Механический процесс разрушения или измельчения кусков каменной породы называется дроблением и производится при помощи дробильных машин — камнедробилок.
Дробление осуществляется методами раздавливания (сжатия), раскалывания и истирания. В дробильных машинах применяют различные сочетания этих способов с учетом физико-механических свойств дробимой породы и крупности дробления. Крупные куски обычно дробят методом сжатия; куоки средней величины, а также мелкие — методом удара или сжатия с ударом. Проводятся исследовательские работы по применению для дробления вибрации, ультразвуковых колебаний, а также взрывного и электрогидравлического эффектов.
Материал, поступающий в дробилку, называют исходным материалом или продуктом питания. Раздробленный материал, выходящий из дробилки, называется продуктом дробления или готовым продуктом.
Различают крупное, среднее, мелкое и тонкое дробление. Крупным дроблением называется измельчение на куски размером 70—300 мм; средним дроблением—на куски 20—70 мм; мелким — на куски 1—20 мм и тонким (помол)—до размеров в долях миллиметра.
Дробление ведется в несколько приемов (стадий) с постепенным уменьшением размеров кусков. Различают дробление одно-стадийное, двухстадийное и т. д.
В соответствии с этим дробильные машины условно подразделяют «а дробилки крупного (первичного) дробления, среднего (вторичного) и мелкого дробления.
Щековые дробилки
Процесс дробления материала в щековых дробилках осуществляется между двумя дробящими плитами, прикрепленными к неподвижной и качающейся щекам дробилки. Разрушение дробимого материала происходит при периодическом нажатиигна него качающейся щеки.
Щековые дробилки по принципу действия делят на дробилки с простым, сложным и комбинированным движением подвижной щеки. Первые дробят материал в основном методом сжатия и частично за счет изгиба; их применяют главным образом для первичного, крупного дробления. Дробилки со сложным движением щеки дробят материал методом сжатия в сочетании с истиранием и скалыванием; их применяют преимущественно для среднего и мелкого дробления.
Первая щековая дробилка была изобретена в начале второй половины прошлого столетия. Принципиальная схема, известная под названием двухрычажной дробилки с простым движением щеки, применяется при конструировании щековых дробилок и до настоящего времени. Широкое распространение щековых дробилок такого типа объясняется простотой их конструкции и высокой надежностью в работе.
Подвижная щека и передняя стенка станины образуют камеру дробления. Расстояние между дробящими плитами в нижней части камеры дробления называется выходной (разгрузочной) щелью; ширина ее регулируется специальным регулирующим механизмом во всех дробилках, кроме крупных, где этого не требуется по условиям дробления. Качание подвижной щеки осуществляется при помощи шарнирно-рычажного механизма, состоящего из эксцентрикового вала 6, шатуна и двух распорных плит. По концам эксцентрикового вала смонтированы маховики, один из которых служит ведущим шкивом. Боковые стенки станины дробилки футеруются в рабочей зоне стальными плитами в виде клиньев.
Поддержание элементов системы в положении, необходимом для обеспечения заданной кинематики движения всех элементов дробилки, обеспечивается тягой и пружиной.
В кинематическую цепь привода дробилки входят две муфты, включаемые и выключаемые при помощи гидропривода. Жидкость в муфты подается по трубкам. При попадании в дробилку недробимых предметов происходит проскальзывание муфт, и детали дробилки таким образом предохраняются от поломки. Кроме того, фрикционные муфты дают возможность пускать дробилку с поочередным включением движущихся масс — шкива, подвижной щеки и маховика.
В дробилках предусмотрена жидкая циркуляционная смазка для коренных подшипников главного вала и шатуна.
При холостом ходе щеки часть энергии расходуется на преодоление вредных сопротивлений, а избыточная часть поглощается маховиками, т. е. превращается в кинетическую энергию. При рабочем ходе маховики отдают эту накопленную энергию, помогая двигателю преодолевать сопротивление камня дроблению.
Экспериментальные исследования показали, что разрушение камня в щековой дробилке происходит главным образом в результате растягивающих напряжений, возникающих при действии на камень двух сосредоточенных нагрузок.
Основные параметры щековых дробилок — ширина и длина загрузочного отверстия. Первый из них ограничивает наибольший размер загружаемого камня (он не должен превышать 0,9 ширины отверстия), второй в значительной мере определяет производительность дробилки.
Ширина разгрузочного отверстия (при наибольшем удалении подвижной щеки от неподвижной) определяет в основном зерновой состав готового -продукта. Для предварительных расчетов пользуются графиками, составленными на основе экспериментальных данных. По оси ординат графика откладываются размеры кусков готового продукта, по оси абсцисс — их процентное содержание. Каждый из лучей на графике соответствует определенной ширине загрузочного отверстия.
Дробящие плиты изготовляют из износоустойчивого материала — литой марганцовистой стали с содержанием марганца до 10—16%. Рабочая поверхность дробящих плит имеет вертикальное рифление; противолежащие плиты расположены в дробилке так, чтобы выступы рифления одной плиты приходились против впадин другой. Благодаря этому разрушение камня происходит в значительной мере под действием изгиба, которому горные породы сопротивляются слабо. В поперечном сечении рифли имеют вид треугольника со скругленной вершиной.
Дробящие плиты обычно симметричны относительно гори-зойтальной оси; это позволяет переставлять плиту нижней, более быстро изнашивающейся частью вверх. Изношенные дробящие плиты восстанавливают наплавкой твердыми сплавами.
Распорные плиты в дробилках малого и среднего размера предупреждают опасные перенапряжения и поломку дорогих деталей при случайном попадании недробимых тел.
Тяга с оттяжной пружиной обеспечивает требуемый для открытия разгрузочного отверстия отход подвижной щеки и вместе с тем стягивает всю систему шарниров, подвижной щеки и распорных плит с регулировочным механизмом и задней стенкой, предотвращая выпадение распорной плиты.
Главный вал преобразует вращательное движение в качание шатуна (у дробилок с простым качанием) или подвижной щеки (у дробилок со сложным качанием). Вал испытывает значительные ударные нагрузки; он выполняется из легированной стали (обычно хромоникелевой) и подвергается термической обработке.
Станины дробилок выполняют цельными (стального или чугунного литья), сборными на болтах или сварными.
Шарнирно-рычажный механизм, положенный в основу конструкции щековых дробилок, чрезвычайно выгоден в механическом отношении, так как дает возможность получить огромные раздавливающие силы (в крупных дробилках свыше 1000 тс), превосходящие во много раз окружные усилия на главном валу дробилки.
Дробилки с простым движением щеки имеют небольшую вертикальную составляющую хода сжатия, поэтому дробящие плиты у них служат в 4—5 раз дольше, чем у дробилок со сложным движением, где величина этого хода значительно больше. В этом заключается преимущество кинематической схемы дробилок с простым движением щеки. Другим достоинством этих дробилок является обеспечение большого выигрыша в силе верхней части зева, что очень важно при дроблении кусков горной массы больших размеров и высокой прочности.
Недостатком такого типа дробилок является малая величина хода сжатия в верхней части загрузочного отверстия, между тем как ход сжатия должен быть тем больше, чем крупнее кусок дробимого материала. В дробилках с простым движением щеки усилие, действующее по распорным плитам, примерно в 15 раз больше, чем усилие по шатуну, вследствие чего создаются невыгодные условия надежного захвата и дробления материала в верхней части загрузочного отверстия.
Дробилки со сложным движением щеки конструктивно проще дробилок с простым движением щеки; кроме того, они имеют меньшие габариты и менее металлоемки. Однако вследствие большой вертикальной составляющей хода в нижней части зева этих дробилок происходит интенсивное истирание камня, что при дроблении прочного и абразивного материала приводит к более интенсивному износу дробящих плит.
В СССР типажем на щековые дробилки с простым движением щеки предусмотрены следующие типоразмеры: 400 X 600, 600 X 900, 900 X 1200, 1200 X 1500, 1500 X 2100 и 2100 X 2500 мм.
Пределом для дробилок со сложным движением щеки принято считать размер зева 1000 X 1200 мм. Однако имеются дробилки с размером зева 1400 X 1800 мм (Швеция).
Типажем на щековые дробилки со сложным движением щеки предусмотрены следующие типоразмеры: 160 X 250, 250 X 400, 400 X 600, 600 X 900, 900 X 1200, 1200 X 1500 мм.
За последнее время появились различные конструкции дробилок с двумя; подвижными щеками, каждая из которых имеет сложное движение. Эти дробилки сочетают преимущества обычных дробилок со сложным движением щеки—компактность и высокую производительность — с основным достоинством дробилок с простым движением — малой степенью износа дробящих плит. Удельная производительность их выше, чем у обычных дробилок со сложным движением щеки, а металлоемкость ниже.
Эти усовершенствования предусматривают увеличение глубины, камеры дробления, замену прямолинейных дробящих плит плитами криволинейными с безболтовым их креплением, регулирование и поддержание в заданных пределах разгрузочной щели, применение на главном эксцентриковом валу подшипников качения вместо подшипников скольжения, увеличение числа качаний щеки и повышение жесткости станин, а также усовершенствование .привода дробилок.
Степень измельчения у щековых дробилок с шарнирно-рычажным механизмом движения подвижной щеки находится в пределах от 4 : 1 до 7: 1. Соотношение между шириной и длиной загрузочного отверстия равно примерно 1,6:1. Относительный износ дробящих плит по весу ориентировочно составляет 50— 100 г ,на 1 т продукта дробления. Удельную производительность современных щековых дробилок можно приближенно принимать в пределах 1,5—2,2 мг\ч на 1 г веса машины и удельный расход мощности — 0,33—1,1 кет (0,45—1,5 л. с.) на 1 м3 часовой производительности при дроблении первичными дробилками мятких пород и 0,75—1,85 кет (1—2,5 л. с.) на 1 м3/ч при дроблении твердых пород.
Производительность и мощность двигателей щековых дробилок. Оптимальная работа щековых дробилок зависит от ряда конструктивных параметров, к числу которых относятся угол захвата (угол между дробящими плитами), геометрическая форма загрузочного отверстия дробилки, величина хода подвижной щеки.
Процесс дробления будет протекать нормально при условии, что дробимый камень при нажатии на него щек дробилки не выталкивается из камеры дробления. Это зависит от величины угла захвата а.
Выбор типоразмера дробилки определяется по требуемой производительности и максимальному размеру загружаемых кусков материала, подлежащих дроблению.
Потребная мощность двигателя дробилки зависит от физико-механических свойств дробимого материала и его объема, формы, размеров кусков и степени измельчения, а также формы, величины и степени изношенности рифлей дробящих плит.
Конусные дробилки
В конусных дробилках дробление камня происходит в пространстве, ограниченном поверхностями усеченных конусов — наружного неподвижного и внутреннего подвижного.
Вращение подвижного конуса осуществляется при помощи специального эксцентрикового подшипника, в котором установлен хвостовик вала подвижного конуса под углом 2—4° к геометрической оси дробилки. Эксцентрик получает вращение от привода дробилки. Образующие конусов при этом периодически сближаются и удаляются друг от друга. При сближении конусов происходит дробление кусков материала за счет раздавливания, отчасти с изгибом и истиранием, а при удалении конусов раздробленный материал погружается под действием собственного веса. Процесс дробления и разгрузка готового продукта происходит непрерывно.
Конусные дробилки в зависимости от назначения и характера процесса дробления подразделяют на дробилки с крутым конусом (с малым углом конусности), предназначаемые для крупного и среднего дробления, и дробилки с пологим конусом для среднего и мелкого дробления.
Основное конструктивное отличие между ними заключается в том, что у дробилок первой группы внешний неподвижный конус расширяется кверху, благодаря чему обеспечивается возможность захвата дробилкой крупных кусков материала. У дробилок второй группы внешний неподвижный конус сужается кверху, так как у них отсутствует необходимость в большом загрузочном отверстии.
Верхняя подвеска вала состоит из кольца и эксцентриковой втулки с конусной внутренней поверхностью. Нижний конец вала дробящего конуса входит в отверстие втулки эксцентрично относительно геометрической оси дробилки. При такой установке вал дробящего конуса описывает коническую поверхность, вершина которой совпадает с точкой подвеса вала на траверсе.
Эксцентриковая втулка вращается в нижнем подшипнике корпуса дробилки, опираясь, кроме того, на подпятник. Вращение передается втулке посредством конической передачи.
Выгрузка дробленого продукта происходит по отводящему лотку или непосредственно вниз. По этому признаку ее называют соответственно боковой или центральной разгрузкой.
Современные конструкции конусных дробилок изготовляют с гидравлическим регулированием выходной щели и гидравлическими амортизаторами. Их оборудуют также автоматической системой отключения двигателя при попадании в нее недробящихся предметов или из-за ее перегрузки. Автоматика обеспечивает также оптическую и акустическую систему наблюдения за работой дробилки.
В последних конструкциях для регулирования размера выходящего из дробилки щебня, а также для предохранения дробилки от поломок при попадании недробимых кусков используется гидравлическая система, нагнетающая масло под нижнюю часть главной оси, которая вместе с дробящим конусом может подниматься или опускаться.
Подвижной конус опирается сферической пятой на подпятник. В конус запрессован вал, входящий своей конусной цапфой в эксцентрическую расточку втулки 6. Втулка эта получает вращение от электродвигателя через коническую передачу. При этом ось дробящего конуса описывает коническую поверхность с углом при вершине 4—5°.
Основной параметр дробилок с пологим дробящим конусом — диаметр основания подвижного конуса. В СССР выпускаются дробилки этого типа с диаметром конуса от 600 до 2100 мм.
Процесс дробления в конусных дробилках по сравнению со щековыми протекает более спокойно; они меньше потребляют энергии и выдают более равномерный по крупности щебень. Их недостатки — большая высота, усложняющая загрузку камня; больший вес и относительно сложная конструкция.
Важное значение в конструкции дробилок имеет система смазки, обеспечивающая, кроме смазки трущихся частей, отвод от них тепла. В дробилках обычно применяют принудительную циркуляционную смазку. Жидкая смазка в подшипники щековых и конусных дробилок подается принудительно, при помощи специальной станции -смазки. Пуск дробилок осуществляется лишь после включения этих станций и установившейся нормальной циркуляции масла. Работа системы централизованной смазки сводится к поддержанию заданного уровня масла в сливной магистрали и температуры масла, поступающего в подшипники.
Степень измельчения у дробилок с крутым конусом составляет от 6: 1 до 20: 1. Удельная производительность составляет примерно от 1 до 3 м3/ч на 1 т веса машины, удельный расход мощности — от 0,37 до 1,6 кет (от 0,5 до 2,2 л. с.) на 1 м3/ч производительности. Примерный износ дробящих плит по весу составляет 20—70 г на 1 г дробленой породы.
У дробилок с пологим конусом степень измельчения достигает 12: 1; удельная производительность — в пределах 2—5 мг/ч на 1 г веса машины; удельный расход мощности — 0,26—0,66 кет (0,35—0,9 л. с.) на 1 мг\ч производительности. Износ дробящих плит по весу составляет примерно 10—15 г на 1 т дробленой породы.
Смещение рабочих валов при установке размера щели между валками достигается передвижением подшипников одного из валков, положение которых фиксируется с одной стороны распорками, а с другой — мощными пружинами с регулируемым натягом. Пружины предохраняют дробилку от поломок, давая возможность расширения щели между валками и пропуска ими недробимого предмета.
Валки применяют гладкие, рифленые или один рифленый, а другой гладкий. При установке рифленых валков в дробилку можно загружать более крупные камни.
Валковые дробилки применяют для мелкого и среднего дробления материалов различной крепости.
Молотковые дробилки
Принцип действия молотковых дробилок состоит в том, что материал, загружаемый в дробилку, разбивается быстро вращающимися молотками или билами и по достижении определенного размера проваливается через колосниковую решетку.
Молотковая однороторная дробилка имеет молотки, шарнирно прикрепленные к вращающемуся ротору (вал с дисками и молотками). Размер и форму молотков подбирают в зависимости от крупности загружаемого материала и его структуры. Для крупного дробления применяют небольшое число тяжелых молотков, для мелкого — значительное количество легких молотков. В зависимости от размеров дробилки, желаемой тонкости помола и свойств дробимого материала окружная скорость молотков ротора колеблется от 25 до 55 м/сек.
Молотковые дробилки с шарнирно подвешенными молотками применяют как для первичного дробления рядового материала до крупности 25—35 мм, так и для вторичного дробления его до крупности 10 мм; при этом дроблению в них подвергаются почти исключительно хрупкие и мягкие породы (шлак, мел, известь). Производительность молотковых дробилок колеблется от 3 до 500 т/ч. Степень измельчения m достигает 12—15. Крупность дробимого материала изменяется за счет увеличения или уменьшения зазоров между колосниковой решеткой и ротором, а также между колосниками решетки.
Роторные дробилки
В последнее время все большее распространение получают роторные дробилки ударного действия с неподвижно прикрепленными к ротору молотками — билами. Они могут быть одноротор-ные и двухроторные.
Основными частями двухроторной дробилки являются корпус с загрузочной воронкой, ротор (один или два) с прикрепленными к нему билами, верхняя колосниковая решетка, нижняя колосниковая решетка и привод.
Так как степень измельчения m в этих дробилках достигает в однороторных 25, а в двухроторных— 50, т. е. во много раз выше, чем в щековых и конусных дробилках, то они могут производить одновременно дробление первой и второй степени, что упрощает технологическую схему дробления и уменьшает расход энергии.
Роторные дробилки пригодны для крупного, среднего и мелкого дробления самых различных материалов, в том числе каменных пород с пределом прочности до 125 Ми/ж2 (1250 кГ/см2) и известняков любой прочности.
По сравнению с щековыми и конусными дробилками вес роторных дробилок на единицу производительности в 4—4,5 раза меньше, установочная мощность электродвигателей в 1,5—2 раза меньше, а стоимость в 3,5—5,5 раза ниже.
Однороторные дробилки применяют для дробления неабразивных материалов и горных пород с пределом прочности на сжатие до 150 Мн/м2 (1500 кГ/см2).