1. Классификация щековых дробилок

Щековые дробилки среди различных типов дробильного оборудования получили наибольшее распространение. Принцип их работы заключается в следующем.

В камеру дробления, имеющую форму клина и образованную двумя щеками, из которых одна в большинстве случаев неподвижная, а другая подвижная, подается материал, подлежащий дроблению. В процессе работы машины с клинообразной формой камеры дробления куски материала располагаются по высоте камеры в зависимости от их крупности: более крупные вверху, менее крупные внизу. Подвижная щека периодически приближается к неподвижной, причем при сближении щёк (ход сжатия) куски материала дробятся, при отходе подвижной щеки (холостой ход) куски материала продвигаются вниз под действием силы тяжести и выходят из камеры дробления, если их размеры стали меньше наиболее узкой части камеры, называемой выходной щелью, или занимают новое положение, соответствующее своему новому размеру. Затем цикл повторяется.

Конструкция щековых дробилок сравнительно проста и надежна, однако их некоторые специфические особенности, о которых речь будет идти ниже, заставляли исследователей и конструкторов изыскивать различные конструктивные решения, улучшающие процесс дробления.

За более чем столетний период промышленного выпуска щековых дробилок было предложено и осуществлено много различных кинематических схем этих машин, основные из которых приведены на рис. 1.1 и 1.2.

В зависимости от кинематических особенностей механизма все щековые дробилки можно разделить на две основные группы.

Группа 1 – дробилки, у которых движение от кривошипа к подвижной щеке передается определенной кинематической цепью (рис. 1.1). При этом траектории движения подвижной щеки представляют собой части дуги окружности. Эти машины называются щековыми дробилками с простым движением подвижной щеки.

Группа 2 – дробилки, у которых кривошип и подвижная щека или кривошип и одна из подвижных щек образуют единую кинематическую пару. В этом случае траектории движения точек подвижной щеки представляют собой замкнутые кривые, в большинстве случаев эллипсы. Дробилки с такой кинематикой называются щековыми дробилками со сложным движением подвижной щеки (рис. 1.2).

На рис 1.3 приведены две кинематические схемы щековых дробилок с простым (а) и со сложным (б) движением подвижной щеки. Эти схемы соответствуют схемам 1 (рис. 1.1 и 1.2) и являются сейчас основными. Щековые дробилки по данным схемам изготовляют в большом количестве различных типоразмеров во многих странах.

Рис. 1.1. Кинематические схемы щековых дробилок

различных типов: группа 1

В дробилках с простым движением (рис. 1.3, а) подвижная щека подвешена на неподвижную ось. Шатун дробилки верхней головкой шарнирно соединён с приводным эксцентриковым валом. В нижнюю часть шатуна шарнирно упираются две распорные плиты, одна из которых противоположным концом упирается в нижнюю часть подвижной щеки, другая – в регулировочное устройство.

При вращении эксцентрикового вала нижняя часть шатуна двигается вверх и вниз, угол между распорными плитами изменяется и подвижная щека получает качательное движение. Траектории движения точек подвижной щеки представляют собой дуги окружности, общим центром которых является центр оси подвеса. Наибольший размах качания (ход сжатия) имеет нижняя точка подвижной щеки. Чем ближе расположена точка подвижной щеки к центру оси подвеса, тем ход этой точки будет меньше. За ход сжатия какой-либо точки подвижной щеки принимают проекцию траектории движения данной точки на нормаль к неподвижной щеке.

Рис. 1.2. Кинематические схемы щековых дробилок

различных типов: группа 2

Так как в большинстве случаев неподвижная щека вертикальна, можно рассматривать горизонтальные и вертикальные составляющие траектории движения отдельной точки подвижной щеки. Если горизонтальную составляющую хода подвижной щеки в нижней точке камеры дробления принять равной x, то в большинстве существующих конструкций дробилок с простым движением ход в верхней точке камеры будет равен примерно 0,5x. Вертикальные составляющие хода равны соответственно 0,3 и 0,5х.

Срок службы дробящих плит находится в прямой зависимости от вертикальной составляющей хода (при прочих равных условиях), что подтверждается практикой эксплуатации щековых дробилок. На дробилках с простым движением при малой вертикальной составляющей хода сжатия дробящей плиты служит в несколько раз дольше, чем на дробилках со сложным движением, где этот ход намного больше. В этом заключается преимущество кинематической схемы дробилки с простым движением. Другим достоинством этой схемы является обеспечение большого выигрыша в силе верхней части камеры дробления, что очень важно при дроблении кусков горной породы больших размеров и высокой прочности.

Недостатком дробилок с простым движением является малый ход сжатия в верхней части камеры дробления. В верхнюю часть камеры дробления попадают крупные куски материала, для надёжного захвата и дробления которых необходим больший ход, чем в нижней части, где дробятся куски меньших размеров и формируется готовый продукт. Поэтому в нижней части камеры дробления ход сжатия должен быть соответственно меньше.

а б

Рис. 1.3. Кинематическая схема щековых дробилок:

а – с простым движением щеки; б – со сложным движением щеки

В дробилке с простым движением щеки имеет место обратное явление, т.е. наибольший ход сжатия имеет низ подвижной щеки, в верхней же части этот ход значительно меньше. Таким образом, в дробилке с простым движением при выгодных условиях для обеспечения необходимых усилий дробления

создаются невыгодные условия для надёжного захвата и дробления материала в верхней части камеры дробления.

В дробилках со сложным движением подвижная щека подвешена на эксцентричной части приводного вала. Низ подвижной щеки шарнирно опирается на распорную плиту. Другим концом распорная плита опирается на регулировочное устройство.

Дробилка со сложным движением наиболее проста по конструкции, компактна и наименее металлоёмка по сравнению с дробилками других типов. У такой дробилки (см. рис. 1.3, б) траектория движения подвижной щеки представляет собой замкнутую кривую. В верхней части камеры дробления эта кривая – эллипс, приближающийся к окружности, в нижней части – сильно вытянутый эллипс.

Если принять горизонтальную составляющую хода в нижней точке подвижной щеки равной x, то горизонтальная составляющая в верхней точке будет равна 1,5х, а вертикальные составляющие хода соответственно 3х и 2,5х.

Интенсивное истирание камня в нижней части камеры дробилки при сложном движении щеки происходит вследствие большой вертикальной составляющей хода. При дроблении прочного и абразивного материала это приводит к быстрому износу дробящих плит. Кроме того, при истирании образуется большое количество переизмельченного материала, на что непроизводительно расходуется некоторая часть мощности, потребляемая при дроблении.

В этих дробилках горизонтальный ход щеки в верхней части камеры дробления достаточен для интенсивного дробления, а направление движения верхних точек подвижной щеки в сторону разгрузки способствует лучшему захвату куска породы.

Кинематика щековой дробилки со сложным движением определяет работу дробилки, которая отличается от работы дробилки с простым движением ещё следующей особенностью.

При вращении эксцентрикового вала подвижная щека поднимается кверху и приближается к неподвижной, т.е. происходит ход сжатия. В это время в верхней части камеры дробления подвижная щека отходит от неподвижной. При движении эксцентрика дальше верх и низ подвижной щеки приближаются к неподвижной (это общий участок хода сжатия), а потом верх будет продолжать приближаться к неподвижной щеке, низ начнёт отходить. При дальнейшем движении эксцентрика верх и низ подвижной щеки будут отходить от неподвижной (это общий участок холостого хода).

Таким образом, дробление материала, находящегося в камере дробления щековой дробилки со сложным движением подвижной щеки, происходит в течение 3/4 оборота эксцентрикового вала, а полный отход щеки только в течение четверти оборота, т.е. при движении подвижная щека как бы покачивается. В результате такого движения подвижной щеки дробилки со сложным движением менее подвержены залипанию при дроблении вязких пород.

Из сказанного следует, что дробилки с простым движением подвижной щеки могут быть с успехом применены при дроблении высокопрочных и абразивных пород, а дробилки со сложным движением более приспособлены для дробления пород со средней прочностью и меньшей абразивностью. Однако из-за меньших масс и габаритных размеров дробилок со сложным движением их зачастую используют и при дроблении прочных и абразивных пород, в частности на передвижных дробильно-сортировочных установках, где указанные преимущества имеют решающее значение.

Особенности щековых дробилок, выполненных по другим кинематическим схемам (см. рис. 1.1 и 1.2), подробно рассмотрены в специальной литературе [2].

Дробилки группы 1. (см. рис. 1.1) Щековая дробилка с нижним расположением эксцентрикового вала.

Схема 2. Данная схема была применена впервые американской фирмой Телемит, и вначале считалось, что в результате действия усилий непосредственно на узел эксцентрикового вала она может применяться только для машин среднего типоразмера.

Схема 3. Это кинематическая схема дробилки с простым движением подвижной щеки английской фирмы Марсден. Дробилка имеет шарнирно-рычажный механизм с балансиром. Эта конструкция не получила распространения ввиду сложности и отсутствия каких-либо преимуществ по сравнению с более простой конструкцией дробилки по схеме 1.

Схема 4. Весьма оригинальный привод имеет дробилка с простым движением щеки, сконструированная по этой схеме германской фирмой Кроте. При вращении вала шар, заключенный между пятой вала и подвижной щекой, обегает по наклонному выступу щеки и тем самым придаёт ей качательное движение. Эти дробилки не получили распространения вследствие сложности конструкции.

Схема 5. Фирмой Кеппрен (ФРГ) изготовлена по лицензии щековая дробилка с гидроприводом. Это первая щековая дробилка, в механизме которой жесткая механическая связь между отдельными звеньями заменена объёмным гидроприводом. Преимуществом данной конструкции является возможность управления временем цикла дробления и надёжность защиты от перегрузок.

Схема 6. По сравнению с другими типами щековых дробилок ударно- щековые динамически менее уравновешенны, что объясняется спецификой самого принципа дробления и конструкции машины. Вследствие этого требуются более мощные фундаменты, масса которых должна быть не менее пятикратной массы монтируемой дробилки.

Схемы 7, 8 и 9 – схемы дробилок с кулачковым механизмом привода. Наличие высшей кинематической пары – кулачка и ролика, соприкасающихся не по поверхности, а по линии, значительно снижает срок службы механизма дробилки. В настоящее время дробилки с кулачковым механизмом не изготовляют.

Схемы 10, 11 и 12. Дробилки, сконструированные по этим схемам, относятся к дробилкам с простым движением щеки при расположении оси подвеса внизу.

Изготовление дробилок такого типа вызвано стремлением увеличить ход подвижной щеки вверху, где дробятся крупные куски, и, наоборот, уменьшить ход её внизу, где формируется готовый продукт. Однако кинематические схемы этих дробилок нельзя признать удачными, так как действующие в них усилия обратно пропорциональны полезному сопротивлению, т.е. наибольшее усилие может быть получено внизу зева, а не вверху.

Ввиду малого хода подвижной щеки внизу выходная щель дробилки часто забивается материалом. Поэтому дробилки этого типа выпускают сравнительно небольших размеров и применяют там, где требуется мелкий и однородный продукт измельчения. Имеется несколько конструкций этих дробилок, изготовленных примерно по одной и той же кинематической схеме.

Схемы 13, 14 и 15. Для получения более высоких степеней измельчения приходится прибегать к двух- или трёхступенчатому дроблению, что вызывает необходимость постройки сложных сооружений. Попытки увеличить степень измельчения щековых дробилок в одном агрегате привели к созданию дробилок с двумя или несколькими камерами дробления.

Впервые такая дробилка была выпущена в 20-х годах фирмой Бакстер. В этой дробилке крупные куски дробились в верхней камере, из которой материал поступал в две камеры мелкого дробления. Подвижные щеки приводились в движение при помощи весьма сложного кулачкового механизма. Дробилки Бакстер распространения не получили.

Схема 16 и 17. Первая схема – дробилки германской фирмы Шранц, вторая схема – дробилки фирмы Стартевант. Создание этих дробилок вызвано стремлением более равномерно распределить ход сжатия по глубине камеры дробления, т.е. без большого истирания материала. Однако конструкция этих дробилок усложнена, поэтому не получила распространения.

Схема 18. В дробилке, сконструированной по этой схеме, обе щеки подвижные с приводом от одного общего эксцентрикового вала. Углы наклона распорных плит обеспечивают необходимый ход сжатия в верхней и нижней частях камеры дробления. Дробилка имеет сложную конструкцию.

Дробилки группы 2 (см. рис. 1.2). По этой схеме итальянская фирма Бартельмес изготовляла дробилки с удлиняющейся книзу камерой дробления. Несимметричные дробящие плиты в нижней части быстро изнашивались, поэтому дробилка распространения не получила, тем более что само по себе удлинение камеры дробления книзу не всегда обеспечивает увеличение производительности.

Схема 3. В дробилке, сконструированной по этой схеме, вместо распорной плиты применён ролик. При такой конструкции нижней опоры подвижной щеки нельзя рассчитывать на применение дробилки для дробления прочных пород, так как усилия дробления вызывают большую составляющую силу, действующую на ролик и опорные поверхности, имеющие контакт по линии. Дробилки, выполненные по такой схеме, распространения не получили.

Схема 4. Дробилка имеет два эксцентриковых вала, соединенных зубчатой передачей. На одном валу подвешена подвижная щека с плитой, на другом – шатун, связанный с двумя распорными плитами. Вследствие определённого передаточного отношения зубчатой передачи подвижная щека дробилки движется по сложной траектории, повторяющейся через 11 оборотов главного вала. Опыт эксплуатации этих дробилок в нашей стране показал, что они имеют ряд преимуществ, но очень сложны в изготовлении и эксплуатации.

Схема 5. Кинематическая схема дробилки как бы сочетает в себе две кинематические схемы: простого и сложного движения схемы 1 (см. рис. 1.1 и 1.2). Поэтому дробилка условно названа дробилкой с комбинированным движением подвижной щеки. Подвижная щека дробилки и шатун расположены на общем эксцентриковом валу в отличие от дробилки, выполненной по схеме 4 (см. рис. 1.2), где примерно то же сочетание выполнено конструктивно сложнее, с двумя эксцентриковыми валами и с зубчатой передачей между ними. Конструкция дробилки обеспечивает равномерный ход сжатия во всех сечениях камеры дробления при сравнительно малой вертикальной составляющей, т.е. при малом истирании. Однако эта дробилка так же сложна в изготовлении и эксплуатации, поэтому, несмотря на ряд преимуществ, распространения не получила.

Схема 6. Для увеличения хода внизу при сложном движении щеки английская фирма Бродбент предложила весьма сложную конструкцию дробилки. У этой дробилки при большом ходе сжатия вверху и внизу камеры дробления средняя часть имеет недостаточный ход. Дробилка этой фирмы сложнее и хуже дробилок более простых конструкций, например дробилок, выполненных по схеме 1, поэтому не получила распространения.

Схема 7. По этой схеме сконструирована чехословацкая дробилка, относящаяся к машинам со сложным движением подвижной щеки при нижнем её подвесе. Дробилку применяют для мелкого дробления различных материалов, но из-за сложности конструкции она широкого распространения не имеет.

Схемы 8, 9, 10 и 11. Для уменьшения износа дробящих плит, а также для повышения производительности в результате сообщения дополнительной скорости разгрузки материалу, заключенному в камере дробления, некоторыми фирмами разработаны конструкции дробилок с двумя подвижными щеками. В этих дробилках взаимное перемещение плит по вертикали практически отсутствует.

В дробилке схема 8 одна из подвижных щек (основная) подвешена на эксцентриковом валу так же, как в дробилке со сложным движением. Другая подвижная щека опирается на две распорные плиты и соединена тягой с нижней частью первой подвижной щеки. Единственным преимуществом в этой дробилке по сравнению с дробилкой сложного движения является меньший износ дробящих плит. Однако схема устройства рычагов в дробилке усложняет конструкцию.

В дробилках с двумя подвижными щеками, сконструированных по кинематической схеме 9, каждая щека подвешена нижней частью к эксцентриковому валу. Впервые подобные дробилки предложила фирма Альпинен (Германия). В этих дробилках верхние части подвижных щек скользят по направляющим. При такой схеме наименьший ход сближения плит происходит вверху, наибольший – внизу. Недостатки такой конструкции отмечены выше.

Фирма Ведаг (Германия) устранила этот недостаток путём опоры подвижных щек в верхней части на наклонные распорные плиты, что обеспечивает достаточный ход сжатия в верхней части камеры дробления.

Фирма Айова – Цедерапидс (США) сконструировала дробилки по кинематической схеме 10. В отличие от дробилок, изготовленных по схеме 9, в дробилке Цедерапидс эксцентриковые валы расположены наверху, поэтому дробилка представляет собой как бы спаренную дробилку со сложным движением, выполненную по схеме 1. Дробилка подобной конструкции изготовлялась в России. Однако, так как два эксцентриковых вала и зубчатая или цепная передачи для синхронизации вращения валов значительно усложняют механизм дробилки, а следовательно, резко понижают надёжность его работы, эти дробилки распространения не получили, хотя и имели высокие технико-эксплутационные показатели.

По схеме 11 сконструирована дробилка американской фирмы Эберсол. В этой дробилке точки одной подвижной щеки, непосредственно связанной с эксцентриковым валом, совершают круговое движение. Другая подвижная щека движется вверх и вниз аналогично движению щеки в дробилке фирмы Эжекто (схема 8). При такой кинематической схеме относительное движение дробящих плит по вертикали практически отсутствует, что значительно увеличивает срок службы дробящих плит. Кроме того, в дробилке Эберсол имеются две камеры дробления: первая (верхняя) для грубого дробления, вторая (нижняя) для окончательного (мелкого) дробления. Перед вторичным дроблением отсевается мелкая фракция, полученная в верхней камере. Выходная щель дробилки может быть отрегулирована таким образом, чтобы при полной загрузке верхней камеры материал, поступающий в нижнюю камеру, успевал измельчиться.

Дробилки фирмы Эберсол применяли в стационарных и передвижных установках. В настоящее время их выпуск прекращен.

Схема 12. Фирма Айова – Цедерапидс рекламировала дробилки с двумя камерами, сконструированные по кинематической схеме 12. В этой дробилке вторая камера (меньшая по размеру) служит для дополнительного дробления материала, прошедшего через первую. Конструкция дробилки напоминает конструкцию двухкамерной дробилки завода Цемаг (см. рис. 1.1, схема 13), и всё сказанное по поводу дробилки Цемаг следуют отнести и к двухкамерной дробилке Цедерапидс.

Рассматривая кинематические схемы, показанные на рис. 1.1 и 1.2, можно сделать вывод, что большинство схем представляет собой различные конструктивные варианты кинематических схем простого и сложного движений, т.е. траектория движения подвижной щеки принципиально не изменяется. В большинстве случаев изменение кинематической схемы вызывало усложнение как самой схемы, так и конструкции машины. Получаемый небольшой технико-экономический эффект не оправдал усложнения конструкции и удорожания ремонта.

Не оправдавшие себя конструкции дробилок, несмотря на значительное распространение (см. рис. 1.1, схемы 7 – 12), постоянно вытеснялись более рациональными конструкциями. Наиболее устойчивыми конструкции щековых дробилок из всех рассмотренных оказались первоначальные варианты дробилок с кинематическими схемами простого и сложного движений (см. рис. 1.1 и 1.2, схемы 1), предложенные примерно 100 лет назад и имеющие сейчас повсеместное применение.