КОНУСНАЯ ИНЕРЦИОННАЯ ДРОБИЛКА С МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ ТРАНСМИССИЕЙ
CONICAL INERTIAL CRUSHER WITH MODERNISED TRANSMISSION

Изобретение относится к области тяжелого машиностроения, к дробильному измельчительному оборудованию, в частности к конусным дробилкам, и может быть использовано в технологических процессах строительной и горно-обогатительной отраслях промышленности.
Современные конусные инерционные дробильные агрегаты представляют собой сложные и трудоемкие в эксплуатации машины. Одна из самых важных проблем - это возможность создания эффективной конструкции, одновременно обладающей высокой надежностью, экономичностью, защитой от сбоев и вместе с тем простотой в эксплуатации и сервисном обслуживании.
Из уровня техники известно, что конусная инерционная дробилка содержит корпус с наружным конусом и размещенным внутри него внутренним конусом, обращенные друг к другу поверхности которых образуют камеру дробления. На валу внутреннего подвижного конуса установлен дебаланс, приводимый во вращение трансмиссией. При вращении дебаланса создается центробежная сила, заставляющая внутренний конус обкатываться по наружному конусу без зазора, если в камере дробления нет перерабатываемого материала (на холостом ходу); или через слой дробимого материала.
Теория вопроса описана в специальной литературе, например «Энциклопедия Машиностроение» под редакцией академика РАН Фролова К.В., Москва, Машиностроение, 2011, том IV-24 «Горные машины», ISBN 978-5-94275-567-6, содержит главу 7.3 «Конусные инерционные дробилки», стр. 418.
Одним из слабых мест конструкции конусной дробилки является трансмиссионный узел, иначе говоря, способ и устройство, используемые для передачи крутящего момента от двигателя к дебалансу. В общем случае, трансмиссионный узел должен обеспечивать передачу требуемого крутящего момента, одновременно быть надежным, компактным и экономически обоснованным с точки зрения стоимости его производства, монтажа и эксплуатационного обслуживания.
Известно применение шарового опорно приводного шпинделя в качестве трансмиссионного узла. Теория вопроса описана в литературе: «Вибрационные дробилки», Вайсберг Л.А. и другие, Издательство ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург, 2004, ISBN 93761-061-X, Расчет приводных элементов при нерегулярной обкатке внутреннего конуса, стр. 89, также рис. 33 и 34.
Конструкция шарового опорно-приводного шпинделя основана на «Универсальной муфте» (Universal joint), предложенной А. Рзеппа (A.Rzeppa) в 1933 году, патент на изобретение US 2010899. В специальной литературе данная конструкция имеет также название «шарнир равных угловых скоростей». Упомянутая муфта состоит из двух кулаков: внутреннего, связанного с ведущим валом, и наружного, связанного с ведомым валом. В обоих кулаках имеется по шесть тороидальных канавок, расположенных в плоскостях, проходящих через оси валов. В канавках находятся шарики, положение которых задается сепаратором, взаимодействующим с валами через делительный рычажок. Один конец рычажка поджимается пружиной к гнезду внутреннего кулака, другой скользит в цилиндрическом отверстии ведомого вала. При изменении относительного положения валов рычажок наклоняется и поворачивает сепаратор, который в свою очередь, изменяя положение шариков, обеспечивает их расположение в бисекторной плоскости. В данном шарнире крутящий момент передается через все шесть шариков. Предельный угол между осями валов 35-38°.
Известно применение опорно-приводного шпинделя в изобретении «Конусная инерционная дробилка», SU 1118408. Упомянутая дробилка содержит корпус с наружным конусом и сферической опорой внутреннего дробящего конуса, имеющего дебаланс и опорно-приводной шаровой шпиндель со сферической пятой, опертой на сферический подпятник, и упругую компенсационную муфту, нижняя полумуфта которой соединена с контрприводом, а верхняя - со шпинделем, верхняя полумуфта жестко соединена с опорно-приводным шпинделем, а сферическая пята и подпятник размещены на корпусе.
За прототип принимается изобретение «Инерционная конусная дробилка», RU 2174445, которое представляет собой пример использования шаровой опорно-компенсационной муфты для передачи крутящего момента при одновременном решении проблем динамического уравновешивания дробилки.
Согласно этому изобретению, в инерционной конусной дробилке, содержащей опертый на фундамент через эластичные амортизаторы корпус с наружным конусом и размещенный внутри него на сферической опоре внутренний конус, на валу которого с помощью подшипника смонтирован приводной неуравновешенный ротор с возможностью регулировки его центра тяжести относительно оси вращения, соединенной через шаровую опорно-компенсационную муфту и через размещенный в подшипниках корпуса промежуточный вал с приводным шкивом и двигателем; в которой корпус подшипника ротора и корпус шкива выполнены с цилиндрическими поверхностями, эксцентричными относительно оси вращения, шкив снабжен неуравновешенным грузом и упомянутые неуравновешенные грузы также выполнены эксцентричными и установлены с возможностью полного поворота на ответных эксцентрических цилиндрических поверхностях подшипника ротора и шкива и возможностью фиксации их в необходимом положении относительно эксцентриситета упомянутых поверхностей и друг друга.
Шаровая опорно-компенсационная муфта состоит из вертикально ориентированного опорно-приводного шпинделя, вставленного через подпятники в нижнюю (ведущую) и верхнюю (ведомую) полумуфты. В полумуфтах размещены по шесть полуцилиндрических канавок, на головках шпинделя размещены по шесть полусферических углублений, в которые вставлены соответственно шесть шариков. Нижняя полумуфта получает крутящий момент от промежуточного (ведущего) вала, приводит во вращение шпиндель, который в свою очередь вращает верхнюю (ведомую) полумуфту и соединенный с ней ротор (дебаланс).
Применение шаровой опорно-компенсационной муфты в качестве трансмиссии имеет существенные недостатки.
В данной муфте крутящий момент в каждый отдельный момент времени при каждом конкретном угле отклонения валов передается при помощи только двух шариков, находящихся на оси напряжения, в то время как остальные две пары шариков не нагружены. Рабочая пара шариков принимает на себя всю нагрузку и с увеличенной силой продавливает соответствующие им полуцилиндрические канавки, что приводит к быстрому износу полумуфт и выходу их из строя. Неравномерное распределение нагрузки и ограниченная площадь рабочего контакта шариков приводят в конце концов к разрушению самих шариков. Поскольку головка шпинделя полностью заключена в полумуфту, то постепенный износ внутренних элементов муфты нельзя контролировать визуально. Постепенный неконтролируемый износ приводит к нарушению геометрии устройства, что в свою очередь приводит к ограничению величины передаваемого крутящего момента, и наконец к полному и, как правило, аварийному (непредсказуемому) выходу из строя всего трансмиссионного узла, и остановке агрегата.
Специальные требования, предъявляемые к трансмиссионному узлу, определяются особенностями кинематической схемы конусной инерционной дробилки с использованием дебаланса, которая предполагает движение внутреннего конуса по сложным произвольным траекториям с возможностью расположения вала конуса в любом положении относительно вертикальной оси симметрии дробилки.
В связи с этим целью настоящего изобретения является создание такой схемы трансмиссионного узла, которая должна обеспечить надежную и свободную передачу крутящего момента от приводного вала ко втулке дебаланса без каких-либо ограничений при любом положении оси вала внутреннего конуса; при любом взаимном расположении оси вала внутреннего конуса и дебаланса в случае попадания в камеру дробления недробимых тел, при которых втулка дебаланса должна вращаться вокруг неподвижного вала внутреннего конуса, находящегося в непредсказуемом положении.
Кроме того, важным ограничивающим параметром является общая высота конструкции дробящего агрегата: если высота дробилки существенно увеличивается, то, как следствие, увеличивается высота всей технологической цепочки, доставляющей исходный дробимый материал в верхний подающий бункер, что увеличивает капитальные затраты на установку оборудования.
Следовательно, еще одной целью настоящего изобретения является по меньшей мере сохранение, а в лучшем случае уменьшение общей высоты дробильного агрегата.
Поставленная цель может быть реализована за счет принципиального изменения конструкции трансмиссионного узла.
За основу новой конструкции трансмиссионного узла предлагается взять компенсирующую дисковую муфту, которая впервые была предложена инженером Джоном Олдхемом, Ирландия, в 1820 году. Другие названия подобных устройств, используемые в специальной литературе: «кулачково-дисковая муфта», «крестово-кулисная муфта» или «муфта Олдхема» ( англ. «Oldham coupler»). Подробная информация изложена в Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki/Муфта_кулачково-дисковая.
Муфта Олдхема предназначена для передачи крутящего момента между двумя параллельными валами с целью компенсации радиального смещения осей вращения валов. Муфта состоит из двух полумуфт, выполненных в виде дисков: ведущей полумуфты, соединенной с ведущим валом, и ведомой полумуфты, соединенной с ведомым валом, между которыми расположен промежуточный плавающий диск. Каждая полумуфта имеет радиально расположенную шпонку на рабочей торцевой поверхности, плавающий диск имеет радиальные пазы, расположенные взаимно перпендикулярно друг другу на обеих торцевых поверхностях. Все торцевые поверхности деталей плоские. Шпонки полумуфт плотно входят в пазы плавающего диска таким образом, что пара шпонка-паз ведущей полумуфты перпендикулярна паре шпонка-паз ведомой муфты. Ведущие вал-полумуфта передают вращательный момент плавающему диску, который в свою очередь приводит во вращение ведомые полумуфту-вал.
В процессе работы плавающий диск вращается вокруг своего центра с той же скоростью, что ведущий и ведомый валы, при этом диск скользит по пазам, совершая движение вращения-скольжения, компенсируя радиальную несоосность валов. Для уменьшения потерь на трение и изнашивания сопряженных поверхностей они подлежат периодическому смазыванию, для чего в деталях муфты могут быть предусмотрены специальные отверстия.
Преимуществами классической конструкции муфты Олдхема является простота конструкции, обусловленная простотой составляющих ее деталей, как следствие этого, высокая надежность и компактный размер.
Недостатком классической конструкции муфты Олдхема является невозможность передачи вращательного момента в том случае, когда оси вращения ведущего и ведомого валов отклоняются на определенный угол, так называемое угловое смещение валов.
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование муфты Олдхема таким образом, чтобы на ее основе можно было создать трансмиссионный узел, передающий сложное вращение от ведущего вала дробилки ко втулке дебаланса, подразумевающее угловое смещение осей их вращения.
Поставленные задачи решаются в конусной инерционной дробилке, которая содержит:
опертый на фундамент через эластичные амортизаторы корпус с наружным конусом и размещенный внутри него на сферической опоре внутренний конус,
на приводном валу которого с помощью втулки скольжения расположен дебаланс с возможностью регулировки его центра тяжести относительно оси вращения,
втулка скольжения дебаланса соединена через трансмиссионную муфту с ведущим валом, со шкивом с закрепленным на нем противодебалансом, через который передается вращательный момент от двигателя.
Конусная инерционная дробилка имеет следующие отличия:
трансмиссионная муфта выполнена в виде дисковой муфты, которая состоит из ведущей полумуфты, выполненной в виде диска и соединенной через втулку и опорный диск с ведущим валом, имеющей вогнутую рабочую торцевую поверхность и вогнутую геометрию радиально расположенной на ней шпонки,
ведомой полумуфты, выполненной в виде диска и соединенной со втулкой скольжения дебаланса, имеющей выгнутую торцевую рабочую поверхность и выгнутую геометрию радиально расположенной на ней шпонки,
и расположенный между полумуфтами плавающий диск, имеющий выгнутую торцевую поверхность, обращенную к ведущей полумуфте и выгнутую геометрию радиально расположенного на ней паза, вогнутую торцевую поверхность, обращенную к ведомой полумуфте, и вогнутую геометрию радиально расположенного на ней паза, при этом пазы выполнены перпендикулярно друг другу.
Конусная инерционная дробилка имеет дополнительные отличия.
Диаметр ведущей полумуфты больше диаметра ведомой муфты и диаметра плавающего диска.
Ведущая полумуфта имеет установочные отверстия по периферии диска, совпадающие с установочными отверстиями по краю втулки.
Ведомая полумуфта имеет установочные отверстия по периферии диска, совпадающие с установочными отверстиями по краю втулки скольжения дебаланса.
Радиусы вогнутости и выгнутости сопряженных торцевых поверхностей дисков муфты равны, причем центры всех упомянутых радиусов расположены в одной точке, которая совпадает с центром радиуса кривизны внутренней поверхности сферической опоры внутреннего конуса.
Ведущая и ведомая полумуфта и плавающий диск имеют маслопроводящие отверстия, расположенные в центрах соответствующих дисков, причем маслопроводящее отверстие плавающего диска выполнено большего диаметра, чем маслопроводящие отверстия в полумуфтах.
Вращение трансмиссионной муфты может быть направлено в любую сторону.
Существо настоящего изобретения поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 показана общая схема инерционной конусной дробилки в поперечном разрезе.
На фиг. 2 и 3 представлена трансмиссионная муфта и сопряженные с ней элементы дробилки.
На фиг. 4 представлена трансмиссионная муфта в сборе, в рабочем положении.
Изобретение конструктивно реализуется следующим образом.
Корпус (1) установлен на фундамент (9) через эластичные амортизаторы (10).
Наружный дробящий конус (2) и внутренний дробящий конус (3), размещенный на сферической опоре (4), образуют между собой дробящую камеру. На валу (5) внутреннего конуса (3) установлена втулка скольжения дебаланса (12) и дебаланс (6). Втулка скольжения дебаланса (12) соединена трансмиссионной муфтой (13) со втулкой (14), которая одета на ведущий вал (31).
На ведущем валу (31) ниже уровня дна корпуса (1) закреплен приводной шкив (15), на котором смонтирован противодебаланс (11). Противодебаланс (11) находится в противофазе к дебалансу (6). Приводной шкив (15) выполнен с возможностью соединения его с электродвигателем.
Трансмиссионная муфта выполнена следующим образом.
Ведущая полумуфта (28) представляет собой диск с вогнутой рабочей торцевой поверхностью (33), вогнутой геометрией шпонки (27), маслопроводящим отверстием (30) и установочными отверстиями (29), расположенными по периферии диска. Оборотная (нерабочая) торцевая поверхность диска (28) имеет выступ, диаметр которого равен внутреннему диаметру втулки (14).
Ведомая полумуфта (17) представляет собой диск с выгнутой рабочей торцевой поверхностью (21), выгнутой геометрией шпонки (20), маслопроводящим отверстием (19) и установочными отверстиями (18), расположенными по периферии диска. Оборотная торцевая поверхность диска (17) имеет выступ, диаметр которого равен внутреннему диаметру втулки скольжения дебаланса (12).
Плавающий диск (24) имеет выгнутую торцевую поверхность (25), обращенную к ведущей полумуфте (28), и выгнутую геометрию паза (23), вогнутую торцевую поверхность (32), обращенную к ведомой полумуфте (17), и вогнутую геометрию паза (22), расположенного перпендикулярно пазу (23), и маслопроводящее отверстие (26).
Полумуфты (28) и (17) и плавающий диск (24) сопрягаются между собой вогнуто-выгнутыми торцевыми поверхностями таким образом, чтобы шпонки полумуфт плотно входили в соответствующие им пазы плавающего диска: шпонка (27) входит в паз (23) и шпонка (20) входит в паз (22). Маслопроводящие отверстия располагаются друг над другом, причем маслопроводящее отверстие плавающего диска (26) выполнено большего диаметра, чем маслопроводящие отверстия (19) и (30) в полумуфтах.
Втулка (14) имеет установочные отверстия (34), соответствующие установочным отверстиям (29) ведущей полумуфты (28), при помощи которых детали жестко соединяются друг с другом. Втулка дебаланса (12) имеет установочные отверстия (16), соответствующие установочным отверстиям (18) ведомой полумуфты (17), при помощи которых детали жестко соединяются друг с другом.
Внутри ведущего вала (31) предусмотрен масляный канал (7). Масляный патрубок (8) закреплен на входе в масляный канал с возможностью вращения.
Изобретение работает следующим образом.
От двигателя вращательный момент поступает на шкив (15), приводя в движение закрепленный на нем противодебаланс (11) и ведущий вал (31). Ведущий вал (31) приводит во вращение втулку (14) и связанную с ней ведущую полумуфту (28), которая передает вращательный момент к ведомой полумуфте (17) через плавающий диск (24) за счет сцеплений шпонка-паз.
Ведомая полумуфта (17) передает крутящий момент втулке скольжения дебаланса (12) и дебалансу (6). Последний развивает центробежную силу и через вал (5) заставляет внутренний конус (3) совершать обкатку по наружному конусу (2) через слой дробимого материала.
В случае если ведущий вал (31) и вал (5) расположены строго на одной оси вращения, то плавающий диск (24) совершает простое движение вращения, повторяя его за ведущей полумуфтой (28) и передавая вращение ведомой полумуфте (17).
В рабочем режиме дробилки (фиг. 4) упомянутые валы (31) и (5) имеют угловое расхождение осей вращения α, в этом случае плавающий диск (24) получает вращательный момент от ведущей полумуфты (28) и совершает сложное движение вращение-скольжение-качание за счет того, что собственно диск (24) вращается вокруг своей оси, шпонки (20) и (27) скользят в соответствующих им пазах (22) и (23), а сопряженные торцевые поверхности дисков (21) (32) и (25) (33) качаются за счет своей вогнуто-выгнутой геометрии.
Рабочее угловое расхождение упомянутых осей α составляет диапазон от 0º до 5º.
Сопряженные вогнуто-выгнутые торцевые поверхности дисков муфты плотно прилегают друг к другу, так как радиусы кривизны сопряженных поверхностей (21) и (32) равны между собой и радиусы кривизны сопряженных поверхностей (25) и (33) равны между собой, таким образом движение скольжения-качания дисков муфты происходит без зазора.
Все центры радиусов кривизны упомянутых сопряженных поверхностей находятся в той же точке, что центр радиуса кривизны внутренней поверхности сферической опоры (4) внутреннего конуса (3).
Таким образом, радиус вогнутой торцевой поверхности (33) ведущей полумуфты (28) больше радиуса выгнутой торцевой поверхности (21) ведомой полумуфты (17), который в свою очередь больше радиуса вогнутой внутренней поверхности сферической опоры (4) внутреннего конуса (3).
Все поверхности трения муфты нуждаются в смазке. Через масляный патрубок (8) масло под давлением подается в масляный канал (7), затем поступает к трансмиссионной муфте (13) через маслопроводящие отверстия дисков.
Диаметр маслопроводящего отверстия (26) плавающего диска (24) выполнен диаметром такого размера, большего, чем маслопроводящие отверстия (30) и (19), что при любом рабочем отклонении плавающего диска (26) и ведомой полумуфты (17) от вертикальной оси маслопроводящие отверстия не перекрываются и доступ масла ко всем сопряженным поверхностям муфты сохраняется.
Вращение трансмиссионной муфты может быть направлено в любую сторону.
По сравнению с традиционной для дробилок шаровой опорно-компенсационной муфтой предложенная в настоящем изобретении трансмиссионная муфта имеет ряд существенных преимуществ.
Прежде всего, центральным передаточным элементом предложенной муфты является простой плавающий диск с искривленными торцевыми поверхностями и двумя пазами, в то время как шаровая опорно компенсационная муфта в качестве передаточного звена имеет гантелевидный опорный шпиндель сложной конструкции с шестью парами углубление-шарик, расположенными одновременно с двух сторон.
В качестве полумуфт в предложенной муфте выступают простые диски с искривленными торцевыми поверхностями и радиально расположенными шпонками, в то время как шаровая опорно-компенсационная муфта имеет полумуфты в виде сложных полых цилиндров с дном и с полуцилиндрическими канавками, сформированными на их внутренней поверхности и точно ориентированными на пары углубление-шарик. Следовательно, конструкция предложенной муфты значительно проще.
Очевидно, что конструктивное сопряжение шпонка-паз может выдерживать значительно большие нагрузки в течение более длительного времени, чем сопряжение канавка-шарик-углубление.
Следовательно, трансмиссионная муфта может дольше работать при передаче большего крутящего момента без риска аварийного выхода из строя, следовательно, возможно использование приводного двигателя большей мощности при тех же характеристиках дробильного агрегата. Таким образом, один и тот же дробильный агрегат, оборудованный предложенной муфтой, может работать в более широком диапазоне мощностей и нагрузок, что делает его более универсальной машиной.
Вертикальный размер предложенной муфты меньше, чем вертикальный размер шаровой опорно-компенсационной муфты, примерно наполовину, следовательно, конструктивный раздел корпуса дробилки, отведенный под трансмиссионный узел, соразмерно уменьшается. Реализация настоящего изобретения даст возможность понизить весь дробильный агрегат примерно на 17-20% от первоначальной высоты.
Стоимость производства предложенной муфты ввиду ее конструктивной простоты существенно ниже, чем стоимость традиционной муфты, а учитывая также экономию затрат на упрощенный монтаж и на снижение высоты корпуса, общую стоимость дробильного агрегата можно уменьшить примерно на 5-10%.
Все детали муфты можно легко разделять и заменять независимо друг от друга, не разбирая другие детали машины, что гарантируется простым способом крепления дисков муфты к несущим деталям агрегата. Визуальный контроль за ее состоянием и степенью износа можно осуществлять через люк в боковой части корпуса. Следовательно, предложенная муфта требует упрощенное сервисное обслуживание, значительно менее затратное и более удобное в реальных полевых условиях.
Трансмиссионная муфта может быть изготовлена из любых конструкционных материалов и их сочетаний, при этом выбор материалов обуславливается конкретными условиями эксплуатации; при помощи любых известных методов механической обработки материалов.
Однако наилучшим сочетанием с точки зрения оптимизации работоспособности будет вариант, при котором полумуфты и шпонки изготовлены из высокопрочных легированных марок сталей, плавающий диск может быть изготовлен из высокопрочных пластиков или из бронзового сплава, а в качестве способа крепления шпонок будет использован способ «прессовой посадки».