Как работает щёковая дробилка

Щёковая дробилка — машина крупного и среднего дробления, в которой кусок горной породы разрушается сжатием между двумя дробящими плитами: неподвижной щекой и подвижной щекой, периодически сближающейся с ней под действием эксцентрикового привода. Ниже разбирается, как работает щёковая дробилка: устройство камеры, кинематика подвижной щеки, регулирование разгрузочной щели, степень дробления и характерные области применения для прочных пород.

Назначение и область применения

Щёковая дробилка предназначена для крупного и среднего дробления прочных и хрупких материалов: гранита, базальта, кварцита, песчаника, известняка, других горных пород и руд, а также шлаков. Это согласуется с областью распространения действующего межгосударственного стандарта ГОСТ 27412-93 «Дробилки щековые. Общие технические условия».

Основная задача щёковой дробилки в технологической схеме — первая стадия рудоподготовки: приём крупного куска и сокращение его средней крупности в 2–3 раза за один проход.

Машина не предназначена для вязко-упругих материалов (древесина, полимеры, ряд цветных сплавов): энергия сжатия в таких средах диссипирует на пластической деформации, и разрушения не наступает. Для дробимых пород ключевой характеристикой является предел прочности при сжатии: щёковые конструкции уверенно работают с породами высокой прочности, где другие принципы (удар, истирание) менее эффективны или приводят к избыточному износу.

Устройство: основные узлы

В классической компоновке щёковая дробилка состоит из массивной литой станины, в которой смонтированы все рабочие элементы, и собственно дробящего узла — двух плит, образующих клиновидную камеру.

Материалы основных деталей

Дробящие плиты традиционно выполняются из высокомарганцовистой аустенитной стали типа Гадфильда — марка 110Г13Л по ГОСТ 977-88 «Отливки стальные. Общие технические условия». Для этой стали характерно поверхностное упрочнение (наклёп) под действием ударно-сжимающих нагрузок при сохранении вязкой сердцевины. Распорные плиты и маховики обычно отливают из серого чугуна — в том числе по соображениям контролируемого разрушения распорки при перегрузке. Эксцентриковый вал и шатун изготавливают из конструкционных легированных сталей по действующему ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия».

Подбор рисунка дробящих плит зависит от характера сырья: для крупного дробления применяются плиты с продольным рифлением (раздавливание и раскалывание), для среднего — с более частым рифлением, обеспечивающим лучшее истирание и более выровненную крупность.

Принцип работы и кинематика щеки

Принцип работы щёковой дробилки основан на цикличном сжатии куска породы в клиновидной камере между неподвижной и подвижной щёками. Камера сужается сверху вниз; материал, поданный в зев, под действием силы тяжести опускается, последовательно проходя сечения с уменьшающимся зазором, и в момент сближения щёк разрушается напряжениями сжатия и сдвига.

1. Загрузка. Кусок породы поступает сверху в приёмное (загрузочное) отверстие и заклинивается между щёками выше уровня разгрузки.
2. Рабочий ход. Эксцентрик через шатун и распорные плиты сближает подвижную щёку с неподвижной. В куске возникают напряжения сжатия, раскалывания, изгиба; материал разрушается.
3. Холостой ход. Подвижная щёка отходит, продукт под силой тяжести опускается ниже. Часть кусков, размер которых меньше текущей ширины разгрузочной щели, выпадает из камеры.
4. Повторное сжатие. Куски, не прошедшие через разгрузочное отверстие, удерживаются ниже и подвергаются повторному сжатию на следующем обороте вала.
5. Разгрузка. Готовый продукт выходит через разгрузочную щель и направляется на грохочение или последующее дробление.

Простое и сложное движение щеки

Конструктивно различают два основных типа кинематики:

Дробление в обоих случаях происходит лишь в течение половины оборота эксцентрикового вала — на ходе сближения. Маховики позволяют выровнять момент нагрузки и снизить требуемую мощность установленного двигателя.

Типы по ГОСТ 27412-93 и условное обозначение

Действующий межгосударственный стандарт ГОСТ 27412-93 устанавливает три типа щёковых дробилок:

Условное обозначение дробилки включает тип, ширину и длину приёмного отверстия в дециметрах. Пример из стандарта: дробилка щёковая с простым движением щеки, шириной приёмного отверстия 900 мм и длиной 1200 мм обозначается ЩДП-9×12 ГОСТ 27412-93. Для дробилки со сложным движением и приёмным отверстием 250×400 мм обозначение имеет вид ЩДС-II-2,5×4,0 ГОСТ 27412-93.

Стандарт регламентирует климатические исполнения У и Т категории размещения 3 по ГОСТ 15150-69, требования к смазке подшипниковых узлов эксцентрикового вала пластичной смазкой, а также общие требования по безопасности (шум, вибрация, ограждения вращающихся частей).

При замене дробилки в действующей технологической схеме важно сверять не только типоразмер и обозначение по ГОСТ 27412-93, но и фактические размеры приёмного и разгрузочного отверстий: при одинаковом обозначении исполнения разных изготовителей могут отличаться по диапазону регулирования и установленной мощности привода.

Угол захвата и ход подвижной щеки

Кусок породы удерживается в камере дробления силами трения о поверхности щёк. Условие захвата формулируется через угол между щёками — угол захвата α:

При типичных для горных пород значениях коэффициента трения о стальную поверхность условие переходит в практическое ограничение: угол захвата в щёковых дробилках обычно принимают в диапазоне 15–25°. Увеличение α повышает степень дробления, но снижает производительность и приводит к выбросу куска вверх — материал перестаёт удерживаться в камере.

Ход подвижной щеки

Ход (амплитуда колебаний) измеряют у нижней кромки щеки, у разгрузочного отверстия. Его величина — компромисс между двумя требованиями:

• достаточная амплитуда для гарантированного разрушения куска при сжатии;
• достаточный отход для свободного просыпания продукта в холостой полупериод.

Для прочных и хрупких пород ход подвижной щеки задают меньшим, для пластичных и склонных к смятию — большим. В дробилках с простым движением ход у разгрузочного отверстия больше, чем у приёмного; в дробилках со сложным движением траектории точек щеки описывают замкнутые кривые, и величина хода различна по высоте камеры.

Зев, разгрузочная щель, степень дробления

Главными размерными характеристиками камеры являются ширина приёмного (загрузочного) отверстия B и ширина разгрузочной щели b. Первая определяет максимальную крупность исходного куска, вторая — крупность продукта.

Максимальная крупность питания

Из условий устойчивого захвата кусок не должен превышать примерно 0,8·B; при подаче кусков, близких по размеру к ширине приёмного отверстия, возникают «зависания» в верхней части камеры и снижение производительности.

Крупность продукта и степень дробления

Из-за вытянутой формы кусков, образующихся при сжатии, материал проходит через разгрузочную щель преимущественно своим наименьшим размером, а в двух других направлениях может её превышать. На практике принимают следующие соотношения для гранулометрии продукта в зависимости от ширины разгрузочной щели b:

Расчётная крупность продукта щёковой дробилки оценивается не по ширине щели b «в моменте», а с учётом коэффициента 1,5–2,0 — это особенность сжатия неравноосных кусков.

Производительность: подход к расчёту

Производительность щёковой дробилки зависит от частоты вращения эксцентрикового вала, хода подвижной щеки, размеров приёмного и разгрузочного отверстий, насыпной плотности продукта, физико-механических свойств породы и её влажности.

Принцип объёмного баланса

Классический подход (методика Л. Б. Левенсона, развитая во ВНИИСтройдормаше) основан на оценке объёма дроблёного материала, выпадающего из камеры за один оборот эксцентрикового вала. За время холостого хода щеки куски опускаются на высоту, пропорциональную углу захвата и ходу щеки; этот столбик материала умножают на длину камеры и насыпную плотность и приводят к часовой производительности через частоту вращения.

Экспериментальное определение

ГОСТ 27412-93 (приложение Б) описывает два способа экспериментального определения производительности дробилки в условиях приёмосдаточных испытаний:

• По массе пробы и времени дробления. Засекают время непрерывной работы (не менее 30 минут) и взвешивают переработанную пробу исходного материала; параллельно определяют насыпную плотность продукта в мерной ёмкости.
• По подаче отводящего конвейера. С контрольных участков ленты конвейера известной длины снимают пробу продукта и пересчитывают её массу через скорость ленты.

Паспортная производительность всегда указывается для конкретной породы (как правило, для известняка средней крепости) и для конкретной ширины разгрузочной щели. При работе на более прочных породах (граниты, базальты, кварциты) фактический выход снижается.

Влияние влажности

Щёковая дробилка устойчиво работает при естественной влажности материала. При большой влажности и наличии глинистой составляющей мелкие фракции налипают на плиты, замазывают разгрузочную щель, и производительность падает. Для таких материалов конструктивно предпочтительнее дробилки со сложным движением щеки — за счёт истирающего действия.

Защита от недробимых тел

В питании дробилки могут оказаться металлические предметы — фрагменты буровой коронки, зубья ковша, болты. Размер таких включений превышает рабочий ход щеки, и при попытке их сжатия в кинематической цепи возникают усилия, способные разрушить эксцентриковый вал, шатун или станину.

Защита реализуется по принципу «жертвенного» звена. В традиционной схеме предохранителем служит задняя распорная плита: её материал и сечение подобраны так, чтобы при превышении расчётного усилия она разрушалась первой, размыкая кинематическую цепь и останавливая подвижную щёку. Усилие срабатывания задают подбором геометрии перешейка распорки или установкой составной плиты с тарированной вставкой.

В современных конструкциях применяются и другие решения:

• пружинно-гидравлические замыкатели, в которых распорная плита удерживается силой пружины или давлением гидроцилиндра, а при перегрузке отжимается без поломки;
• гидравлические предохранительные устройства с автоматическим возвратом в рабочее положение — позволяют пропустить недробимый предмет без остановки;
• фрикционные муфты на шкиве-маховике, ограничивающие передаваемый крутящий момент.

Любая защита эффективна только при штатном замыкании кинематики. Самовольная замена распорной плиты на «упрочнённую» (более прочную, чем по чертежу) делает предохранение неработоспособным — следующий же недробимый предмет приведёт к разрушению ответственных узлов.

Ограничения по материалу и форма зерна

Щёковая дробилка эффективна на хрупких и прочных породах, но имеет принципиальные ограничения.

Какие материалы дробятся плохо

• вязко-упругие и пластичные материалы (древесина, полимеры, ряд цветных сплавов) — сжатие не приводит к разрушению, кусок «пружинит»;
• липкие глинистые и переувлажнённые породы — замазывают разгрузочную щель;
• материалы со значительной долей абразивных включений и одновременно повышенной влажностью — ускоренный износ дробящих плит.

Форма зерна (лещадность)

Особенность сжатия в клиновидной камере — образование кусков вытянутой формы: пластинчатых и игольчатых (лещадных) зёрен. К строительному щебню лещадность зёрен нормируется по группам в ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия»; именно поэтому щёковую дробилку, как правило, используют только на первой стадии, а финальную доводку формы зерна выполняют на конусных или роторно-ударных машинах.

FAQ