Степень измельчения материала и используемое оборудование

Степень измельчения пород	Крупность, мм	Оборудование
материала	продукта
Крупное дробление	1200-500	350-100	Дробилки
Среднее дробление	350-100	100-40
Мелкое дробление	100-40	40-10
Грубое измельчение	30-10	Менее 5	Мельницы
Тонкое измельчение	Менее 5	1-0,5 и менее

7.2 дробильные машины

Дробильные машины (дробилки) - машины для переработки каменных материалов и строительных отходов с целью получения требуемого продукта с помощью дробящих рабочих органов способами раздавливания, скола, излома, истирания и ударного разрушения.

Процессы дробления производятся в дробящих камерах, образуемых поверхностями рабочих органов и корпусными деталями, после загрузки в них материала, осуществляемой с помощью специальных загрузочных устройств или непосредственно ковшовыми погрузчиками и одноковшовыми экскаваторами. Выход продукта из рабочей камеры (разгрузка) производится гравитационным способом.

Основными показателями работы дробилок являются: - характеристики их крупности; - степень дробления; -удельный расход энергии кВт∙ч/м3; - производительность м3/ч или т/ч.

Главным параметром дробилок является размер загрузочного отверстия, определяющие крупность кусков исходного материала.

В дробилках используются гидро- и электропривод вращательного типа. Последний выполнен на базе асинхронных электродвигателей (ЭД) с использованием ременных или зубчатых передач. Им обеспечивается вращение рабочих органов: валков, роторов - в валковых молотковых и роторных дробилках. Для получения качательных движений подвижной щеки в щековых дробилках и гирационного - в конусных используются эксцентриковые механизмы. Значительные нагрузки, воспринимаемые подвижными рабочими органами, приводят к тяжелым условиям работы их опор, включая подшипник и подпятники. Для обеспечения нормальной работы указанных узлов в дробилках предусмотрена принудительная система их жидкой циркуляционной смазки (и охлаждения). Масляная система имеет контрольные приборы, регистрирующие расход масла, его давление и температуру. В приводе машин предусмотрено автоматическое устройство его отключения на случай отклонения параметров масла от номинальных. Системы автоматики современных дробилок, помимо вопросов регулирования величины выходной щеки и защиты от перегрузок, решают следующие задачи:

- стабилизация мощности, потребляемой в процессе дробления;

- регулирование степени загрузки камеры дробления;

- контроль уровня материала в дробильной камере, крупности продукта дробления и состояния подшипниковых узлов;

- обеспечение требуемого состава продукта дробления.

Дробилки (рис. 7.2) можно классифицировать по следующим основным признакам: принципу действия (цикличного, непрерывного), характеру разрушения материалов (статическому, ударному, комбинированному), определяющему использование тех или иных способов механического измельчения (раздавливание, раскалывание, излом, истирание, удар), конструктивному исполнению машины в целом и, в первую очередь, их рабочих органов, соответствующих основным типам существующих машин (щековых, конусных, валковых, роторных, молотковых). Рабочими органами дробильных машин в зависимости от их конструкций являются щеки, конусы, валки, билы и молотки. Последние два вида рабочих органов производят режим ударного дробления, в отличие от статического, реализуемого другими видами рабочих органов. Рабочие органы дробилок парные, состоящие из активного и пассивного: «щека-щека», «конус-конус», «валок-валок». В дробилках ударного типа используется пара «ударник - отражающая плита» (роль наковальни выполняет дробимый материал). Ударник выполняется в форме ротора с системой неподвижных бил или шарнирно-закрепленных молотков. Поверхности рабочих органов, за исключением ударников, отделывают (футеруют) бронированными рифлеными дробящими плитами (рифлями), выполняемыми из высокопрочных материалов. Форма профиля, размеры рифлений дробящих плит различны. Их выбор во многом определяют технологические показатели (производительность, потребляемую мощность, зерновой состав продукта, а также форму его зерен).

Рис. 7.2 Принципиальные схемы щековых, конусных и валковых дробилок:

А – щековые: а – статическая с простым (маятниковым) движением щеки;

б – статическая со сложным (комбинированным) движением щеки;

в – вибрационная с двумя подвижными щеками;

Б - конусные: а – крупного дробления (ККД); б- среднего и мелкого

дробления (КСД, КМД); в – инерционная (КИД);

В – валковые: а – статическая двухвалковая; б – вибрационная одновалковая;

1 – рабочие органы; 2 – камера дробления, 3 – привод, 4 – устройство

регулирования выходной щели, 5 – предохранительное устройство

пружинного типа, 6 – упругодемпфирующее устройство

Пространство между рабочими органами и торцевыми стенками корпуса образует камеру дробления с загрузочным нерегулируемым отверстием, находящимся сверху, и разгрузочным, регулируемым снизу. За счет его изменения устанавливают требуемую производительность.

В зависимости от характера разрушения материала, вида используемых рабочих органов, траектории их движения различают дробилки статического действия (щековые, конусные, валковые) и ударного действия (роторные и молотков).

7.2.1. Дробилки статического действия

Щековые дробилки – машины цикличного действия с дробильной камерой в форме призматической трапеции,с дробящими органами в виде щек.

Рабочий процесс реализуется комбинированным способом разрушения материала (сжатием, сколом, изломом и истиранием) с помощью пары рабочих органов - щек. Рабочее пространство дробильной камеры изменяется в результате маятниковых колебаний одной из этих щек, в результате чего и происходит разрушение породы - присближении щек и разгрузки - при удалении.

В зависимости от конструкции подвеса этой щеки траектория движения ее различна. При шарнирном подвесе щека совершает только маятниковые движения. Такие дробилки называют щековыми с простым движением щеки. Траектория движения - дуга окружности, в отличие от дробилок со сложным движением, обусловленным подвесом щеки с использованием эксцентрикового механизма (рис. 7.3). В этом случае траектория движения подвижной щеки эллиптическая, причем параметры этого движения различны по длине подвижной щеки. Щековые дробилки со сложным движением щеки работают более эффективно. Рабочий процесс в них реализуется (в дополнение к сжатию, сколу, излому) также истиранием.

Рис. 7.3. Щековая дробилка со сложным движением щеки:

а) общий вид; б) схема

1 – дробящая плита неподвижной щеки, 2 – камера дробления,

3 – дробящая плита подвижной щеки, 4 – подвижная щека,

5 – эксцентриковый механизм подвеса подвижной щеки,

6 – приводной вал, 7 – болт крепления дробящей плиты, 8 – устройство

регулирования размера выходной щеки, 9 – распорная плита регулировочного

устройства, 10 – пружина возврата подвижной щеки, 11 – тяга

замыкающего устройства

Щековые дробилки имеют устройство для регулирования выходной щели камеры дробления, используемого с целью изменения состава фракции продукта дробления.

Главный параметр щековых дробилок - размеры загрузочного зева L×B, через который материал попадает в камеру дробления. Эти размеры определяют крупность загружаемого материала, его объем и, как следствие, производительность.

Привод рабочего органа (обычно одной из щек, называемом подвижной) включает: клиноременную передачу, инерционный маховик, обеспечивающий равномерность вращения, фрикционную муфту и эксцентриковый преобразовательный механизм с рычажно-распорным устройством, создающие периодические маятниковые колебания подвижной щеки. В приводе машины предусмотрено предохранительное устройство на случай попадания в камеру дробления недробимых предметов. Для облегчения запуска основного привода при холостом ходе, что связано со значительными инерционными характеристиками его деталей, а также при заполненной камере дробления («под завалом») применяют вспомогательный привод. Его задачей является разгон вала электродвигателя основного привода до определенной частоты вращения. Вспомогательный привод является высоко моментным, что достигается путем использования в нем редукторов с высокими передаточными числами. Отключение вспомогательного привода происходит автоматически с помощью обгонной муфты.

Развитие конструкций щековых дробилок идет в направлении ак­тивизации их рабочих органов: замене неподвижной щеки - подвижной, приводимой в движение через эксцентриковый механизм. При этом происходит процесс разрушения породы путем динамического сжатия ее кусков со сдвигом и одновременным выбросом измельченного продукта.

Таблица 7.3. Основные конструкции дробилок и области их рационального применения

Реализация такой схемы дробления повышает производительность на 20-50% и в 1,5-2 раза увеличивает степень дробления. При этом снижаются удельные затраты на единицу вновь образуемой поверхности дробимого материала. Однако будут иметь место повышенные затраты на обслуживание и ремонт оборудования, в том числе за счет дополнительного износа рабочих органов. Прогнозируемая область эффективного применения - переработка крепких и абразивных материалов.

Другим направлением модернизации является оптимизация формы рабочей камеры, с зонами крупного дробления в ее верхней части и мелкого - в нижней, при которой ускоряется процесс продвижения материала к разгрузочному отверстию, то есть производительность дробилки.

Конусные дробилки – машины непрерывного действия, имеющие пирамидальную дробильную камеру с поперечным сечением в форме клинового зазора, образуемого поверхностями двух конусов, один из которых (внутренний) совершает эксцентричное вращение

Процесс дробления материала происходит в той части дробильной камеры (зоне дробления), где имеет место сближение конусов. В связи с вращением подвижного конуса зона дробления вращается, изменяя свое положение, с той же частотой, чем и обеспечивается непрерывность процесса дробления.

Различают два вида крепления подвижных конусов: подвесное и опорное. В них реализуется разное взаимоположение вершин конусов. При подвесном виде крепления вершины подвижного и неподвижного конусов расположены в разных сторонах. Такое решение характерно для конусных дробилок крупного дробления (ККД), характеризуемых большим размером загрузочного отверстия камеры дробления по сравнению со вторым исполнением, используемым в конусных дробилках среднего и мелкого дробления (КСД; КМД).

Так же как и в щековых дробилках, в конусных имеется устройство регулирования разгрузочной щели, величина которой определяет производительность и характеристики крупности материала на выходе. На рис. 7.4 показана структурная схема САУ, решающая задачи: управление режимом работы (производительностью) питателя в результате контроля уровня загрузки материала в приемной камере; управление величиной выходной щели как в режиме пропуска недробимых предметов, так и в режиме постепенного износа рифлей футеровочных плит. Указанная САУ обеспечивает постоянство загрузки привода дробилки и зернового состава продукта дробления.

Рис.7.4. Принципиальная схема САУ конусной дробилки крупного дробления (ККД):

1 – питающее устройство с дозатором; 2 – узел питания;

3 – датчик уровня загрузки материала; 4 – датчик величины выходной щеки;

5 – блок управления; 6 – датчик контроля давления в гидроцилиндре подвижного

конуса; 7 – гидронасос; 8 - электромотор

Конструкция конусной дробилки мелкого дробления представлена на рис. 7.5.

Рис.7.5. Конусная дробилка мелкого дробления (КМД):

а) конструктивная схема; б) гранулометрические кривые

Валковые дробилки – дробилки непрерывного действия с рабочими органами в виде цилиндрических валков (обычно двух), пространство между которыми образует камеру дробления (рис. 7.6).

Рис.7.6. Валовая дробилка с вертикальными валками

В зависимости от расположения валков различают дробилки с горизонтально и вертикально расположенными валками. Поверхности валков, вращающиеся навстречу друг другу, могут иметь гладкую, рифленую или зубчатую формы. Гладкую форму валков используют для кусков меньших размеров. В целом валковые дробилки обеспечивают среднее и мелкое дробление материалов средней прочности (на гладких и рифленых валках) и мягких (на зубчатых валках). Наиболее эффективно использование валковых дробилок при дроблении глинистых материалов. В этом случае их оснащают скребками для очистки валков.

Величина зазора между валками не зависит от прочности дробимой породы и размеров куска D и составляет: для прочных пород; 30÷100 мм, известняка, гипса, мела 5÷6 мм, глины 8÷10 мм при предварительном и 2÷3 мм при окончательном дроблении. Для peaлизации условия затягивания материала в пространство между валками отношение диаметра валка D_в к максимальному размеру куска исходного материала D составляет 24 - для твердых пород, 10 - для глин.

В дробилках статического действия материал не должен выдавливаться из камеры дробления (иначе процесс дробления не будет реализован). Поэтому для них важное значение имеет одни из геометрических размеров рабочей камеры, называемый углом захвата. Этот угол не должен превышать угла трения.

Особым направлением развития рассмотренных дробилок является использование в них вибрационного привода на базе инерционных и эксцентриковых вибровозбудителей колебаний (см. рис. 7.7). Указанные дробилки используют для крупного дробления материалов.

Рис.7.7. Вибрационные дробилки – конусная (а), щековая (б), роторная (в)

а: 1 – дробящий конус, 2 – рабочая камера, 3 – вибровозбудитель колебаний,

б: 1 – рама, 2 – рабочая камера, 3 – вибровозбудтель колебаний, 4 – упругие элементы;

в: 1 – корпус, 2 – рабочая камера, 3 – эксцентриковый вибратор

4 - упругий элемент.

В щековой дробилке (рис. 7.7, А) обе щеки, образующие камеру дробления - подвижные, приводимые в движение от инерционных вибровозбудителей горизонтального направленного действия. Процесс дробления носит виброударный характер. С целью снижения вибрации, передаваемой раме, установлены упругодемпфирующие элементы.

В конусной дробилке (рис. 7.7, Б) дебалансный вибровозбудитель расположен внизу вала подвижного конуса. Практика использования таких дробилок, называемых конусными инерционными дробилками (КИД), показала возможность получения с их помощью значительной доли продукта – «щебня кубовидной формы», использование которого более эффективно.

В валовой дробилке (рис. 7.7, В) имеется упругий ротор - валок, приводимый в движение с помощью эксцентрикового вибровозбудителя. Колебательные движения ротора интенсифицируют рабочий процесс.

Виброударные процессы воздействия рабочих органов на дробимый материал приводят к накоплению энергии в последнем, что вызывает интенсивное развитие микротрещин и микродефектов, особенно в хрупких и крепких породах.

Важным для эффективного дробления является выбор рационального режима работы привода, который существенно зависит от степени загруженности дробильной камеры и характеристик дробимого материала.

7.2.2. Дробилки ударного действия

Роторные и молотковые дробилки (рис. 7.8) являются дробилками ударного действия, обеспечивающими (особенно молотковые) возможность получения более прочного щебня.

Рис.7.8. Роторная дробилка:

а) общий вид; б) схема работы; в) конструктивная схема

1 – загрузочное отверстие, 2 – отражательные (отбойные) плиты,

3 – устройство регулировки положения плит, 4 – разъемный корпус,

5 – направитель потока продукта, 6 – разгрузочное отверстие,

7 – ротор, 8 - билы

Они реализуют процесс дробления как в результате ударного воздействия рабочего органа (била или молотка), закрепленного во вращающемся роторе, с кусками материала, так и в результате ударного взаимодействия их между собой с отражательными плитами или колосниковыми решетками. В роторных дробилках рабочие органы (билы) установлены в радиальных пазах ротора, а в молотковых шарнирно-закреплены на роторе, имея лишнюю степень свободы. Это обеспечивает рабочим органам повышенную скорость соударения с материалом. В камере дробления имеются отражательные плиты, воспринимающие удары кусков материала после их взаимодействия с рабочими органами дробилки. Процесс ударного дробления продолжается многократно до достижения требуемой крупности продукта, разгружаемого через разгрузочную щель.

В ударных дробилках крупного дробления используют обычно 2 отражательные плиты, а в дробилках среднего и мелкого дробления - 3 или 4.

При использовании колосниковых решеток одновременно с ударным процессом дробления происходит и процесс отделения части раздробленного продукта через отверстия колосников.

Главные параметры дробилок ударного действия – размеры ротора: диаметр и длина, отражаемые в их индексации.

Ударные дробилки в основном используют для пород с мягкой и средней прочностью, реже, для пород со средней прочностью. Ими реализуется крупное, среднее и мелкое дробление с высокой степе­нью измельчения (до 30÷40). Наиболее эффективно применение ударных дробилок для дробления пород малой и средней абразивности. В случае дробления абразивных пород имеет место ускоренный износ молотков, бил, отражательных плит и др. Дробление материа­лов с влажностью, превышающей 15 %, приводит к эффекту «замазывания» выходных щелей.

Недостатком дробилок ударного действия является то, что до 30% поступающего материала переизмельчается и часто идет в отход. В соответствии с этим основным направлением развития дробилок ударного действия является использование в них регулируемого привода (с плавным регулированием частоты вращения ротора дробилки) с автоматической системой управления, позволяющего оптимизировать рабочий процесс, т.е. вне зависимости от изменения (разброса) физико-механических свойств исходного материала обеспечить максимальный выход товарных фракций в продукте дробления. В качестве регулируемого привода используют тиристорный электропривод.

В конструкциях традиционных дробилок ударного действия имеет место верхняя подача материала на ротор с помощью отдельных питателей. Совмещение питателя с дробилкой в одну конструкцию привело к созданию роторно - конвейерных агрегатов, в которых подача материала в рабочую камеру и отвод продукта из неё осуществляется ленточным конвейером. Масса указанных агрегатов - до 100 т. Наиболее эффективными являются двухроторные агрегаты двухступенчатого дробления. Валы роторов в них расположены на разной высоте. Первый ротор осуществляет предварительное дробление, а второй окончательное. Зазор между билами второй дробилки и поверхностью конвейерной лепты определяет максимальный размер зерен продукта. Высота установки обоих роторов, следовательно, и величины разгрузочных щелей (зазоров) могут регулироваться. Действенным способом повышения эффективности ударных дробилок является выбор рационального скоростного режима вращения ротора, обеспечивающего минимальное содержание отходов при дроблении.

Современные роторные дробилки имеют регулируемый привод, позволяющий плавно изменять частоту вращения ротора с пульта управления (без остановки дробилки) для поддержания требуемых характеристик готового продукта в случае изменения исходного материала. Кроме этого, они оборудованы устройствами для изменения положения отражательных плит. С целью обеспечения лучшей ремонтопригодности корпус дробилки выполняется разъемным с гидравлическим механизмом раскрытия.

Производительность дробилок определяется расходом продукта, выдаваемым через разгрузочное отверстие камеры дробления

Неравномерность скорости потока продукта и площади его поперечного сечения не позволяют представить аналитические зависимости производительности дробилок. В этой связи оценку производительности проводят по формулам, установленным на основании практических исследований. Считают, что производительность дробилок пропорциональна числу оборотов (двойных качаний) n подвижного рабочего органа и рабочему объему камеры дробления.

7.3. Основы теории рабочих процессов дробления

При реализации рабочего процесса в камеру дробления поступает исходный материал массой М со средним размером D. В результате дробления, осуществляемого процессами раздавливания, раскалывания и другими, на выходе из камеры получают продукт дробления, состав которого по размеру характеризуется функцией

Y=f(X),

где X - размер продукта дробления (рис. 7.9);

Y - содержание продукта с размером X, %.

Рис. 7.9 Линейная аппроксимация суммарных характеристик

крупности материала (I) и продукта дробления (2)

Графическое представление Y=f(X) носит название графика зернового состава. Он является характеристикой дробилок, определяется экспериментально и позволяет определить содержание различных фракций по размерам в продукте дробления.

Важное значение при выборе рабочего оборудования дробления имеет энергоёмкость процесса дробления: затраты энергии дробления А, отнесённые к массе М дробимого материала: Э = А/М. Чем ниже энергоёмкость рабочего процесса при требуемом составе получаемого материала по фракциям и производительности, тем эффективнее рабочий процесс.

Основы энергетической теории дробления состоят в реализации рабочего процесса минимальной энергоёмкости с целью переработки исходного материала в требуемый продукт дробления с заданной производительностью на выбранном дробильном оборудовании

Поэтому вопросу изучения энергозатрат процессов дробления уделяется огромное значение в практических и исследовательских работах. Результаты их сформированы ниже в форме основных гипотез, основанных на упрощенных схемах разрушения.

Гипотеза поверхностей (Риттингера) состоит в том, что работа А процесса дробления куска размером D_cp пропорциональна вновь об­разуемой поверхности дробимого материала ∆F:

А ~ ∆F ~ D2cp.

(7.1)

Гипотеза объёмов (Кирпичева-Кика) заключается в том, что работа процесса дробления пропорциональна объёмам Q или массам М дробильного материала:

А ~ ∆Q ~ D3cp А~ γ∆Q или А=σ2Q/(2E),

(7.2)

где∆Q - деформированный объём (разность объёмов исходного ма­териала и готового продукта);

Е - модуль упругости первого рода;

σ - напряжение сжатия, возникающее при деформации.

Гипотеза объёмов (Кирпичева-Кика) заключается в том, что работа процесса дробления пропорциональна объёмам Q или массам М дробильного материала:

А ~ ∆Q ~ D3cp А~ γ∆Q или А=σ2Q/(2E),

(7.2)

где∆Q - деформированный объём (разность объёмов исходного ма­териала и готового продукта);

K₂Q - работа деформации разрушаемых кусков, теряющаяся в виде тепла;

К₁, К₂ - коэффициенты пропорциональности по Ребиндеру.

Гипотеза Бонда также является обобщающей первые две гипотезы в форме:

или для материала массой М:

где d_ср - средняя крупность продукта дробления;

К_Б - коэффициент пропорциональности по Бонду.

А.К. Рундквист преобразовал эту формулу к виду, сделав её универсальной:

где i - степень дробления;

К_р - коэффициент пропорциональности Рундквиста.

Формула(7.5) является обобщающей, из нее следуют формулы (7.1, 7.2, 7.3) соответственно при значениях показателя степени nравных: 3,0; 4,0; 3,5.

Формула являетсябазовой для расчета щековых и роторных дробилок и широко используется для оценки потребляемой мощностиN_потр, кВт, при дроблении различных пород. Для щековых дробилок она используется в виде:

где w_в- энергетический показатель единицы затрат энергии, приходящихся на 1 т материала при его дроблении от бесконечной крупности до размера 1 мм.

ρ - объёмная масса материала, кг/м³;

Д_св, - средневзвешенный размер исходного материала, м;

К_м - коэффициент масштабного фактора, характеризующий изменение исходного материала с изменением его крупности;

П - производительность, м³/с.

Значения w_в, К_м для различных видов горных пород и их месторождения имеются в справочной литературе.

Для роторных дробилок формула для расчета потребляемой мощности (кВт) имеет вид:

где w_в^' – энергетический показатель, или удельная работа дробления, расходуемая на образование единицы новой поверхности, кВт∙ч/м² (для угля - 0,0025; слабого известняка - 0,01; прочного известняка - 0,02);

П - производительность, м³/ч.

При расчете потребляемой мощности конусных дробилок в практике расчетов используют также формулы, основанные па гипотезе Кирпичёва-Кика, или эмпирические формулы.

С целью универсализации подхода к оценке мощности и рациональному выбору дробилок необходимо базироваться на единой математической зависимости для оценки энергозатрат и выработать единую методику оценки входящих в неё коэффициентов.

Указанный подход и составляет обобщенную энергетическую теорию дробления. В основе энергетической теории принята математическая модель энергоёмкости: удельного (по массе) расхода энергии в дифференциальной форме (7.5), а также функция содержания продукта дробления кусочно-линейной формы.

где X - размер частицы материала;

n - показатель степени дробления, величина которого зависит от вида дробилки и реализации в ней конкретных способов дробления;

К - энергетический параметр, Нм/м³, характеризующий крупность исходного материала и способ его дробления.

Выбранная модель энергоёмкости при значениях n = 1; 1,5; 2 со­ответствует формулам основных законов (гипотез) дробления: Кирпичёва-Кика; Бонда; Риттингера.

Форма функции Y = f(X), несмотря на простую аппроксимацию, как показано экспериментальными исследованиями, является вполне приемлемой.

Здесь рассмотрен процесс дробления исходного материала с диапазоном размеров кусков от Х₃ до Х₄, при размерах продукта дробления от Х₁ до Х₂ (см. Рис. 7.10). При этом суммарные характеристики крупности материала и продукта дробления представлены соответственно в виде:

Будем считать, что процесс дробления происходит таким образом, что самые мелкие частицы исходного материала переходят в самые мелкие частицы продукта дробления; самые большие - в большие, а средние - в средние. Математически это выразим следующим образом.

где Х_н и Х_к - начальный и конечный размеры частиц;

Zϵ[0,1] - вспомогательная переменная, соответствующая принятой форме f(x) (7.9).

Запишем выражение для элементарной работы дробления материала.

где dm - элементарная, однородная масса;

Е - удельный по массе расход энергии дробления, рассматриваемый как функции трёх параметров: К, Х_н Х_к.

Подставляя (7.8) в уравнение (7.12) получим выражение для работы по дроблению материала массой М:

С учётом значения характеристики распределения материала:

После интегрирования получаем окончательное выражение для дробления. Оно справедливо для всех значений кроме n =1 и n = 2. Однако это практически не ограничивает её использование, так как нет необходимости специально рассматривать случай указанного равенства.

Параметры К и n, входящие в уравнение (7.13), могут быть определены при постановке лабораторной работы по результатам эксперимента ситового анализа с помощью метода наименьших квадратов.

Значения К и n, таким образом, можно определить для любого типа дробильного оборудования и для различных материалов. По расчетным значениям К для нескольких типов дробильного оборудования можно осуществить его рациональный выбор по критерию минимума энергозатрат.

При сравнении вариантов дробилок часто используют и интегральный критерий, учитывающий как технические, так и материальные затраты.

где N - мощность двигателя; G - масса машины.

В основу технологической эффективности процессов дробления положены зависимости, определяющие связь между приложенными механическими усилиями, напряжениями или энергией разрушения и дисперсностью продуктов разрушения в виде удельной поверхности или среднего размера частиц материала до и после дробления. На оценку эффективности процесса дробления важное значение оказывают также изменения прочности частиц материала в результате уменьшения их абсолютных размеров.

7.4. Грохоты

Грохоты – машины, предназначенные для разделения сыпучих материалов по крупности с помощью рабочих органов в виде коробов, барабанов, оснащенных просеивающей поверхностью (ситами - плетенными проволочными сетками, решетами - стальными листами, колосниками -жесткими металлическими решетами) с калиброванными отверстиями, совершающих непрерывное или колебательное движение.

Барабанные грохоты имеют привод вращательного типа. Они представляют незначительную группу грохотов. Наиболее представительной группой грохотов являются инерционные, обеспечивающие колебательный характер рабочих органов.

Грохоты - группа СМ, предназначенная для разделения исходного насыпного материала по крупности на фракции, с помощью просеивающих поверхностей, являющихся составной частью рабочих органов (барабанов, коробов), совершающих принудительное движение. Наибольшее распространение получили грохоты с инерционным приводом (инерционные грохоты), имеющие рабочий орган в виде короба, устанавливаемого горизонтально или наклонно в сторону движения потока материала.

Как известно, основными характеристиками инерционного привода являются форма, амплитуда и частота колебаний. Инерционный привод грохотов в зависимости от величин амплитуд и частот колебаний короба обеспечивает два вида движения материала по просеивающей поверхности сита: без отрыва от нее и с отрывом (с фазой «полета»). Последнюю группу грохотов называют вибрационными. В зависимости от конструкции их расчетные схемы представляют одно-, двух- пли трёхмассовые колебательные системы с вынужденными колебаниями, рабочий режим которых происходит в зарезонансной или резонансной областях частот (рис.7.11). Заметим, что часто название вибрационных грохотов относят ко всей группе инерционных. В классификации грохотов эти признаки находят соответствующее отражение наряду с рядом других, характеризующих исполнение (опорное или подвесное), расположение короба (горизонтальное, наклонное), вид используемого в приводе вибровозбудителя колебаний (электромеханические эксцентриковые и инерционные пли электромагнитные), и их числа (один или два).

Рис. 7.11. Качественный вид амплитудно - частотных характеристик грохотов:

А – одномассового; б – двухмассового; в – трехмассового (ω_р – рабочая частота;

ω₀, ω'_0, ω″₀ – частоты собственных колебаний системы)

Буквенная индексация грохотов, состоящая из трех букв, отражает: название машины (Г - грохот); вид используемого вибровозбудителя колебаний, характеризующих исполнение грохота: гирационное (Г) - с вибровозбудителями колебаний эксцентрикового типа, инерционные (И) - с дебалансными вибровозбудителями колебаний с круговой вынуждающей силой, самобалансное (С) - с дебалансным вибровозбудителем колебаний с направленной вынуждающей силой, а также тип грохота, определяемый крупностью исходного материала и его свойствами: JI - легкий с насыпной плотностью р ≤ 1,4 т/м³; С - средний ср ≤ 1,8 т/м³ и Т - тяжелый ср ≤2,8 т/м³. В цифровой части индексации отражена группа, характеризующая ширину просеивающей поверхности (цифра от 2 до 10, что соответствует 1000 мм и 4000 мм) и число ярусов.

Область применения основных видов конструктивного исполнения грохотов приведена в прил. 2.

Технические характеристики грохотов представлены в прил. 2.

Вибровозбудители с кинематическим возбуждением колебании (эксцентриковые) обеспечивают постоянство амплитуды колебаний. Конструкция грохотов, выполненных с такими вибровозбудителями, имеет систему уравновешивания центробежных сил инерции короба и виде шкивов с регулируемыми дебалансами, установленными на приводном валу короба с четырьмя подшипниковыми опорами.

Вибровозбудители с силовым возбуждением колебании выполнены инерционно-дебалансного типа с круговой или направленной вынуждающей силои. Они обладают свойством самозащиты от перегрузок. Перегрузки проявляются в снижении амплитуды колебании при увеличении нагрузки. Это защищает подшипник от перегрузок. Конструкция грохотов, выполненных с вибровозбудителем кругового типа, отличается простотой в отличие от конструкции грохота с вибровозбудителем направленного типа, имеющей большую сложность.

Наиболее распространенными являются одномассовые вибрационные грохоты инерционного и самобалансного исполнения, работающие в зарезонансном режиме.

Рис. 7.12 Инерционный грохот опорного исполнения:

а) схема; б) общий вид

1 – короб; 2- просеивающая поверхность; 3 – вибровозбудитель;

4 – электропривод; 5 виброизоляторы; 6 – опорная рама

Схема инерционного грохота в опорном исполнении представлена на рис. 7.12. Рабочим органом грохота является металлический короб, в котором установлены и жестко закреплены два яруса сит. Короб установлен на опорной раме с помощью виброизоляторов, ограничивающих вибрационное воздействие на фундамент. В приводе грохота использован дебалансный вибровозбудитель с круговой вынуждающей силой, приводимой во вращение от электродвигателя через ременную передачу. Вибровозбудитель расположен в центре тяжести грохота, что обеспечивает создание однородного поля колебаний короба. Для достижения достаточной скорости вибротранспортирования материала вдоль сита короб имеет наклон 15÷30° к горизонту. Уменьшение времени и амплитуды колебаний при проходе через резонанс достигается за счет подбора характеристик виброизоляторов, применения вибровозбудителей с выдвижными дебалансами и электродинамического торможения приводного электродвигателя.

7.4.1. Рабочий процесс грохочение и его характеристики

Грохочение - процесс разделения материала по крупности на фракции путем пропускания через калиброванные отверстия просеивающей поверхности сит, решет, колосников части потока исходного материала.

Продукцией грохота может быть как подрешетный (нижний), так и надрешетный (верхний) классы, образующиеся после грохочения. Условием прохождения зерна сквозь сито является наличие его наибольшей площади поперечного сечения, меньшей соответствующего размера просеивающей поверхности. Поэтому сквозь калиброванные отверстия размером d могут просеяться зерна с размером b > d при их игольчатой форме. Отмеченный эффект, а также наличие в исходном материале мелких фракций приводят к засорению фракций продукта.

Реализация рабочего процесса грохочения определяется: - гранулометрическим составом исходного материала; - формой и размером просеивающей поверхности и ее ячеек; - эффективностью рабочего процесса и качества продукции; - режимом работы; - производительностью.

Представим подробнее оценочные параметры и характеристики процесса грохочения.

Характеристики гранулометрического состава исходного материала задаются в виде суммарных характеристик крупности и распределения, определяемых лабораторным ситовым анализом.

Просеивающие поверхности выполняют в виде сит, решет, колосников. Они могут иметь либо прямоугольную форму размером LxB (L/B = 2,5/1) площадью F = LxB, либо иную форму (круглую, квадратную, прямоугольную), различные размеры ячеек (отверстий). Размеры последних нормированы, так для квадратной формы: 5; 10; 20; 40; 70 мм. Модульная ступенчатая система сит представлена на рис. 7.13.

Рис. 7.13 Модульная ступенчатая система сит

Эффективность реализации рабочего процесса грохочения оценивают одноименным показателем, отражающим отношение массы зерен в продукте соответствующего класса, размером не менее отверстия просеивающей поверхности, к их массе в исходном материале. Характеристикой качества продукта является засоренность.

Засоренность продукта отражает степень наличия в подрешетном продукте грохочения зерен надрешетного продукта, и наоборот. В соответствии с нормативами нормируется степень засорения отдельных фракций продукта, которая не должна превышать 5%.

Требуемое качество продукции оценивают степенью засорения подрешетного продукта зернами надрешетного, и наоборот. Одним из условий обеспечения качества является выбор рациональных размеров отверстии сит.

Выбору размеров отверстий предшествует определение предельного значения эффективности грохочения по формуле:

где е - эталонное значение эффективности грохочения для средних условий;

- коэффициенты учета, соответственно, угла наклона грохота и характеристик надрешетного и подрешетного материала.

Полученное по (7.16) значение эффективности является той пре­дельной величиной, с которой сравнивают значение эффективности, определяемой с учетом выбранного оптимального отверстия при заданной засоренности (обычно 5%). Соблюдение условия Е ≤ Епр обеспечивают изменение угла наклона грохота или увеличением числа сит. В последнем случае добиваются заданного значения засоренности только одного кондиционного продукта за счет увеличения засоренности другого. Выбор оптимального размера отверстии может быть реализован лишь при наличии зависимостей эффективности грохочения (при различных значениях содержания нижнего класса в исходном материале) и относительной величины размера отверстий (к граничному зерну) от величины взаимного засорения фракции. Для приближенного выбора рациональных значений сит используют опытные и расчетные данные.

Режимы работы оцениваются выбранной формой траектории колебаний короба, значениями амплитуды его перемещений А и частотой колебания ω, а также динамическим коэффициентом режима Г. Последний представляет отношение инерционной силы, действующей на модель материала в форме куска, к проекции силы его тяжести на нормаль к просеивающей поверхности:

где А - амплитуда колебания рабочего органа, ω - угловая частота колебаний, β - угол между направлением действия вынужденных колебаний и продольной осью рабочего органа, α- угол расположения рабочего органа к горизонтали, соответствующий подъему и спуску материала - движению под уклон, g - ускорение свободного падения.

Режим перемещения материала во многом определяется значением параметра Г: Г < 1,0 - соответствует режиму перемещения мате­риала без его отрыва от рабочего органа, Г > 1,0 - с отрывом от рабочего органа, так называемому режиму виброперемещений, реализованных в вибрационных конвейерах. Величина параметра Г важна для самоочистки ячеек просеивающей поверхности. Чем выше значение Г, тем лучше условия самоочистки.

Важное влияние на режим грохочения оказывают амплитуда перемещения и частота колебаний рабочего органа.

Указанные параметры, применительно к выбранной траектории движения короба, имеют оптимальные значения, устанавливаемые, в первую очередь, из эффективной самоочистки отверстий сита и эффективности грохочения.

Большинство современных конструкций грохотов в диапазоне от 500 до 1500 кол/мин и значений амплитуд перемещения А от 3 до 10 мм.

Эффективная эксплуатация грохотов характеризуется: одинаковыми амплитудами и траекториями вибрации короба во всех точках, устойчивым режимом работы, требуемой виброизоляцией, при которой частота вынужденных колебаний грохота превышает собственную не менее чем в 4 раза.

С целью реализации указанных требований рекомендуют:

- располагать вибровозбудители в центре масс короба, а виброизоляторы на расстоянии от центра массы короба (в горизонтальном направлении), равном центральному радиусу инерции короба (при этом геометрические центры виброизоляторов должны находиться на уровне центра масс короба);

- обеспечивать равенство жесткости упругих опор в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- использовать способы снижения размахов вибрации (для грохотов зарезонансного типа) в период прохождения резонанса.

Специфическими характеристиками надежности и качества виб­рационных грохотов являются стабильность, коэффициент усиления вынуждающей силы и уравновешенность.

Производительность рассматривают по исходному материалу (загрузке, подаче) и по продукции (надрешетной и подрешетной). Производительность по подаче равна сумме производительностей по надрешетной и подрешетной. Производительность по загрузке и по надрешетнои продукции оценивают как производительность потока материала П, т/ч, перемещаемого вдоль просеивающей поверхности соответственно в ее начале и конце.

На практике производительность П, м3/ч, грохотов с плоскими ситами определяют по формуле профессора В.А. Баумана, через удельную производительность сита с квадратным сечением q, м/ч, и площадью сита F, м²:

где К - коэффициент учета неравномерности питания, формы зерен, материала и типа грохота; К1 - коэффициент учета содержания зерен низшего класса в исходном материале (на сите), %; К2 - коэффициент учета содержания в нижнем классе зерен размером меньше половины отверстия сита, %; K3 - коэффициент учета угла наклона грохота. Значения указанных коэффициентов приведены в прил. 2.

Формула применима к процессу как сухого грохочения, применяемого для материалов малой влажности, так и повышенной влажности в условиях мокрого грохочения, предотвращающего засорение отверстий сит, особенно размером меньше 15...20 мм.

В практике проведения технологических расчетов грохочения наиболее широко используется метод удельной производительности. Его основа: имеющаяся база данных по удельной производительности сит площадью 1 м² при базовых условиях грохочения. Реальные условия грохочения оценивают с помощью ряда поправочных коэффициентов, учитывающих форму отверстий сит и зерен материала, его гранулометрический состав, влажность, скорость подачи, а в ряде случаев и тип колебаний грохота. Подбор размеров отверстий сит производят по заданной эффективности грохочения и (или) содержанию расчетного класса в подрешетном и надрешетном продуктах.

Трудность сортировки раздробленного продукта на фракции определяется:

- степенью крупности (категорией) сортируемой смеси, устанав­ливаемой в зависимости от значения ее средневзвешенного диаметра: мелкой при d_ср-вз < 40 мм и крупной при d_ср-вз> 40 мм;

- степенью сортировки, устанавливаемой в зависимости от содержания массы кусков (зерен) нижнего класса в исходящем материале (засорении верхнего класса): легкосортируемые - m₀ > 60%; трудпосортируемые - m₀ < 40%.

Засорение верхнего класса происходи в основном за счет так на­зываемых трудных зерен, размером близким к отверстию в просеивающей поверхности: d_тр.гр ≈ (0,75÷1,0)а. По этому рациональному выбору размеров отверстий и их формы (круглой пли квадратной) придается важное значение. При этом засоренность верхнего и нижнего классов обычно составляет до 5%. ВНИИ Стройдормашем определены оптимальные размеры отверстий сита а к граничному размеру фракций d_гр.

Достоверность расчетов указанным методом оценивают как приближенную.

7.5. Основы теории рабочих процессов виброгрохочения

Процесс разделения материалов по крупности происходит при их вибрационном перемещении по просеивающей поверхности короба, являющегося органом грохота. Ограниченное время нахождения материала на просеивающей поверхности (время просева) исключает полное просеивание кусков материала с размерами, меньшими размера ячеек.

Основным показателем, характеризующим качество разделения, является его эффективность Е по низшему классу – отношение массы этого класса в подрешетном продукте m к его массе в исходном материале m₀:

где m - масса зёрен низшего класса, оставшихся па сите.

В зависимости от материала и типа грохота Е = 86% - 91%.

Эффективность процесса существенно зависит от продолжительности грохочения t. Наиболее быстрое нарастание Е происходит в начальной стадии процесса (0-15 с), в дальнейшем оно становится более умеренным (15 – 60) в итоге стабилизируется (рис.7.14).

Такой характер протекания процесса E(t) объясняется тем, что в начальной стадии грохочения сквозь сита проходят легкогрохотимые зёрна с размерами d ≈ до 0,75ℓ (где ℓ - размер отверстии сита), вероятность прохождения которых достаточна высока.

Рис. 7.14. Зависимость эффективности грохочения от:

а) времени; б) от удельного (к размеру отверстия) размеру зёрен

С течением времени таких зёрен становится меньше. Зёрна с размером d ≈ до 0,75ℓ / ℓ, называемые трудногрохотимыми, требуют для просева значительно больше времени.

Эффективность грохочения зависит от производительности грохота по загрузке, определяющей начальную высоту потока материала на сите h₀. Поясним это. Процесс грохочения состоит из двух одновременно реализуемых фаз (этапов): перемещения зёрен к просеивающей поверхности и непосредственного прохождения сквозь её отверстия. Время реализации первой фазы зависит от первоначального расположения зёрен в толще потока, а второй фазы определяется относительной (к размеру отверстия) величиной зёрен.

При значительной высоте потока h к концу процесса грохочения, определяемому временем L/V (L - длина просеивающей поверхности, V ≈ const - скорость перемещения материала вдоль её поверхности), может возникнуть ситуация, когда не все зёрна материала размером менее отверстия просеивающей поверхности достигнут её, т.е. останутся в надрешетном (верхнем) классе. А это значит, что эффективность грохочения будет невысокой. Поэтому стремятся к выбору такой производительности по загрузке, при которой реализуется максимальная эффективность грохочения. Такая производительность называется оптимальной.

Рассмотрим упрощенную математическую модель процесса грохочения.

В процессе грохочения масса зёрен низшего класса, расположенных на сите, уменьшается. Допустим, что скорость просеивания dm/dt, отражающая массу зёрен, проходящих через сито за малый промежуток времени, пропорциональна массе зёрен нижнего класса (мельче размера отверстия сита), расположенных на сите к началу указанного временного отрезка. В этом случае

где k₀ - коэффициент пропорциональности. Знак минус отражает убывание скорости просеивания.

Интегрируя (7.20) при начальных условиях (t=0_m=m₀, получим:

где m₀- масса зёрен нижнего класса в исходном материале.

С учетом этого выражения эффективность процесса грохочении (7.19) может быть представлена как:

Полученное выражение устанавливает аналитическую связь, эффективности процесса грохочения от продолжительности рассева t.

Для практических целей используют зависимость Е(t) той же структуры, в которую входят эмпирические параметры грохотимости материала k и n:

или при постоянной скорости перемещения материала вдоль сита и при длине сита L

Это выражение называют формулой кинетики грохочения.

Обычно уравнение кинетики строят в координатах lglg[1-E]; lgt на основании выражения, получаемого после двойного логарифмирования (7.23), где оно представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом n. Следует иметь в виду, что эффективность грохочения, определяемая по (7.24) является усредненной по классам, в виду неравномерности прохождения сквозь сито различных классов крупности. Так, для легкопроходимых классов эффективность грохочения будет выше, а для труднопроходимых - ниже.

Фракционная эффективность грохочения описывается сепарационной характеристикой (кривой извлечения узких классов), которая зависит от скорости просеивания низших классов и от времени грохочения.

Она позволяет связать производительность грохота со скоростью просеивания материала и заданным извлечением его в подрешетный продукт.

7.6. Дробильно-сортировочные комплексы (установки)

Они представляют собой технологические комплексы дробильно-сортировочного оборудования, дополненные приемными устройствами для материала, дозирующим и транспортирующим оборудованием. Выпускаются в стационарном и передвижном исполнениях.

Передвижные дробильно-сортировочные установки (ПДСУ) представляют собой комплекты дробильного, сортировочного и транспортирующего оборудования, установленного на самоходных гусеничных или пневмоколесных шасси или на прицепных платформах с пневмоколесным движителем.

В последнем случае в качестве источника питания рабочего оборудования используют передвижные дизель-генераторные станции. Степень агрегатирования шасси указанными видами рабочего оборудования различна и зависит от производительности ПДСУ.

ВПДСУ малой производительности (до 12 м³/ч) все указанные виды рабочего оборудования монтируют (размещают) в необходимой технологической последовательности на одном шасси.

Дробление в таких установках производят по одностадийной схеме в замкнутом цикле.

ПДСУ большой производительности (более 50 м³/ч) комплектуют из специализированных агрегатов дробления, сортировки и конвейерных систем, что, в виду их значительного разнообразия, значительно расширяет их технологические возможности по характеристикам материала, условиям и требованиям к готовому продукту.

Агрегаты крупного и мелкого дробления обеспечивают обычно одностадийное дробление в открытом цикле, а мелкие дробления и сортировки – в замкнутом.

ПДСУ средней производительности (до 50 м³/ч) занимают промежуточное положение между двумя отмеченными типами ПДСУ.

Рис. 7.15 Общий вид передвижной дробильно - сортировочной установки

На рис. 7.15 показан общий вид ПДСУ и ее основные узлы и агрегаты. Привод агрегатов – от электродвигателей, питание которых осуществляют от автономной дизель-генераторной электростанции. Для управления используют выносные пульты.

Развитие технологии переработки строительных отходов привело к созданию для этих целей ПДСУ на базе модифицированного дробильного и сортировочного оборудования.

Особенностями исходных материалов (лома) является значительное количество арматуры в ломе железобетонных конструкций, разнопрочные куски каменного материала (графит, известняк, кирпич, гипс и другие).

При формировании оборудования перерабатывающих ПДСУ уделяют внимание вопросам сортировки исходных материалов при их загрузке. Для этого на загрузочных конвейерах устанавливают магнитные сепараторы, отделители мелких и чуждых дроблению фракций различного конструктивного исполнения.

Наиболее широкое применение в таких установках нашли щековые и ударные дробилки (рис. 7.16). В установках с использованием щековых дробилок при переработке строительного лома получают примерно по 30% щебня фракций 0 – 10 мм и 40 – 100 мм, 40% фракций 10 – 100 мм. В установках с ударными дробилками выход фракций 0 – 10 мм составляет до 45%; 10 – 40 мм – до 35%, остальные 20 – 25% приходится на фракции размером до 100 мм.

Рис. 7.16. Схемы ПДСУ:

а) с роторной дробилкой; б) со щековой дробилкой

1 – загрузочный бункер, 2 – грохот предварительного грохочения,

3 – дробилка, 4 – вибрационный разгрузочный желоб и конвейер,

5 – самоходное гусеничное шасси, 6 – силовое оборудование,

7 – электрооборудование, 8 – магнитный сепаратор, 9 – грохот

вторичного грохочения

Различие в суммарной производительности и производительности по отдельным фракциям продукта, качестве основных фракций, стоимости разных фракций, энергозатратах на дробление в щековых и молотковых дробилках и существенные различия в составе и характеристиках исходного лома требуют в каждом конкретном случае проведения технико-экономического анализа при выборе оборудования таких установок.

Сформулируем основные подходы к выбору оборудования ПДСУ для переработки горных пород, работающих в цикле двухступенчатого дробления.

7.7. Пример подбора оборудования дробильно-сортировочных установок замкнутого цикла