Машины для дробления каменных материалов

В строительстве ежегодно потребляется большое количество каменных материалов: щебня, гравия и песка. Большая часть этих материалов используется на приготовление бетона. Добыча песка и гравия производится в естественных отложениях механическим или гидравлическим способом, а щебня из естественного камня путем дробления взорванных скальных пород. Добываемые каменные материалы перерабатываются на камнедробильных и промывочно-сортировочных заводах, а затем в виде готового продукта стандартного качества доставляются потребителю.

Качество щебня характеризуется зерновым составом, формой зерен, механической прочностью и содержанием вредных примесей.

В зависимости от крупности зерен щебень разделяют на фракции 5...10; 10...20; 20...40 и 40...70 мм. Кроме того, для дорожного строительства допускаются фракции 3...10; 10...15; 15...20 мм и для балластного слоя железнодорожного пути 25...50 мм. Для массивных бетонных сооружений верхний предел крупности может достигать 120...150 мм. По форме зерен их классифицируют на лещадные, у которых ширина в три раза и более меньше длины, и кубо-образные. Действующие ГОСТы не допускают содержание в щебне и гравии зерен лещадной формы более 15 %. Щебень из гравия получают дроблением гравия и валунов. Требования к щебню, полученному из гравия, в основном такие же, как к щебню, полученному из взорванных каменных пород. Механическая прочность щебня определяется прочностью горных пород, из которых он получен. Различают породы малой прочности 30...80 МПа, средней — 80... 150 и высокой — более 150 МПа.

Пески по степени крупности разделяют по модулю крупности и другим показателям на крупные, средние и мелкие. В процессе переработки нерудных материалов для освобождения песка и в отдельных случаях щебня от глинистых и других вредных частиц применяют промывку и обезвоживание. Обезвоживание производят для снижения влажности до уровня, допускающего его транспортирование, и предотвращения смерзания в зимнее время.

Дробление каменных материалов осуществляется приложением статических и динамических нагрузок. Материалы измельчают раздавливанием, разрушением ударом, истиранием, раскалыванием, а также разрушением взрывом. Во многих случаях дробление происходит при одновременном действии раздавливания и истирания.

Степенью дробления называют отношение размера наиболее крупных, загружаемых в дробилку камней к размеру максимальных зерен в продукте дробления: I = D_max/d_max

Дробление разделяют на крупное (D_max = 1200...1500 мм, d_max =100...300 мм), среднее (D_max = 100...300 мм, d_max = 30... 100 мм), мелкое (D_max = 30...100 mm, d_max = = 5...30 мм) и тонкое (помол). Дробление пород высокой и средней прочности осуществляют раздавливанием, раскалыванием и ударом; помол — истиранием и ударом.

В зависимости от степени измельчения материалов дробильные машины разделяют на дробилки и мельницы. Некоторые машины могут работать как дробилки и как мельницы (например, валковые дробилки, бегуны). По принципу действия и конструктивным признакам дробилки делят на щековые, конусные, валковые, молотковые и роторные дробилки; мельницы — на барабанные, шаровые, бегунковые и вибрационные. Различные типы дробилок позволяют получить определенную, присущую данной конструкции, степень дробления: щековые — 2...8; валковые — 1,5...10; конусные — 3...8; молотковые — 5...30; мельницы — 10...20.

Выбор типа дробильного оборудования осуществляют в зависимости от максимальной крупности кусков исходного материала, его прочности, необходимой степени дробления и требуемой производительности.

Дробление материалов ведут в одну или несколько стадий. Преимущественное распространение получило стадийное дробление, при котором материал дробят в 2...3 приема на дробилках разных типов. Уже на каждой стадии дробления получают материал с требуемыми размерами кусков. Такие куски отсеиваются на грохоте, установленном перед дробилками разных стадий. Дробилки последних стадий работают, как правило, в замкнутом цикле с виброгрохотом, при этом материал крупнее заданного размера возвращается в ту же дробилку для повторного дробления (рис. 1).

Рис. 1. Типовая схема дробильно-сортировочной установки:   1 – вагонетка; 2 – пластинчатый конвейер; 3 – колосниковый грохот; 4 – щековая дробилка; 5 – виброгрохот; 6 – валковая дробилка; 7 – виброгрохот; 8 – бункер для песка и пыли; 9 – расходный бункер; 10 – склады товарного щебня

При одностадийном дроблении получаемые мелкие зерна заполняют промежутки между крупными и защищают их от непосредственного воздействия дробящих органов машины, что сопровождается дополнительным измельчением материала и расходом энергии.

Основными показателями работы дробилок являются: максимальная крупность дробления, степень измельчения, удельный расход энергии (кВт · ч/м³), производительность (м³/ч или т/ч).

Щековые дробилки. Их применяют для крупного и среднего дробления прочных и средней прочности пород на первичной и вторичной стадии дробления. По характеру движения подвижной щеки щековые дробилки разделяют на дробилки с простым и сложным качанием щеки.

Дробилка с простым качанием щеки (рис. 2, а, б) состоит:

	Рис. 2. Щековая дробилка с простым качани­ем щеки:   а — конструктивная схема; б — кинематическая схема; в — схема прохождения материала через разгрузочную щель; г — схема для определения производи­тельности щековой дробилки

из сварного корпуса 1, в котором в подшипниках установлен эксцентриковый вал 7 с подвешенным к нему шатуном 8. Нижний конец шатуна имеет специальные гнезда, в которых свободно вставлены концы распорных плит 12 и 13. Противоположный конец распорной плиты 13 вставлен в гнездо подвижной щеки 3, подвешенной на оси 5. Конец плиты 12 упирается в клиновой упор регулировочного устройства 9. Тяга 11 и пружина 10 обеспечивают обратное движение подвижной щеки и удерживают от выпадения распорные плиты. К неподвижной 2 и подвижной щекам крепятся дробящие плиты 4 с вертикальным рифлением, являющиеся основными рабочими органами щековых дробилок. Рабочие поверхности дробящих плит и боковые стенки корпуса дробилки образуют камеру дробления. Дробящие плиты устанавливают так, чтобы выступы одной располагались против впадин другой (рис. 2, в). Привод дробилки состоит из электродвигателя и многорядной клиноременной передачи с массивным шкивом-м­ховиком 6.

Для обеспечения пуска дробилок, а также пуска дробилок под завалом в последних конструкциях дробилок применен вспомогательный привод (рис 3).

Рис. 3. Схема вспомогательного привода

Он состоит из электродвигателя меньшей мощности 4, зубчатого редуктора 3 с большим передаточным числом, обгонной муфты 2, соединенной с валом главного электродвигателя 1. Трогание с места осуществляется вспомогательным приводом. После этого включается главный двигатель, а вспомогательный привод автоматически отключается.

Режим работы дробилки изменяется регулировкой выходной щели с помощью клинового или иной конструкции регулировочного устройства. Выходную щель замеряют между вершиной и впадиной дробящих плит в момент наибольшего удаления подвижной щеки. Ширина разгрузочной щели составляет 40...120 мм для дробилок среднего дробления и 100... 250 мм для крупного дробления. При вращении эксцентрикового вала подвижная щека проводится в качательное, подобно маятнику, движение. За один оборот эксцентрикового вала подвижная щека, приближаясь к неподвижной, совершает рабочий ход (дробление) и холостой ход, при котором продукт дробления выпадает через разгрузочную щель. Для щековых дробилок с простым качанием щеки наиболее характерным видом разрушения материала является раздавливание, раскалывание и излом. Поэтому их применяют для крупного и среднего дробления высокопрочных.пород на первичной стадии дробления.

Дробилка со сложным качанием щеки (рис. 4)

Рис. 4. Кинематическая схема щековой дробилки со сложным качанием щеки: (а), ее конструктивная схема (б)

по конструкции проще, чем с простым качанием, и имеет меньшую массу. В ней отсутствует шатун, а подвижная щека 1 подвешена непосредственно к эксцентриковому валу 2, в результате чего точки подвижной щеки движутся по эллиптическим траекториям с минимальной разностью осей эллипса вверху и максимальной внизу. Дробление материала происходит в результате раздавливания, раскалывания, излома и истирания материала. Дробилки со сложным качанием щеки применяют для среднего и мелкого дробления пород средней крепости. Сложное движение подвижной щеки приводит к более интенсивному износу дробящих плит и более частой их замене.

Недостатками щековых дробилок являются цикличный характер их работы и вы­сокая энергоемкость процесса разрушения. Удельная мощность [кВт/(м³/ч)] при минимальной ширине разгрузочной щели достигает у дробилок с простым качанием 1,2...4,6 и со сложным качанием щеки — 0,9...4,6.

Типоразмер щековой дробилки определяется размером ширины В и длины L загрузочного зева дробилки. Величина В характеризует максимальную крупность кусков, загружаемых в дробилку (D_max = 0,85 В), а величина L определяет в основном ее производительность. Отечественные щековые дробилки выпускаются следующих типоразмеров: 400х600; 600х900; 900х1200; 1200х1500; 1500х2100; 2100х2500 мм, производительностью до 800 м³/ч.

Техническая производительность щековых дробилок (м³/ч) П_т = 60Vnr_p, где V — объем материала, выпадающий из зева дробилки за один оборот эксцентрикового вала, м³ (рис. 2, г); ;n — число качаний подвижной щеки в минуту; R _р = 0,3...0,7 — коэффициент, учитывающий разрыхление дробимого материала.

Необходимо, чтобы раздробленный материал за один двойной ход щеки успел высыпаться из разгрузочной щели, т. е. 60/(2n) = , откуда число качаний щеки
n = 665 . Так как свободного падения не происходит, то n = (600... 635) , где l — ход подвижной щеки, м; a — угол захвата, он зависит от коэффициента трения материала о щеки и составляет 19...23°; S = a + l — ширина разгрузочной щели, м (см. рис.2, г); a — размер при сближенном положении щек, м; l — длина загрузочного зева дробилки, м.

Конусные дробилки применяют для дробления пород с прочностью s_сж до 300 МПа с высокой степенью абразивности. В таких дробилках материал раздавливается в камере дробления рабочим конусом, совершающим пространственное качание внутри неподвижного конуса (рис. 5, а, б).

Рис. 4. Конусная дробилка: а) крупного дробления; б) средного и мелкого дробления; в) профили камер дробления конусных, в) размер выходной щели

В каждый момент одна из образующих дробящего конуса оказывается наиболее приближенной к внутренней поверхности неподвижного конуса, а противоположная ей образующая — наиболее удаленной. Таким образом, в любой момент поверхности дробящих конусов, сближаясь, производят дробление материала, а в зоне удаления этих поверхностей ранее раздробленный материал под действием собственной массы разгружается через кольцеобразную выпускную щель.

Процесс дробления в конусных дробилках, в отличие от щековых, происходит непрерывно при последовательном перемещении зоны дробления по окружности конусов, что способствует более равномерной нагрузке механизма и двигателя дробилки. Размер наибольших кусков, которые могут быть загружены в дробилку, определяется радиальной шириной загрузочного отверстия. Характеристика крупности дробления и производительность дробилки зависят от радиальной ширины разгрузочного отверстия.

Различают конусные дробилки для крупного, среднего и мелкого дробления. Они отличаются между собой способом установки и углами конусности дробящих конусов.

В конусных дробилках для крупного дробления (рис. 5, а) измельчение материала производится в кольцевом рабочем пространстве, образованном двумя конусами: неподвижным 2 и подвижным — дробящим 7. Первый закреплен к основанию дробилки 1. Дробящий конус плотно насажен на вал 6, верхний конец которого шарнирно с помощью подвесного подшипника 4 крепится к траверсе 5, а нижний — свободно входит в стакан-эксцентрик 11. Последний может вращаться в вертикальном подшипнике 12 станины дробилки. Вращение стакану-эксцентрику передается от электродвигателя через горизонтальный вал 9 и коническую передачу- 10. Дробящие конусы бронированы плитами 3 и 8 из износостойкой стали. Геометрические оси подвижного и неподвижного конусов образуют угол до 2...3⁰. При вращении эксцентрикового стакана геометрическая ось подвижного конуса описывает коническую поверхность с вершиной в точке подвеса вала, а сам конус совершает круговые качания внутри неподвижного. Дробление материала происходит в зоне, где поверхности конусов сближаются, а разгрузка – там, где эти поверхности расходятся.

Максимальная крупность кусков, загруженных в дробилку при В = 900, 1200 и 1500 мм, составляет соответственно 750, 1000 и 1200 мм, а ширина разгрузочной щели — 125...225 мм.

Конусные дробилки для среднего и мелкого дробления (рис. 5, б) значительно отличаются от дробилок для крупного дробления прежде всего очертанием профиля рабочего пространства. Подвижный дробящий конус 7 имеет угол при вершине 80...100° «пологий конус», у дробилок крупного дробления этот угол составляет 20...30° («крутой конус»). Неподвижный дробящий конус 3 также расширяется книзу, образуя с подвижным «параллельную зону» (рис. 5, в), при движении по которой материал подвергается неоднократному сжатию и дроблению до размера, равного выходной щели. Поэтому крупность продукта дробления определяется шириной закрытой, а не открытой, как у дробилок крупного дробления, разгрузочной щели. Камеры дробления этих дробилок принимают меньшие по размеру куски и выдают более мелкий продукт. Наибольший размер загружаемого куска в дробилки среднего дробления 60...300 мм при размере разгрузочного отверстия 12...60 мм; у дробилок мелкого дробления соответственно 8...170 мм при размере раз­грузочного отверстия 5...20 мм.

В таких дробилках иначе выполнена опора дробящего конуса. Вал 6 (рис. 5. б), на котором насажен дробящий конус, выполнен консольным, не имеющим верхней опоры. Если у дробилок для крупного дробления дробящий конус шарнирно подвешен к траверсе, то у дробилок для среднего и мелкого дробления опора дробящего конуса расположена в центре его качания и выполнена в виде сферического подпятника 13 большого радиуса, воспринимающего как массу конуса и вала, так и усилия дробления. Нижний конец вала вставлен в эксцентриковую втулку 11, размещенную в стакане, представляющим одно целое со станиной дробилки. Эксцентриковая втулка получает вращение от электродвигателя через горизонтальный вал и коническую передачу. Материал поступает на диск-питатель 14 и равномерно распределяется по всему загрузочному отверстию.

Дробилки для среднего и мелкого дробления более быстроходны. Число качаний дробящего конуса в минуту — 215...350, у конусных дробилок крупного дробления — всего 80... 170.

Техническая производительность конусных дробилок (м³/ч) П_т=qb, где q — производительность, приходящаяся на 1 мм выходной щели, м³/ч; для дробилок среднего дробления q = 0,54 D²n, для мелкого дробления q= l,32 D²n; D — диаметр основания подвижного конуса, м; п — частота круговых качаний, с^-1; b —ширина выходной щели, мм.

Преимуществами конусных дробилок являются непрерывность их работы и отсутствие холостого хода. Энергоемкость дробления зависит от прочности продукта дробления и степени дробления. При дроблении известняков прочностью 60...80 МПа в дробилках крупного дробления и размере исходных кусков 300...1500 мм при ширине выходной щели 50...200 мм энергоемкость дробления составляет 0,27...0,75 кВт-ч/т.

Валковые дробилки. Рабочими органами валковой дробилки (рис. 6)

	Рис. 6. Валковые дробилка: а) Конструкция; б) Схема дробилки.

являются два параллельных цилиндрических валка 2 и 4, вращающиеся навстречу один другому. Попадающий в рабочую зону кусок материала увлекается трением о поверхность валков и затягивается в рабочее пространство, где подвергается дроблению в результате раскалывания, излома и истирания. Поверхности валков изготовляют гладкими и рифлеными. Валки монтируются на станине 1 в подшипниках 3 и 6. Подшипники одного либо двух валков имеют пружинные опоры 5, которые могут перемещаться в направляющих при попадании в дробилку не дробимого предмета. Вращение валка сообщается от электродвигателя через клиноременную передачу с частотой 75...190 мин^-1.

Наибольший размер куска материала, загружаемого в дробилку, зависит от угла захвата, определяемого диаметром валков и коэффициентом трения о металлическую поверхность валков. Для возможности захвата гладкими валками исходного продукта в зоне дробления необходимо, чтобы угол захвата валков не превышал угол трения материала о поверхность валков. Максимальный размер кусков зависит от диаметра валков и размера разгрузочной щели. Для выполнения этих условий диаметр гладкого валка в 20 раз должен превосходить размер камня, а при рифленых поверхностях валков — в 12 раз. Поэтому валковые дробилки применяют только для вторичного дробления пород средней и малой прочности, а также для измельчения вязких и влажных материалов. Степень измельчения— 4...12. Типоразмер дробилки характеризуют диаметром и длиной валков. Производительность валковых дробилок (М³/Ч)
П_T = 3600 aL s R, где а — ширина разгрузочной щели, м; L — длина валка, м; s — окружная скорость, м/с; R— коэффициент, учитывающий использование длины валков, степень разрыхления материала, неравномерность подачи; R = 0,1...0,3 для мягких и R = 0,4... 0,5 для твердых пород.

Роторные и молотковые дробилки. Роторные дробилки применяют для дробления известняка, доломита, руд, мрамора и других подобных им материалов, обладающих малой абразивностью. Их выпускают двух типов: для крупного дробления, которые используют на первичной стадии дробления; для среднего и мелкого дробления, используемые на заключительных стадиях дробления. Работа таких дробилок основана на принципе разрушения пород ударными нагрузками. Роторные дробилки обеспечивают получение щебня высокого качества, преимущественно кубообразной формы, с одновременным обогащением продукта дробления, так как более слабые составляющие пород подвергаются значительному измельчению и отсеиванию от основных фракций.

Роторная дробилка представляет собой коробчатый корпус 3, в котором размещены вращающийся с большой скоростью ротор 1 с жестко закрепленными на его внешней поверхности билами 2 (рис. 7.).

Рис. 7. Роторная дробилка.

Вращение ротору сообщается от электродвигателя через клиноременную передачу. Внутри корпуса подвешены отражательные плиты 4 и 7, нижняя часть которых опирается на пружинно-регулировочное устройство 5 и 6, позволяющее регулировать ширину выходной щели, а также пропускать не дробимое тело при его попадании в камеру дробления. Дробление материала осуществляется в результате удара по нему бил и удара кусков об отражательные плиты, чем достигается высокая (10...20) степень дробления. В сравнении с другими типами дробилок роторные дробилки имеют меньшую металлоемкость, небольшие габариты, что в сочетании с высокой степенью дробления обусловило применение их в передвижных дробильных установках. Размер наибольшего куска, загружаемого в дробилки крупного дробления, 800...1000 мм, среднего — 400...600 мм при окружной скорости 20...35 м/с.

Для дробления пород средней прочности, а также мягких материалов, таких, как шлак, гипс, мел, глины, применяют молотковые дробилки.

Молотковая дробилка (рис. 8) состоит из сварного корпуса 1, в котором

Рис. 8 Молотковая дробилка

установлены ротор 2, отбойная плита 4, поворотная 5 и выдвижная колосниковая решетки 6. Ротор состоит из одного или нескольких дисков, закрепленных на общем приводном валу. Дробление материала осуществляется под действием удара по нему молотков 3 массой 15...20 кг, шарнирно закрепленных к дискам вращающегося ротора, и соударения кусков с плитами и колосниковыми решетками. Положение колосниковых решеток и отбойной плиты — регулируемое. Рабочий зазор между внутренней поверхностью колосниковой решетки и ротором выбирают в зависимости от крупности продукта дробления. При крупном дроблении обычно он в полтора — два раза больше поперечника максимальных кусков продукта дробления, а при мелком — в три — пять раз. Размер наибольшего куска материала, загружаемого в молотковые дробилки,— 75...600 мм при окружной скорости молотков 60 м/с. При вращении ротора молотки под действием центробежных сил занимают направление по линии, соединяющей ось вращения ротора с осью вращения молотка. При ударе молотки поворачиваются вокруг своей оси в направлении, противоположном вращению ротора. Шарнирное крепление молотков у молотковых дробилок существенно отличает их от роторных с жестко закрепленными билами. Недостатком молотковых дробилок является быстрый износ молотков и колосниковых решеток. Они также не могут быть рекомендованы для измельчения слишком вязких (глинистых) влажных материалов, которые забивают колосниковую решетку.