Особенности конструкции и эксплуатации конусных дробилок

С.А. Червяков, зам. директора по сбыту, Ю.А.Муйземнек, вед.науч.сотр., к.т.н., ОАО «Уралмаш»

Конусные дробилки используются во всех стадиях дробления и до сего времени успешно конкурируют с дробильными машинами других типов - щековыми, валковыми и ударными (молотковыми и роторными).

В начале 50-х годов на Уралмаше были предложены и получили широкое распространение в дальнейшем конусные дробилки крупного дробления с центральной разгрузкой дробленного материала и разборкой эксцентрикового узла «вверх». Эта конструктивная схема конусных дробилок крупного дробления пришла на смену конусных дробилок с боковой односторонней или двухсторонней разгрузкой дробленного материала и разборкой эксцентрикового узла «вниз».

Двухсторонняя боковая разгрузка дробленного материала предполагает использование двух уборочных транспортеров. Были найдены технические решения уборки дробленного материала для дробилок больших типоразмеров одним мощным ленточным конвейером. Преимущества новой конструктивной схемы дробилки крупного дробления были очевидными: существенно упрощается нижняя часть корпуса дробилки и фундамент, а также отпадает необходимость в специальном подъемнике для монтажа и демонтажа эксцентрика. Схемы дробилок с такими конструктивными решениями приведены на рис.1, из которого следует, что высота нижнего пояса сократилась на величину «А», а строительная высота расположения уборочных конвейеров на величину «Б».

Одной из особенностей эксплуатации конусных дробилок крупного дробления является возможность запуска их под завалом. Средствами облегчения запуска дробилки под завалом являются реверсирование пуска и опускание подвижного конуса, что возможно в дробилках с гидравлической опорой подвижного конуса.

Натурные испытания и теоретические исследования позволяют утверждать: наиболее сложным является запуск дробилки, остановленной под завалом. В этом случае режим смазки эксцентрикового узла в первый момент пуска по существу является полусухим, и основное сопротивление пуску оказывают силы трения в эксцентриковом узле.

Пуск расклиненной дробилки по существу мало отличается от пуска заваленной - в основном несколько увеличивается время пуска, при этом не требуется увеличение пусковых характеристик приводного электродвигателя.

Зазоры в кинематической цепи дробилки, которые имеются в конической паре, способствуют последовательному разгону масс дробилки, однако использование такого способа малоэффективно, так как одновременно возникают ударные нагрузки, которые вызывают перегрузку конической передачи, которая на такой режим обычно не рассчитывается.

Реверсирование, при котором пуску дробилки способствуют упругие силы деформированного в части камеры дробления материала, снижает необходимые пусковые нагрузки примерно в два раза. Таким образом, дробилки с гидравлическим регулированием разгрузочной щели, оказываются наиболее перспективными с этой точки зрения.

В обычных дробилках в пусковой аппаратуре приводных двигателей должны быть предусмотрены средства, облегчающие реверсирование при пуске.

В настоящее время в мировой практике используются три основные конструктивные схемы конусных дробилок: с верхней опорой, с консольным валом и с консольной осью. Схемы таких дробилок приведены на рис.2.

Сравнение достоинств и недостатков их применительно к среднему и мелкому дроблению сделаем с позиций организации рабочего процесса дробления, простоты конструкции и расчетной схемы дробилки, возможности уравновешивания дробилки на фундаменте.

Дробилка с верхней опорой подвижного корпуса имеет простую расчетную схему - изменение положения усилия дробления по высоте камеры дробления по существу не вызывает перераспределения нагрузок на опоры подвижного конуса. Недостатками дробилок с такой конструктивной схемой можно считать большую конструктивную и монтажную высоту, некоторые ограничения по расположению точки подвеса дробящего конуса, что может ограничить возможности рабочего процесса; ребра траверзы частично перекрывают камеру дробления и препятствуют равномерному распределению дробимого материала по периметру дробящего пространства и равномерному износу броней камеры дробления.

Последнее обстоятельство во многом определило ограничения по использованию такой конструктивной схемы в дробилках для среднего и особенно для мелкого дробления.

Своеобразие дробилок с консольным валом состоит в почти постоянном соотношении нагрузок на сферическую опору подвижного конуса и внутреннюю расточку эксцентрика, которая нагружается горизонтальной составляющей усилия дробления, при изменении положения усилия дробления по высоте дробящего пространства. В этом случае необходимо иметь ввиду режим попадания в камеру дробления необходимого тела, место захвата которого дробящими конусами по существу оказывается произвольным.

Отсутствие траверзы способствует равномерному распределению дробимого материала по периметру дробящего пространства и равномерному износу броней дробящего пространства.

Уравновешивание дробилки на фундаменте не вызывает осложнений, так как инерционные силы неуравновешенных масс - дробящего конуса и эксцентрика - направлены в разные стороны, хотя линии действия их не совпадают и необходимо уравновешивать момент сил, который они создают. В этом отношении дробилки двух рассматриваемых схем идентичны.

Конструкция дробилки с консольным валом в целом оказывается компактной. Эти качества сделали дробилки данного типа самыми распространенными в мировой практике дезинтеграции материалов и руд. Недостатками дробилки с консольным валом является их сложность в конструктивном и расчетном отношениях.

Эти положения явились объяснениями трудностей освоения их другими заводами и затруднениями, которые возникали на предприятиях, начавших их использовать [1]. Практическая задача внедрения этих дробилок была успешно решена еще в 50 годах, но со-
здание теории и обоснование конструктивных решений основных узлов дробилки растянулось на долгие годы. Это, прежде всего, коснулось эксцентрикового узла. Имели место случаи спонтанного прижега конической и цилиндрической втулок на холостом ходу на заводском стенде.

Опыт освоения этих дробилок указывал на важность правильного выбора зазоров в эксцентриковом узле и уравновешивания самого эксцентрика. Одним из условий работоспособности подшипников скольжения является центральное нагружение их и достаточная смазка и охлаждение рабочих поверхностей.

Охлаждение эксцентрикового узла, цилиндрическая и коническая втулка которого являются подшипниками скольжения, достигается прокачкой через его поверхности соответствующего количества смазки. С увеличением зазоров эта проблема упрощается, но с увеличением зазоров уменьшается грузоподъемность самих подшипников. Таким образом, требования к этим подшипникам оказываются противоречивыми. Необходим компромисс, т.е. оптимизация их параметров.

Первый вопрос, на который не было ответа - режим смазки опор эксцентрика. Классические теории гидродинамической смазки оказались непригодными для этого, так как в традиционном исполнении подшипники жидкостного трения имеют более высокую чистоту обработки рабочих поверхностей и меньшие радиальные зазоры.

Ответ пришлось искать экспериментально. В производственных условиях в цилиндрической втулке были сделаны продольные и кольцевые пазы, в которых были установлены малообразные тензодатчики, которые фиксировали напряжения в этих пазах от на-гружения цилиндрических втулок уси-
лиями дробления. Расчетно-экспери-ментальным методом по этим напряжениям были получены эпюры удельных давлений на рабочей поверхности цилиндрической втулки.

Режим трения на холостом ходу оказался нестационарным: имеет место полусухое, граничное и псевдожидкостное трение [2]. На рис.3 показаны экспериментальные эпюры удельных давлений эксцентрика и цилиндрической втулки, подтверждающие это положение.

Такой нестационарный режим трения в опоре при стационарном режиме работы, особенно на холостом ходу, может быть объяснен своеобразием силового нагружения цилиндрической втулки эксцентриком, который находится под действием двух систем сил - усилия в коническом зацеплении, постоянного по своему положению, и системы сил от усилий дробления и инерционных сил неуравновешенных масс - подвижного конуса и эксцентрика, вращающегося с угловой скоростью эксцентрика.

В результате эксцентрик оказывается под действием нестационарной системы сил, вращающейся с угловой скоростью эксцентрика и которая вызывает колебание его. О таких колебаниях эксцентрика есть упоминание в работе [3], хотя в ней дается совершенно другое толкование причин возникновения этих колебаний. На рис.4 показаны возможные эпюры удельных давлений в конической втулке при сухом (а) и жидкостном (б) режиме трения [4,5].

В отношении конической передачи может представлять определенный интерес тензометрические измерения напряжений при помощи малообразных датчиков в галтели конической шестерни. На основании этих измерений, которые производились также в производственных условиях, сделан следующий вывод: вследствие значительных зазоров в эксцентриковом узле в конической передаче нарушается линейный контакт зубьев передачи, который вырождается в точечный. На рис.5 даны экспериментальные эпюры напряжений в галтели зуба конической передачи при различных положениях недробимого тела в камере дробления относительно приводного вала. Оба варианта нагружения соответствуют точечному контакту в зацеплении. Этим в частности может быть объяснено имеющее в практике усталостное разрушение конической передачи, несмотря на значительные коэффициенты запаса, которые обыкновенно принимаются в реальных дробилках.

С этих позиций использование в конической передаче спирального зацепления, которое применяют некоторые зарубежные фирмы, следует считать оправданным.

Решение многих проблем достигается введением в эксцентриковый узел кинематического шарнира наподобие того, который применялся в дробилках фирмы Кеннеди в 30-х годах. Эксцентриковый узел становится статически определенной системой, упрощаются требования по сборке и точности изготовления деталей. Внедрение таких эксцентриковых узлов позволило создать дробилки среднего и мелкого дробления с форсированными эксплуатационными режимами.

В дробилках с консольной осью опора подвижного конуса, воспринимающая вертикальные составляющие усилия дробления, расположена в нем. Габаритные ограничения этой опоры требуют ограничения и нагрузок на нее. Поэтому конструктивное исполнение этой опоры в отличие от дробилок с консольным валом допускает нагружение только вертикальной составляющей усилия дробления. В результате, при изменении положения усилия дробления по высоте соответственно изменяется положение горизонтальной нагрузки на ось дробилки, а опора эксцентрикового узла в горизонтальном направлении нагружается эксцентричной нагрузкой. Грузоподъемность подшипника скольжения при эксцентричном нагружении резко снижается, и эксцентриковый узел оказывается ненадежным в эксплуатации.

Дробилка с верхней опорой и консольной осью, как правило, имеют гидравлическую регулировку разгрузочной щели, что позволяет считать эти конструктивные схемы перспективными. Однако натурные испытания дробилки с консольной осью Уралмашзавода показали, что гидравлическая система регулирования ширины разгрузочной щели и амортизации имеет некоторую податливость, в результате которой подвижный конус при дроблении «играет». Величина этой игры в напряженных режимах эксплуатации достигает 2 мм, что делает технологические показатели процесса дробления нестабильными.

Таким образом, дробилки с консольным валом имеют определенные преимущества по сравнению с дробилками с верхней опорой дробящего конуса в части равномерного износа камеры дробления по периферии, а по сравнению с дробилками с консольной осью - в части стабильности технологических показателей. Особенно важным это оказывается при мелком дроблении. В результате длительных испытаний и конструкторских проработок Уралмашзавод отдал предпочтение дробилками с консольным валом.

Наиболее перспективными для крупного дробления являются дробилки с гидравлическим регулированием ширины разгрузочной щели и разборкой эксцентрикового узла вверх. Для дробилок среднего и мелкого дробления — дробилки с консольным валом и модернизированным статически определенным эксцентриковым узлом.

Список литературы:

1. Кореляков Г. В. О зазорах эксцентрикового узла конусных дробилок для среднего дробления. В сб. Конструирование машин и оборудования. м. Машгиз. 1952.

2. Муйземнек Ю.А. О конструкции эксцентрикового узла конусных дробилок с консольным валом. В сб. Исследование рабочих параметров и совершенствование конструкций дробилок, мельниц и грохотов, выпускаемых Уралмаш-заводом. Труды ВНИИМЕТМАШ. М. 1978.

3. Быков В. И. Разработка научных основ формирования нагрузок в изнашивающихся узлах дробильно-размольного оборудования. Автореферат дисс. д-р. техн. наук. 1984.

4. Беренов Д.И. Дробилки, мельницы, питатели. Машгиз. 1964.

5. Муйземнек Ю.А. Усилия и нагрузки в конусных гирационных дробилках. М. Машгиз. 1964. №7.

6. Бауман В.А. Некоторые результаты исследований щековыхдробилок. Механизация строительства. 1954

Журнал "Горная Промышленность" №2 1997