в дробилку, что особенно актуально в случае дробления материала крупной фракции как с точки зрения эффективности производственного процесса, так и с точки зрения безопасности рабочего персонала. Наличие значительной вертикальной составляющей хода подвижной щеки обусловливает появление истирающего воздействия на материал в процессе переработки, что вызывает быстрое изнашивание рабочих поверхностей щек, особенно в нижней части камеры дробления. Этот нюанс следует учитывать при переработке материалов с высокой абразивностью.

Следует отметить ещё одну особенность движения подвижной щеки, обусловленную наличием единой кинематической пары в структуре исполнительного механизма. Она заключается в том, что в силу описанных выше геометрических положений больших полуосей эллипсов, представляющих собой траектории различных участков рабочей поверхности, движение происходит с одинаковым периодом, но в различной фазе. Иными словами, подвижная щека в процесс работы дробилки совершает периодические качающиеся движения. Анализ движения подвижной щеки показывает, что эффективное дробление материала, находящего в рабочей зоне агрегата происходит в течение трёх четвертей оборота эксцентрикового вала. В оставшуюся одну четверть оборота эксцентрикового вала отвод подвижной щеки от неподвижной на максимальное расстояние, предусмотренное конструкцией конкретного дробильного агрегата и выполненными настройками. Благодаря такому характеру движения исполнительного механизма дробильного агрегата, рассматриваемое оборудование в значительно меньшей степени подвержено налипанию перерабатываемого материала на рабочие поверхности щек, что особенно актуально при переработке, например, материалов высокой влажности и вязких горных пород.

Конструкции и вариации кинематических схем исполнительного механизма щековых дробилок со сложным движением подвижной щеки не менее разнообразны, чем у щековых дробилок с простым движением подвижной щеки. Ниже рассмотрено несколько кинематических схем и конструктивных решений, наиболее характерных и распространённых на практике при эксплуатации рассматриваемого перерабатывающего оборудования.

Дробилка со сложным движением щеки с отрицательным углом наклона распорной плиты.

В данной конструкции эксцентриковый вал механически связан напрямую с подвижной щекой. Соединение выполнено в верхней части камеры дробления. Кривошип соединяет подвижную щеку с неподвижной опорой в нижней части камеры дробления. Такое конструктивное решение позволяет значительно снизить вертикальную составляющую хода подвижной щеки в нижней части камеры дробления. Таким образом, достигается эффект снижения фрикционного износа рабочих поверхностей щек в указанной зоне камеры дробления при сохранении оптимальных условий захвата крупных частиц перерабатываемого материала в верхней части камеры дробления. Данная кинематическая схема исполнительного механизма применяется в основном при проектировании дробильных агрегатов мелкого дробления, например, грануляторов.

Щековая дробилка с упругим пластинчатым элементом.

В рассматриваемом конструктивном решении имеет место механическое соединение эксцентрикового вала с подвижной щекой как в верхней части камеры дробления, так и в нижней части. Помимо этого, подвижная щека соединена с опорой, которая представляет собой упругий пластинчатый элемент, который верхней частью крепится к подвижной щеке, а нижней частью шарнирно соединяется с неподвижной опорой, роль которой выполняет станина дробильного агрегата. При вращении эксцентрикового вала происходит силовое воздействие на упругую опору подвижной щеки и, благодаря усилию реакции упругого элемента, движение подвижной щеки становится близким к горизонтальному возвратно-поступательному перемещению. В такой конструкции практически полностью исключается вертикальная компонента хода подвижной щеки, что позволяет снизить истирающее воздействие на перерабатываемый материал, в свою очередь снижая процент переизмельчения в готовом продукте и продлевая срок службы рабочих поверхностей щек.

В электрическом приводе щековых дробилок применяются в основном асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Данный тип электродвигателей наилучшим образом подходит для рассматриваемого оборудования не только из-за простоты конструкции и низкой стоимости, что обеспечивает преимущества в с точки зрения экономических показателей. Асинхронный электродвигатель имеет жёсткие естественные механические характеристики, обусловливающие его способность сохранять примерно постоянную частоту вращения в широком диапазоне нагрузок. Данная электромеханическая особенность асинхронного двигателя позволяет успешно применять его в нерегулируемом электроприводе щековых дробильных агрегатов.

Следует отметить, что применение в электроприводах современных щековых дробильных агрегатов регулируемого электропривода позволяет изменять характер движения исполнительного механизма, делая дробилку многофункциональной с точки зрения номенклатуры перерабатываемых материалов и гранулометрического состава и формы частиц продукта переработки.

Основные параметры и показатели щековых дробилок

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

• габаритный размер приёмного отверстия или входной щели камеры дробления B×L, мм. Данный параметр определяет максимальный размер частиц материала, который необходимо переработать;
• 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 через соотношение 0,85В;
• номинальная ширина выходной щели – определяет размер частиц переработанного материала и производительность дробильного агрегата, т. к. от ширины выходной щели зависит скорость выгрузки продукта переработки из камеры дробления;
• максимальный диапазон изменения ширины выходной щели – определяет возможность регулирования размеров частиц переработанного материала и производительности дробильного агрегата;
• мощность приводного электродвигателя – определяет характеристики энергопотребления дробильного агрегата от сети электропитания;
• частота вращения эксцентрикового вала – выражается в об/с и является характеристикой передаточного механизма дробилки;
• массо-габаритные показатели – параметры, учитываемые при транспортировке и подготовке установочного места дробильного агрегата.

Области применения щековых дробилок

Щековые дробильные агрегаты применяются в технологических операциях крупного и среднего дробления материалов с широким диапазоном физико-механических показателей. В качестве примера можно привести производство щебня и переработку рудных материалов в виде отдельных производств и в составе автоматизированных обогатительных линий.

Основными отраслями промышленности, в которых широко применяются щековые дробильные агрегаты, являются горно-обогатительные производства и производство строительных материалов.