Как работает валковая дробилка

Валковая дробилка — машина для среднего и мелкого дробления хрупких и пластичных материалов, в которой кусок разрушается между двумя цилиндрическими валками, вращающимися навстречу друг другу. Эта простая по принципу действия конструкция остаётся востребованной там, где важны равномерная крупность продукта, минимум переизмельчения и работа с влажными, вязкими и склонными к комкованию материалами.

Ниже разбираем, как именно работает валковая дробилка: что происходит с куском в зоне дробления, какие силы захватывают материал, чем гладкие валки отличаются от рифлёных и зубчатых, как связаны диаметр валка, размер куска, зазор и крупность готового продукта. Приведены ключевые расчётные соотношения с примером и сводные таблицы параметров.

Назначение и область применения

По ГОСТ 14916-82 валковая дробилка определяется как дробилка, в которой разрушение материала осуществляется сжатием между вращающимися валками. Это машины среднего и мелкого дробления; для крупного дробления исходного сырья они, как правило, не применяются и требуют предварительной подготовки куска другими дробилками (щековыми, конусными).

Основная область использования — материалы малой и средней прочности на сжатие, а также пластичные и влажные. На гладких и рифлёных валках перерабатывают породы средней прочности (известняк, мергель, мел, гипс, шлаки, мягкие руды); зубчатые валки рассчитаны на мягкие, хрупкие и склонные к слипанию материалы (уголь, влажная глина, отходы стекла и керамики, сланцы). Особенность машины — устойчивая работа на липком и сыром питании, на котором роторные и молотковые дробилки забиваются: валки можно оснащать скребками, очищающими рабочую поверхность.

Валковая дробилка наиболее эффективна там, где требуются стабильная узкая фракция, минимум пыли и переизмельчения, а также готовность работать с влажным и вязким сырьём.

Для абразивных и высокопрочных пород (граниты, базальты, кварциты) валковые дробилки не применяют: бандажи валков быстро изнашиваются, ресурс падает кратно.

Принцип работы: что происходит в зоне дробления

Принцип действия валковой дробилки — раздавливание куска материала между двумя параллельными цилиндрическими валками, вращающимися с одинаковой (или близкой) окружной скоростью навстречу друг другу. Кусок, поданный сверху в приёмную воронку, попадает в сужающуюся зону между валками. Силы трения о поверхности валков затягивают его в зазор; по мере продвижения растут сжимающие напряжения, и в момент превышения предела прочности материал разрушается. Дроблёный продукт свободно выпадает вниз через выходную щель.

Помимо чистого сжатия, в работу включаются сдвиг и истирание: если валки вращаются с разной окружной скоростью, доля сдвиговых деформаций возрастает, что полезно при измельчении вязких глинистых материалов. На зубчатых валках основным механизмом становится не раздавливание, а раскалывание зубьями — это позволяет захватывать существенно более крупный кусок при том же диаметре валка.

1. Подача. Кусок попадает на верхнюю поверхность валков в зону приёма.
2. Захват. Силы трения о валки направлены так, что их вертикальные составляющие затягивают кусок в сужающийся зазор; условие захвата задаёт угол захвата.
3. Сжатие и разрушение. В самой узкой части зоны напряжения превышают предел прочности на сжатие, кусок разрушается на фрагменты, сопоставимые по размеру с зазором.
4. Разгрузка. Фрагменты выпадают вниз через выходную щель и удаляются конвейером или в приёмный бункер.
5. Защита. При попадании недробимого предмета подвижный валок отходит, преодолевая усилие пружин предохранительного устройства, и предмет проходит без поломки машины.

Конструкция двухвалковой дробилки

Двухвалковая дробилка — наиболее распространённое исполнение. В её состав входят:

Подвижная опора одного из валков — это не только инструмент регулировки зазора, но и обязательный элемент защиты. Конструкция машины без подвижного валка в промышленных дробилках не применяется: при попадании металла приведёт к разрушению опор или вала.

Длина валка обычно связана с его диаметром соотношением L = (0,4–1,0)·D; у зубчатых валков длина может превышать диаметр. Промышленные машины общего назначения имеют диаметр валка в диапазоне сотен миллиметров; лабораторные исполнения — с валками диаметром порядка 200 мм.

Гладкие, рифлёные и зубчатые валки

Тип рабочей поверхности определяет, какие материалы машина способна перерабатывать и какой кусок она «возьмёт» при заданном диаметре.

Парные сочетания тоже встречаются: одна поверхность гладкая, вторая — рифлёная; такой вариант компромиссен по захвату и качеству фракции. Зубья на валках располагают рядами или в шахматном порядке; в ответственных машинах их режущие кромки наплавляют твёрдым сплавом.

Угол захвата и условие затягивания куска

Угол захвата α — угол между касательной к валку в точке касания куска и вертикалью (либо, в эквивалентной формулировке, половина угла между двумя такими касательными для пары валков). Кусок втягивается в зазор, если вертикальная составляющая силы трения превышает горизонтальную составляющую нормальной реакции. Это даёт классическое условие захвата:

Для гладких валков и пород средней прочности при коэффициенте трения порядка f ≈ 0,3 предельный угол захвата составляет около 16–17°. Практически принимают значения α ≤ 16° для гладких валков. Рифлёные и зубчатые валки за счёт геометрического зацепления удерживают и заметно более крупные куски — для них рабочий угол захвата принимают существенно больше, до 20–30°.

Если кусок крупнее, чем «разрешает» угол захвата, он не втягивается, а проскальзывает по валкам — питание зависает, а производительность падает до нуля. Это одна из частых причин «работы машины вхолостую» при увеличении крупности входного куска.

Соотношение диаметра валка и размера куска

Из условия захвата прямо вытекает требование к размеру максимального куска относительно диаметра валка. На практике пользуются эмпирическим соотношением D/d (диаметр валка к максимальному диаметру куска питания):

Для гладких валков диаметром, например, 600 мм максимальный кусок питания — около 30 мм. Эти соотношения определяют верхнюю границу размера куска: всё, что крупнее, нужно дробить предварительно или принимать большие диаметр и тип валков. В лабораторных дробилках с валками малого диаметра (порядка 200 мм) кусок не превышает нескольких десятков миллиметров.

Зазор между валками и крупность продукта

Размер выходной щели a (зазор в наиболее узкой точке между валками) — главный регулируемый параметр валковой дробилки. Он напрямую задаёт верхнюю границу крупности готового продукта: фрагменты, выходящие из зазора, по размеру близки к a. Уменьшая зазор, получают более мелкую фракцию, но падает производительность и растут удельные затраты энергии.

Регулировку выполняют изменением положения подвижного валка через систему тяг и пружин: натяжение пружин одновременно задаёт усилие дробления. В рабочем режиме под нагрузкой валки расходятся на величину, зависящую от прочности материала и преднатяга пружин, поэтому в расчётах фактическое раскрытие принимают несколько больше установленного — это учитывают поправочным коэффициентом.

При установленном зазоре 5 мм фактический рабочий зазор для прочных пород принимают приближённо равным 1,25·a = 6,25 мм. Соответственно крупность продукта на выходе будет ориентироваться на это значение, а не на «холодную» установку.

Частота вращения и производительность

Производительность валковой дробилки определяется представлением процесса как непрерывного выпуска «ленты» дроблёного материала шириной, равной длине валка L, и толщиной, равной фактическому зазору. С учётом разрыхления материала после разрушения получаем расчётное соотношение:

Скорость вращения ограничена сверху: при превышении некоторого значения кусок успевает «выскочить» из зоны захвата, эффективный коэффициент трения снижается, питание становится неустойчивым. Благоприятным считают режим с окружной скоростью валков порядка 3–6 м/с; отсюда находят оптимальную частоту вращения.

Мощность привода складывается из мощности на дробление и потерь на трение в подшипниках, делённых на КПД передачи. Для пород средней прочности (известняк, мергель, уголь) её оценивают по эмпирическим зависимостям, в которые входят прочность материала на сжатие, диаметр и длина валка, частота вращения и коэффициент одновременности раскалывания.

Степень дробления

Степень дробления i = Dисх / dпрод (отношение характерного размера куска питания к размеру куска продукта) для валковых дробилок относительно невелика по сравнению с щековыми и конусными. Это плата за равномерность фракции и низкое переизмельчение.

Если требуется большая степень дробления — устанавливают каскад из двух пар валков (четырёхвалковая дробилка): верхняя пара даёт промежуточный продукт, нижняя — финальный, с меньшим зазором. Такая компоновка часто применяется на угольных установках и в производстве керамического сырья.

Типичные ошибки эксплуатации

Большинство проблем валковых дробилок сводится к нарушению условий захвата, перегрузке пружин и работе на «неправильном» материале.

• Слишком крупный кусок питания. Не выдержано соотношение D/d — материал не втягивается, дробилка работает вхолостую, греются подшипники.
• Абразивный материал. Гранит, кварцит, базальт быстро «съедают» бандажи, особенно по середине длины; форма выходной щели нарушается, продукт перестаёт быть однородным.
• Недостаточный преднатяг пружин. Подвижный валок «убегает» под нагрузкой, фактическая щель растёт, крупность продукта плавает.
• Перетянутые пружины. При попадании металла предохранительная функция не срабатывает — повреждаются подшипники, валы, бандажи.
• Налипание влажной массы. При работе на сыром сырье без скребков валки «заплывают», эффективный диаметр и геометрия зазора меняются.
• Несимметричная подача. Поток в один край вызывает односторонний износ бандажей и появление конусности валка.