Содержание статьи
- Введение в расчет мощности конусных дробилок
- Базовая формула расчета мощности
- Удельный расход энергии для различных пород
- Практический пример расчета для КСД-1750
- Учет потерь в редукторе и трансмиссии
- Проверка на пусковую мощность
- Факторы, влияющие на потребную мощность
- Практические рекомендации по выбору двигателя
- Вопросы и ответы
Введение в расчет мощности конусных дробилок
Конусная дробилка представляет собой высокопроизводительное оборудование, предназначенное для среднего и мелкого дробления твердых горных пород. Правильный расчет потребной мощности электродвигателя является критически важным этапом проектирования дробильно-сортировочных комплексов. От точности расчетов зависит не только эффективность работы оборудования, но и его долговечность, энергоэффективность и экономическая целесообразность эксплуатации.
Конусные дробилки работают по принципу раздавливания материала между подвижным дробящим конусом и неподвижной чашей. Процесс дробления требует значительных энергетических затрат, величина которых зависит от множества факторов, включая физико-механические свойства перерабатываемой породы, производительность оборудования, режим работы и конструктивные особенности дробилки.
При проектировании дробильных установок необходимо учитывать не только номинальную мощность для рабочего режима, но и пусковые токи, потери в механических передачах, возможные перегрузки и другие эксплуатационные факторы. Недостаточная мощность приводит к снижению производительности и перегреву двигателя, а избыточная мощность вызывает неоправданное увеличение капитальных и эксплуатационных затрат.
Базовая формула расчета мощности
Потребная мощность электродвигателя конусной дробилки определяется по упрощенной формуле, учитывающей производительность оборудования и удельный расход энергии на дробление конкретной породы. Основное уравнение расчета имеет следующий вид:
Формула расчета потребной мощности
N = k × Q
где:
N — потребная мощность электродвигателя, кВт
k — удельный расход энергии на дробление, кВт·ч/т
Q — производительность дробилки, т/ч
Данная формула является базовой и дает первоначальную оценку потребной мощности. Удельный расход энергии на дробление существенно варьируется в зависимости от крепости и физико-механических свойств перерабатываемого материала. Более крепкие и абразивные породы требуют большего расхода энергии на единицу массы раздробленного материала.
Удельный расход энергии для различных пород
Удельный расход энергии на дробление напрямую зависит от крепости горной породы, которая характеризуется коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова и пределом прочности при сжатии. Более крепкие породы требуют большего количества энергии для их разрушения. В таблице представлены типовые значения удельного расхода энергии для наиболее распространенных пород, перерабатываемых конусными дробилками.
| Тип породы | Коэффициент крепости по Протодьяконову (f) | Предел прочности при сжатии, МПа | Удельный расход энергии (k), кВт·ч/т |
|---|---|---|---|
| Известняк мягкий | 3-6 | 30-60 | 0,4-0,6 |
| Известняк средней крепости | 6-8 | 60-80 | 0,6-0,8 |
| Гранит | 12-15 | 120-150 | 0,8-1,2 |
| Железная руда магнетитовая | 10-14 | 100-140 | 1,0-1,5 |
| Железная руда гематитовая | 12-16 | 120-160 | 1,2-1,6 |
| Кварцит | 15-20 | 150-200 | 1,5-2,0 |
| Базальт | 15-18 | 150-180 | 1,3-1,8 |
При выборе значения удельного расхода энергии необходимо руководствоваться фактическими данными о крепости конкретной породы на месторождении. Рекомендуется использовать верхние границы диапазонов для пород с повышенной абразивностью и вязкостью. Для смешанных руд следует принимать средневзвешенное значение коэффициента с учетом процентного содержания каждой компоненты в исходном питании.
Практический пример расчета для КСД-1750
Рассмотрим детальный пример расчета потребной мощности для конусной дробилки среднего дробления КСД-1750, которая широко применяется на горно-обогатительных комбинатах для переработки железной руды.
Исходные данные для расчета
Модель дробилки: КСД-1750 Т (дробилка среднего дробления, тонкое дробление)
Тип камеры дробления: тонкое дробление (Т)
Перерабатываемый материал: железная руда магнетитовая средней крепости
Коэффициент крепости по Протодьяконову: f = 10-12
Паспортная производительность: 100-190 м³/ч (160-304 т/ч при насыпной плотности 1,6 т/м³)
Расчетная производительность: Q = 140 т/ч (87,5 м³/ч)
Максимальный размер исходных кусков: 160 мм
Ширина разгрузочной щели: 15-30 мм
Установленная мощность двигателя: 160 кВт
Этап 1. Определение удельного расхода энергии
Для железной руды магнетитовой средней крепости с коэффициентом крепости f = 10-12 принимаем удельный расход энергии k = 1,0 кВт·ч/т. Это значение соответствует нижней границе диапазона для данного типа породы при работе в оптимальных условиях.
Этап 2. Расчет потребной мощности на валу дробилки
Nрасч = k × Q = 1,0 × 140 = 140 кВт
Расчетная мощность на валу дробилки составляет 140 кВт.
Этап 3. Учет КПД привода
Привод конусной дробилки включает редуктор, соединительные муфты и подшипниковые узлы. Каждый из этих элементов вносит свой вклад в потери мощности. Общий КПД привода конусной дробилки составляет обычно от 0,92 до 0,95. Для расчета принимаем η = 0,93.
Nдвиг = Nрасч / η = 140 / 0,93 = 150,5 кВт
Требуемая мощность электродвигателя с учетом потерь в приводе составляет 150,5 кВт.
Этап 4. Выбор стандартного электродвигателя
По стандартному ряду мощностей электродвигателей выбираем ближайшее большее значение с запасом мощности. Коэффициент запаса обычно составляет 5-10 процентов и необходим для компенсации возможных перегрузок, колебаний характеристик породы и работы в переходных режимах.
Nном = Nдвиг × 1,06 = 150,5 × 1,06 = 159,5 кВт
Выбираем стандартный электродвигатель мощностью 160 кВт
Фактический запас мощности составляет: (160 - 150,5) / 150,5 × 100% = 6,3%
Учет потерь в редукторе и трансмиссии
Механические потери в приводе конусной дробилки представляют собой существенную составляющую общего энергетического баланса установки. Понимание природы этих потерь и точный учет КПД отдельных элементов привода необходимы для корректного выбора мощности электродвигателя.
Компоненты привода и их КПД
| Элемент привода | Диапазон КПД | Типовое значение КПД | Потери мощности, % |
|---|---|---|---|
| Редуктор цилиндрический одноступенчатый | 0,96-0,98 | 0,97 | 2-4 |
| Редуктор конический | 0,95-0,97 | 0,96 | 3-5 |
| Муфта упругая компенсирующая | 0,985-0,995 | 0,99 | 0,5-1,5 |
| Подшипники качения | 0,99-0,995 | 0,995 | 0,5-1 |
| Общий КПД привода | 0,92-0,95 | 0,93 | 5-8 |
Общий КПД привода рассчитывается как произведение КПД отдельных элементов. Для типового привода конусной дробилки расчет выглядит следующим образом:
Расчет общего КПД привода
ηобщ = ηред × ηмуфт × ηподш
ηобщ = 0,96 × 0,99 × 0,995 = 0,946
С учетом округления принимаем ηобщ = 0,93-0,95
При длительной эксплуатации КПД элементов привода снижается вследствие износа зубчатых передач, подшипников и уплотнений. Для оборудования, отработавшего значительную часть ресурса, рекомендуется использовать нижние границы диапазонов КПД или проводить инструментальные измерения фактической потребляемой мощности.
Проверка на пусковую мощность
При запуске электродвигателя дробилки возникает пусковой ток, значительно превышающий номинальный. Это связано с необходимостью преодоления инерции ротора, момента трения в подшипниках и начального сопротивления материала в камере дробления. Проверка оборудования на пусковую мощность является обязательным этапом проектирования электроснабжения дробильной установки.
Определение пусковой мощности
Пусковая мощность электродвигателя определяется через кратность пускового тока, которая указывается в технической документации на двигатель. Для асинхронных электродвигателей общепромышленного применения кратность пускового тока обычно составляет от 5 до 7 единиц.
Формула расчета пусковой мощности
Nпуск = kп × Nном
где:
kп — коэффициент пусковой мощности (обычно 1,3-1,5 для конусных дробилок)
Nном — номинальная мощность электродвигателя, кВт
Пример расчета пусковой мощности
Для выбранного электродвигателя мощностью 160 кВт:
Nпуск = 1,5 × 160 = 240 кВт
Пусковая мощность составляет 240 кВт. Система электроснабжения должна обеспечивать кратковременную подачу такой мощности без критического падения напряжения в сети.
Методы снижения пусковых токов
Для уменьшения воздействия пусковых токов на систему электроснабжения применяются различные технические решения. Наиболее распространенными являются следующие методы снижения пусковых токов конусных дробилок:
| Метод снижения пусковых токов | Снижение пускового тока | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|
| Прямой пуск от сети | Нет снижения | Простота, низкая стоимость | Большие пусковые токи |
| Пуск переключением звезда-треугольник | В 3 раза | Относительно недорого | Снижение пускового момента |
| Устройство плавного пуска | В 2-4 раза | Плавный разгон, защита оборудования | Дополнительные затраты |
| Частотный преобразователь | До 10 раз | Полный контроль, энергосбережение | Высокая стоимость |
Выбор метода снижения пусковых токов зависит от мощности системы электроснабжения предприятия, требований к режиму работы дробилки и экономической целесообразности. Для крупных дробилок с мощностью двигателя более 250 кВт рекомендуется применение устройств плавного пуска или частотных преобразователей.
Факторы, влияющие на потребную мощность
Фактическая потребляемая мощность конусной дробилки может существенно отличаться от расчетной вследствие влияния множества эксплуатационных и технологических факторов. Понимание этих факторов позволяет более точно прогнозировать энергопотребление и оптимизировать режимы работы оборудования.
Физико-механические свойства породы
Основным фактором, определяющим энергозатраты на дробление, являются прочностные характеристики перерабатываемой породы. Помимо коэффициента крепости, существенное влияние оказывают следующие свойства материала:
Абразивность породы определяет интенсивность износа дробящих поверхностей. Высокоабразивные материалы, такие как кварцит и железистые кварциты, вызывают ускоренный износ футеровки, что приводит к постепенному увеличению разгрузочной щели и снижению степени дробления.
Влажность материала существенно влияет на процесс дробления. При влажности более 4 процентов происходит налипание мелких фракций на дробящие поверхности, что снижает производительность и увеличивает удельный расход энергии. Рекомендуется предварительное обезвоживание или промывка исходного материала.
Гранулометрический состав питания определяет эффективность работы дробилки. Наличие большого количества мелких фракций в исходном питании снижает полезную загрузку камеры дробления и увеличивает износ футеровки без соответствующего увеличения производительности.
Технологические параметры дробления
| Параметр | Влияние на мощность | Рекомендации |
|---|---|---|
| Ширина разгрузочной щели | Увеличение щели снижает мощность на 10-15% | Оптимизировать по требованиям к крупности продукта |
| Степень дробления | Рост степени дробления увеличивает расход энергии на 20-30% | Использовать многостадийное дробление |
| Равномерность загрузки | Неравномерная загрузка увеличивает расход на 15-25% | Применять питатели с регулированием подачи |
| Режим работы | Работа под завалом снижает удельный расход на 5-10% | Обеспечить постоянный уровень материала в бункере |
| Износ футеровки | Критический износ увеличивает расход на 20-40% | Своевременная замена дробящих плит |
Конструктивные особенности дробилки
Различные модификации конусных дробилок имеют разную энергоэффективность при переработке одинакового материала. Дробилки с камерой грубого дробления потребляют меньше энергии на единицу производительности, но обеспечивают меньшую степень дробления. Дробилки с камерой тонкого дробления характеризуются повышенным удельным расходом энергии, но обеспечивают получение более мелкого продукта.
Практические рекомендации по выбору двигателя
Правильный выбор электродвигателя для конусной дробилки требует комплексного подхода с учетом не только расчетной мощности, но и условий эксплуатации, характеристик системы электроснабжения и перспектив развития производства.
Общие принципы выбора мощности
Для стабильных условий работы с переработкой однородной породы известного состава и влажности допускается принимать коэффициент запаса 5-7 процентов. Такой подход обеспечивает оптимальное использование установленной мощности и снижает капитальные затраты.
Для переменных условий эксплуатации с возможными колебаниями характеристик сырья, периодическими перегрузками и работой в нестационарных режимах рекомендуется увеличить коэффициент запаса до 10-15 процентов. Дополнительный запас мощности обеспечивает стабильную работу оборудования при неблагоприятных условиях.
Проверка выбранного двигателя
После выбора номинальной мощности электродвигателя необходимо выполнить ряд проверочных расчетов для подтверждения правильности принятого решения. Основными критериями проверки являются следующие показатели работы двигателя в составе дробильной установки:
Коэффициент загрузки двигателя
kзагр = Nрасч / Nном
Оптимальное значение: 0,75-0,90
Для нашего примера: kзагр = 150,5 / 160 = 0,94
Двигатель выбран с коэффициентом загрузки близким к единице, что обеспечивает максимальное использование установленной мощности при оптимальных условиях работы.
Рекомендации по режиму работы
При коэффициенте загрузки более 0,90 рекомендуется контролировать температурный режим обмоток статора в процессе эксплуатации. Температура обмоток не должна превышать предельно допустимые значения, указанные в технической документации на электродвигатель. Заводская комплектация КСД-1750 двигателем мощностью 160 кВт рассчитана на работу с железными рудами средней крепости при производительности до 140-160 т/ч.
При систематических перегрузках или переработке более крепких пород рекомендуется снизить производительность дробилки или рассмотреть возможность модернизации привода с установкой двигателя большей мощности.
Особенности выбора для различных режимов работы
Продолжительный режим работы с постоянной нагрузкой требует особого внимания к тепловому режиму электродвигателя. Рекомендуется выбирать двигатели с улучшенным охлаждением и повышенным классом изоляции обмоток.
Повторно-кратковременный режим с периодическими остановками позволяет использовать двигатели с несколько меньшим запасом мощности, так как в периоды остановок происходит естественное охлаждение обмоток.
Тяжелые условия пуска с загруженной камерой дробления требуют применения двигателей с повышенным пусковым моментом или использования устройств плавного пуска для снижения механических нагрузок на привод.
Вопросы и ответы
Влажность железной руды оказывает существенное влияние на процесс дробления и энергопотребление. При влажности выше 4 процентов происходит налипание мелких фракций на дробящие поверхности конуса и чаши, что приводит к снижению эффективной ширины разгрузочной щели и уменьшению производительности. В результате для поддержания заданной производительности требуется увеличение мощности на 15-25 процентов по сравнению с сухим материалом.
Для влажных руд рекомендуется предварительная промывка или обезвоживание материала перед подачей в дробилку. Также следует увеличить коэффициент запаса мощности электродвигателя до 10-15 процентов для компенсации дополнительных потерь. При постоянной переработке влажных материалов необходимо предусмотреть систему орошения камеры дробления для предотвращения налипания.
Да, один электродвигатель может использоваться для дробления различных типов руд, но при условии правильного расчета мощности с учетом наиболее энергоемкого материала. При выборе мощности необходимо ориентироваться на породу с максимальным удельным расходом энергии из всех планируемых к переработке материалов.
Например, если дробилка будет перерабатывать как известняк с коэффициентом расхода энергии 0,6 кВт·ч/т, так и кварцит с коэффициентом 1,8 кВт·ч/т, расчет мощности следует выполнять для кварцита. При переработке более мягких пород двигатель будет работать с неполной загрузкой, что является нормальным режимом эксплуатации. Важно контролировать, чтобы коэффициент загрузки не опускался ниже 0,5, так как это приводит к снижению КПД и коэффициента мощности электродвигателя.
Регулярный пересмотр расчета мощности рекомендуется выполнять в следующих случаях: при изменении характеристик перерабатываемой руды, после капитального ремонта дробилки с заменой основных узлов, при планировании увеличения производительности, а также при систематических отклонениях фактической потребляемой мощности от расчетной.
В рамках планового технического обслуживания рекомендуется ежегодно проводить инструментальные измерения фактической потребляемой мощности и сравнивать ее с расчетными значениями. Существенное отклонение фактической мощности может указывать на износ дробящих элементов, нарушение режимов смазки, разрегулировку разгрузочной щели или изменение свойств перерабатываемого материала. Своевременное выявление таких отклонений позволяет предотвратить аварийные ситуации и оптимизировать энергопотребление.
Выбор между устройством плавного пуска и частотным преобразователем зависит от требований к функциональности и бюджета проекта. Устройство плавного пуска обеспечивает плавное ускорение электродвигателя при запуске за счет постепенного повышения напряжения питания. Оно снижает пусковые токи в 2-4 раза и механические нагрузки на привод, при этом имеет относительно невысокую стоимость и простую конструкцию.
Частотный преобразователь обеспечивает более широкие возможности: полное управление скоростью вращения, снижение пусковых токов до 10 раз, возможность оптимизации производительности и значительную экономию электроэнергии при переменных режимах работы. Однако стоимость частотного преобразователя в 2-3 раза выше устройства плавного пуска. Для конусных дробилок, работающих в стационарном режиме без необходимости регулирования скорости, достаточно устройства плавного пуска. Частотный преобразователь целесообразен при требованиях к регулированию производительности.
Износ дробящих плит конусной дробилки оказывает значительное влияние на энергопотребление и производительность оборудования. По мере износа футеровки увеличивается фактическая ширина разгрузочной щели, что приводит к снижению степени дробления и укрупнению продукта. Для поддержания требуемой крупности продукта приходится уменьшать установочный зазор, что вызывает рост нагрузки на привод.
При критическом износе футеровки, когда толщина дробящих плит уменьшается на 40-50 процентов от первоначальной, потребляемая мощность может возрасти на 20-40 процентов при одновременном снижении производительности на 15-30 процентов. Рекомендуется проводить замену футеровки при износе 30-35 процентов, не дожидаясь критических значений. Своевременная замена дробящих плит позволяет поддерживать оптимальные энергетические показатели и качество продукции.
Для оборудования, отработавшего значительную часть назначенного ресурса, КПД привода снижается вследствие износа зубчатых передач редуктора, подшипниковых узлов и уплотнений. Для изношенного оборудования рекомендуется принимать КПД на 3-5 процентов ниже номинальных значений для нового оборудования.
Конкретные значения КПД зависят от фактического технического состояния: для редукторов после капитального ремонта с заменой зубчатых колес можно принимать КПД 0,94-0,95, для редукторов со значительным износом зубьев без замены деталей следует использовать КПД 0,90-0,92. Для муфт с изношенными упругими элементами КПД снижается до 0,97-0,98. Общий КПД изношенного привода может составлять 0,88-0,91 вместо 0,93-0,95 для нового оборудования. Рекомендуется проводить инструментальные измерения фактической потребляемой мощности для уточнения расчетов.
Да, при эксплуатации электрооборудования на высоте более 1000 метров над уровнем моря необходимо учитывать снижение эффективности охлаждения электродвигателя из-за пониженной плотности воздуха. При высоте установки от 1000 до 2000 метров рекомендуется увеличивать номинальную мощность двигателя на 5-7 процентов, при высоте от 2000 до 3000 метров на 10-12 процентов, а при высоте более 3000 метров на 15-20 процентов.
Альтернативным решением является применение электродвигателей в специальном высотном исполнении с усиленной системой охлаждения или принудительной вентиляцией. Также следует учитывать, что при работе на большой высоте снижается диэлектрическая прочность воздуха, что требует увеличения изоляционных расстояний в электрических цепях. Рекомендуется консультация с производителем оборудования для выбора оптимального решения для конкретных условий эксплуатации.
Расчет экономии электроэнергии при замене устаревшей дробилки на современную модель выполняется путем сравнения удельных расходов энергии на тонну переработанного материала. Современные конусные дробилки с оптимизированной геометрией камеры дробления и улучшенной кинематикой могут обеспечить снижение удельного расхода энергии на 15-25 процентов при той же производительности.
Формула расчета годовой экономии: ΔЭ = (k₁ - k₂) × Q × T × Ц, где k₁ и k₂ - удельные расходы энергии старой и новой дробилки соответственно в кВт·ч/т, Q - производительность в т/ч, T - годовой фонд рабочего времени в часах, Ц - стоимость электроэнергии. Например, при замене дробилки с удельным расходом 1,5 кВт·ч/т на модель с расходом 1,2 кВт·ч/т, производительности 250 т/ч, работе 6000 часов в год и тарифе 5 рублей за кВт·ч, годовая экономия составит: (1,5 - 1,2) × 250 × 6000 × 5 = 2,25 миллиона рублей. Срок окупаемости инвестиций определяется отношением капитальных затрат к годовой экономии.
