Ресурсосберегающий высокопроизводительный способ дезинтеграции кусков горной породы и щековая дробилка для его осуществления
RESOURCE-SAVING HIGH-PERFORMANCE METHOD FOR THE DISINTEGRATION OF ROCK PIECES AND A JAW CRUSHER FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к строительно-дорожной, горнорудной отрасли и может быть использовано в промышленности для производства щебня, гравия и шихтового концентрата.
Известен способ статического разрушения сжатием кусков горной породы между неподвижной и подвижной щеками, установленными в камере дробилки под некоторым углом друг к другу, образуя клиновую полость, в которой расположены куски различного размера (Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых// Андреев С.Е., Зверевич В.В., Перов В.А. М.: «Недра», 1966, стр.152-155).
Недостатком известного способа является его большая энергоемкость, а также ограниченность реализации способа только в щековых дробилках с верхним подвесом подвижной щеки. В известном способе циклическое сжатие кусков осуществляют за счет сближения щек путем линейного увеличения перемещения сближения по мере снижения поперечного размера кусков, расположенных по высоте клиновой полости. Перемещение сближения определяет абсолютную деформацию сжатия кусков различного размера. В тех случаях, когда деформация достигает предельных значений, происходит разрыв куска на две или более частей. Абсолютная деформация разрушения куска прямо пропорциональна его поперечному размеру. Откуда следует, что закон сближения щек, как рабочего инструмента дробилки не соответствует деформациям разрушения кусков различного размера, когда большим по размеру кускам должна быть обеспечена и большая деформация сжатия. Это приводит к тому, что крупные куски горной породы, расположенные в верхней части клиновой полости камеры не разрушаются при однократном на них силовом воздействии со стороны щек дробилки. Разрушение крупных кусков происходит лишь когда количество циклов сжатия достигнет определенной величины по принципу малоцикловой усталости (ориентировочно 10-12 циклов). Что касается нижних меньших по размеру кусков, то они передеформируются (измельчаются), образуя большое количество мелких фракций - не кондиции.
Известен способ разрушения кусков горной породы по кинематике сближения плит рабочего инструмента, реализующий закон снижения перемещения по мере снижения поперечного размера кусков, то есть по высоте клиновой полости рабочей камеры дробилки (Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых// Андреев С.Е., Зверевич В.В., Перов В.А. М.: «Недра», 1966, стр.151).
Недостатками известного способа являются: низкая производительность процесса, высокая энергоемкость процесса одностадийного дробления, а также низкий выход готовой продукции, из-за высоких потерь на некондиционную фракцию.
Известно устройство для осуществления разрушения кусков горной породы в виде щековой дробилки типа ЩДП (Патент РФ №2272671, В02С1/04), содержащее неподвижную щеку и ступенчатую подвижную щеку с верхним ее подвесом, образующие камеру дробления. Подвижная плита выполнена со ступенчатой формой рабочей поверхности, образуя с неподвижной щекой верхнюю, среднюю и нижнюю ступени камеры дробления углы захвата которых меньше допустимой величины, что обеспечивает захват кусков дробимого материала без их выброса наверх, при этом щеки установлены под углом захвата, большим допустимой величины, поэтому высота камеры дробления при неизменной ширине загрузочного проема уменьшена.
Недостатком известной дробилки является низкая степень одностадийного дробления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является щековая дробилка с простым качанием щеки, состоящая из электродвигателя станины с передней, задней и двумя боковыми стенками подвижной щеки, подвешенной на оси, закрепленной на боковых стенках станины приводного эксцентрикового вала со шкивом- маховиком, вращение от которого с помощью шатуна и распорных передней и задней плит шарнирно сочлененных с ним преобразуется в движение качания подвижной щеки, которая циклично приближается (при рабочем ходе) или отходит (при холостом ходе) от неподвижной щеки чему так же способствует тяга и пружина реактивная сила которой от ее сжатия участвуют в возврате подвижной щеки в исходное положение. (С.Е. Андреев и др. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. «Недра» М., 1966, с.152-155).
Недостатками известной дробилки являются:
невысокая производительность по причине малой деформации сжатия кусков горной породы расположенных в верхней части камеры дробления, что в итоге увеличивает время их разрушения;
высокая энергоемкость дробления, определяемая отношением затраченной работы разрушения к объему (массе) готового продукта необходимой фракции;
неконтролируемое измельчение кусков горной породы и большой выход мелкой фракции (отсева) в результате многочисленных локальных разрушений, которая не имеет спроса, но составляет весомую часть от исходной массы, поступающей на дробление.
Технологической проблемой заявляемой группы изобретений является обеспечение интенсификации процесса дробления (дезинтеграции), снижение удельных энергозатрат, а также объемов мелкодисперсных фракций (отсева) путем установления обоснованных взаимосвязей между технологическими параметрами процесса одностадийного дробления, конструктивными особенностями щековой дробилки и физико-механическими характеристиками дробимых кусков горной породы или других упруго-хрупких твердых тел.
Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в создании ресурсосберегающего (энергию, сырье) способа дробления кусков горной породы путем их сжатия между плитами рабочего инструмента (щек), реализуемого с помощью заявляемой щековой дробилки, с обеспечением высокой производительности процесса.
согласно изобретению,
Проблема решается тем, что в способе дезинтеграции кусков горной породы, заключающимся в том, что куски горной породы измельчают посредством щековой дробилки для чего в камеру дробления щековой дробилки, имеющую клинообразную форму, через ее верхний загрузочный проем загружают куски горной породы, которые послойно под собственным весом распределяются горизонтальными рядам в соответствии с их поперечными размерами, при этом циклическое разрушение кусков горной породы осуществляют посредством их контактного сжатия между щеками дробилки в моменты рабочего хода, а разгрузку кусков горной породы осуществляют через нижний проем камеры дробления в моменты холостого хода,  контактное сжатие кусков горной породы осуществляют синхронным перемещением обеих щек в сторону их суммарного сближения, при этом каждый горизонтальный ряд кусков горной породы сжимают щеками дробилки с возможностью обеспечения линейной деформации кусков горной породы с их разрывом преимущественно на две части при однократном силовом воздействии.
Кроме того, цикличность контактного взаимодействия кусков горной породы с футеровкой щек щековой дробилки, содержащей кривошипно-шатунный механизм, определяют из соотношения:
где
вр
-
скоростьвращения кривошипно-шатунного механизма, об/мин;
В - ширина загрузочного проема камеры дробления, м;
- среднее значение частной степени дробления кусков горной породы;
n - количество расположенных по высоте камеры дробления горизонтальных рядов кусков горной породы приблизительно одного размера.
отличающаяся тем, что
Поставленная проблема решается тем, что в щековой дробилке для осуществления способа по п.1, содержащая камеру дробления, электродвигатель, кривошипно-шатунный механизм, клиноременную передачу, маховик, установленные внутри камеры дробления щеки, одна из которых с верхним подвесом - подвижная, подвешена на оси кривошипно-шатунного механизма с возможностью качания,  другая щека установлена с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, расположенной вдоль тыльной стороны этой щеки, посредством приводного устройства, синхронизированного с приводом качания подвижной щеки, и создания суммарной деформации сжатия кусков горной породы при сближении щек в моменты рабочего хода для обеспечения разрыва кусков горной породы при однократном контактном силовом воздействии на них щек, при этом положение оси поворота по высоте камеры дробления устанавливают посредством механизма вертикального перемещения в зависимости от деформационных показателей разрушения кусков горной породы первого и последнего ряда. Геометрические параметры камеры дробления определяют следующими соотношениями:
где:
L - длина камеры дробления, м;
1
B=1,15D- ширина верхнего загрузочного проема камеры дробления;
1
D- средний размер исходного куска горной породы, м;
- среднее значение частной степени дробления кусков горной породы;
n - количество расположенных по высоте камеры дробления горизонтальных рядов кусков горной породы приблизительно одного размера.
H - высота камеры дробления, м.
Кроме того, приводное устройство щековой дробилки выполнено в виде силового гидроцилиндра, при этом синхронизацию периодов рабочего и холостого хода обеспечивают системой концевых переключателей, смонтированных на шатуне кривошипа и концевых фиксаторов граничных положений верхних и нижних кромок щеки, поворачиваемой посредством приводного устройства. А поворот щеки посредством приводного устройства осуществляется таким образом, что ось поворота располагается стационарно на одном горизонтальном уровне в нижнем сечении камеры дробления.
Сущность заявляемого способа и конструкции щековой дробилки для осуществления способа, изображена на чертежах, где:
на фиг.1, представлена кинематическая схема предлагаемого способа дезинтеграции кусков горной породы щековой дробилки;
на фиг.2, представлена схема щековой дробилки, реализующая заявляемый способ дезинтеграции кусков горной породы.
Щековая дробилка содержит две щеки, одна из которых подвижная 2, другая - щека 1 (фиг.2), установленная с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, расположенной вдоль тыльной ее стороны, эксцентриковый вал 3, шатун 4, распорные переднюю 5 и заднюю 6 плиты, тягу 7, оттягивающую пружину 8. Позицией 9 обозначена горизонтальная поворотная ось щеки 1, загрузочный проем камеры дробления 10 (от внутренней стенки щеки 1 до внутренней стенки подвижной щеки 2, на фиг.не показано), силовой гидроцилиндр 11, механизм вертикального перемещения 12, верхний и нижний концевые переключатели 13, упорная стена 14, нижний фиксатор 15, верхний фиксатор 16.
НВ
НВ,
Схема реализации предлагаемого способа дезинтеграции кусков горной породы в щековой дробилке с верхним подвесом подвижной щеки 2 (фиг.1), установленной под углом ((угол захвата) к щеке 1 в ее исходном вертикальном положении, обеспечивается возможность поворота щеки 1 относительно горизонтальной поворотной оси 9, с возможностью регулировки высоты ее горизонтального положения относительно верхнего загрузочного проема 10 камеры дробления. В результате рабочая поверхность щеки 1, расположенная между загрузочным проемом 10 камеры дробления и горизонтальной поворотной осью 9, перемещаясь навстречу подвижной щеки 2, создает дополнительную деформацию сжатия кусков горной породы, расположенных в верхних рядах. Одновременно с этим рабочая поверхность нижней части щеки от оси поворота до разгрузочного проема, удаляясь от подвижной щеки 2, снижает деформацию нижних кусков горной породы, тем самым устраняя их переизмельчение. Угол качания Δα подвижной щеки 2 по величине согласуются, как с углом поворота ϕ щеки 1, так и с параметром  таким образом, что суммарное сближение щек в моменты рабочего хода подвижной щеки обеспечивает разрыв каждого ряда кусков горной породы при однократном на них контактном силовом воздействии.
В результате синхронизированное по цикличности качающееся перемещение подвижной щеки 2 и поворот на некоторый расчетный угол щеки 1 создают суммарную деформацию сжатия на куски различного размера, обеспечивающую их разрыв при однократном силовом воздействии.
В щековой дробилке куски горной породы измельчаются путем сжатия между щекой 1 и подвижной щекой 2. Подвижная щека 2 за счет маятникового качания приближается (при рабочем ходе) или отходит (при холостом ходе) от щеки 1 при вращении эксцентрикового вала 3.
Одновременно от приводного механизма, например, гидроцилиндра, щека 1 поворачивается относительно горизонтальной поворотной оси 9, приближаясь верхней рабочей частью к подвижной щеке 2, за счет чего деформация сжатия верхних кусков горной породы вплоть до поворотной оси 9 дополнительно увеличивается, суммируясь с деформацией от подвижной щеки. Величина дополнительной деформации сжатия зависит от положения поворотной оси по высоте камеры дробления. С увеличением расстояния от горизонтальной плоскости загрузочного проема 10 до поворотной оси 9 дополнительная деформация увеличивается по линейному закону с началом координат в центре горизонтальной поворотной оси 9.
При повороте щеки 1, ее нижняя рабочая часть удаляется от подвижной щеки 2, что по линейному закону уменьшает деформацию сжатия нижних кусков, устраняя их переизмельчение. Таким образом, в период рабочего хода за счет суммарной деформации контактного сжатия от щек дробилки, осуществляется статическое разделение кусков горной породы, как правило, на две половины в каждом горизонтальном ряду в результате однократного силового воздействия на них. Во время холостого хода путем обратного поворота происходит возврат щеки 1 в вертикальное положение, при этом подвижная щека 2 отходит от щеки 1, образуя между ними (в нижнем сечении камеры) расстояние равное среднему размеру готового продукта, что и обеспечивает выгрузку дробленого материала вниз под действием собственного веса, т.е. сил гравитации.
Начало работы заявляемой щековой дробилки включает предварительную установку обоснованной для материала дробимых кусков горной породы величины горизонтального положения горизонтальной поворотной оси 9 щеки 1 с помощью механизма его вертикального перемещения 12, например, винтового типа. Одновременно на уровне разгрузочного проема в горизонтальной плоскости на обоснованном расчетным путем расстоянии от тыльной стороны щеки 1 устанавливается концевой переключатель 15 гидрозамка поршневой полости силового гидроцилиндра 11. По результатам дальнейшей работы щековой дробилки (производительность, удельные энергозатраты, объем отсева) расчетные установочные параметры уточняются в ту или иную сторону.
Щековая дробилка работает следующим образом. С пуском электродвигателя (на фиг.2 не показан) эксцентриковый вал 3 получает вращение, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма, распорных передней 5 и задней 6 плит, преобразуется в движение качания подвижной щеки 2 относительно оси ее верхнего подвеса. При этом ходу шатуна 4 вверх, совершаемому в течение половины оборота коленчатого вала, соответствует сближение подвижной щеки 2 с другой щекой 1. При движении шатуна 4 вниз, подвижная щека 2 под действием собственного веса, тяги 7 и оттягивающей пружины 8, отходит от щеки 1.
На шатуне 4 установлен упор концевых верхнего и нижнего переключателей 13, управляющих подачей рабочей жидкости в поршневую и штоковую полости силового гидроцилиндра 11. При воздействии упора на нижний концевой переключатель рабочая жидкость поступает в поршневую полость, а из штоковой полости она выходит на слив. В этом случае шток силового гидроцилиндра 11, выдвигаясь, воздействует на верхнюю половину щеки 1, поворачивает ее в направлении сближения с подвижной щекой 2, при этом нижняя часть щеки 1 отдаляется от подвижной щеки 2, что и определяет рабочий ход предлагаемой конструкции щековой дробилки. При воздействии упора на верхний концевой переключатель 13 рабочая жидкость поступает в штоковую полость гидроцилиндра 11, а из поршневой полости она выходит на слив, что обеспечивает обратное перемещение штока, за счет которого щека 1 занимает исходное вертикальное, положение, когда заканчивается холостой ход дробилки.
Для горных пород с различными физико-механическими и структурно-минералогическими свойствами, расположение горизонтальной поворотной оси 9 и концевого переключателя 15 изменяется, в силу чего ход штока силового гидроцилиндра должен также измениться, что требует согласования времени прихода в крайние (граничные) положения щеки 1 и подвижной щеки 2, а это является довольно сложной технической задачей.
В связи с чем для всех возможных случаев величины перемещения штока гидроцилиндра 11, проектными решениями обеспечивать ему скорость перемещения большую по сравнению с линейной скоростью качания подвижной щеки. В этом случае ход штока прекращается в крайних переднем и заднем положениях щеки 1 за счет гидрозамков, установленных на потоках рабочей жидкости как в поршневую, так штоковую полости гидроцилиндра. Управление включением гидрозамков обеспечивается дополнительными переключателями 15 и 16, а отключение их осуществляется концевыми переключателями 13, установленными на шатуне 4.
Таким образом, синхронизированные по циклам (рабочий ход, холостой ход) горизонтальные перемещения за счет качания подвижной щеки 2 и поворота щеки 1 создают силовые условия разрушения кусков породы различного размера в камере дробления при однократном на них контактном воздействии со стороны щек.
Габариты рабочей камеры дробления, а именно высота и длина будут обеспечивать упорядоченное размещение кусков горной породы различного размера по вертикальным сечениям (зонам) и одного размера по горизонтальным сечениям (рядам). В этом случае достигается баланс между непрерывно поступающим исходным объемом (массой) горной породы, и беспрепятственно выпускаемой продукцией заданного размера с учетом неизбежно образующейся мелочи, что отвечает условию достижения максимально-возможной производительности процесса одностадийного дробления.
Беспрепятственной разгрузке из нижней части камеры дробления последнего ряда кусков горной породы, т.е. готовой продукции и попутно образующейся мелочи, будет отвечать условие, когда время свободного падения дробильного продукта из занимаемой им зоны под действием силы тяжести, приравнивается периоду холостого хода, т.е. времени отхода подвижной щеки 2 и одновременного возврата за счет обратного поворота щеки 1 в исходное вертикальное положение. Это условие ограничивает стремление практики повысить производительность процесса за счет увеличения числа оборотов коленного вала. Завышенное значение числа оборотов снижает время разгрузки и таким образом способствует дополнительному переизмельчению готовой продукции и как следствие дополнительному потреблению электроэнергии.
Пример.
1
0
Рассмотрим случай расчета технологических и конструктивных параметров разработанного способа измельчения кусков горной породы применительно к щековой дробилке ЩДП-4х9. Максимально возможная величина перемещения подвижной щеки в верхнем сечении камеры дробления Sв=0,07D1=0.021 м. Исходный размер куска D=300 мм; средний размер куска готовой продукции dг.п=68 мм; степень одностадийного дробления i=4,4; высота рабочей камеры дробилки Н=1,1 м; расчетная длина рабочей камеры дробления L=1,75 м расчетная ширина загрузочного проема камеры дробления В=0,35 м.
Основные технологические параметры, определяющие практическую реализацию разработанного способа следующие:
В
где H - ордината оси поворота щеки от горизонтальной плоскости загрузочного проема;
Н - высота камеры дробления;
- перемещения соответственно в верхнем и нижнем сечениях камеры дробления, вызванные поворотом щеки 1;
- перемещение в верхнем сечении камеры дробления, вызванные качанием подвижной щеки.  (-перемещение в нижнем сечении камеры дробления);
- деформации разрушения кусков первого ряда и кусков последнего ряда, приведенные к верхнему и нижнему сечениям камеры дробления (данные деформации включают и перемещения, связанные с обмятием неровностей поверхности кусков до возникновения плотного контакта), /=1,5.
Деформации включают и перемещения, связанные с обмятием неровностей поверхности кусков горной породы до возникновения плотного контакта),
Для выбранных исходных и граничных данных имеем:
если
если
если
если
если
S
1
Деформация разрушения исходного куска  определяется для каждой горной породы на основании стендовых испытаний на прессе в координатах «усилие разрушения - деформация разрушения». Приведение деформации разрушения исходного куска горной породы к верхнему сечению камеры дробления осуществляется по формуле:
H
o
-
длина маятникового подвеса подвижной щеки.
Заявляемый способ и конструкция щековой дробилки дают возможность существенно повысить производительность процесса дробления, снизить удельное энергопотребление и отходы в виде попутно образующихся мелких фракций (отсева), что в совокупности обеспечивает высокую рентабельность производства строительно-дорожного высокопрочного щебня. При этом для горнорудной промышленности попутно образующаяся мелочь не является отходами, а представляет собой полуфабрикат для дальнейших стадий среднего и мелкого измельчения горных пород в процессе рудоподготовки с целью обогащения и производства шихтового концентрата. Вместе с тем, низкая производительность и высокое удельное энергопотребление измельчения руды на существующих щековых дробилках относятся к недостаткам процессов рудоподготовки.
В этом случае, заявляемая конструкция щековой дробилки несколько упрощается за счет исключения регулирования положения поворотного вала по высоте камеры дробления и стационарной его установки на одном горизонтальном уровне в нижнем сечении камеры дробления, что позволяет всей контактной поверхности щеки 1 при ее повороте за время рабочего хода сближаться с контактной поверхностью подвижной щеки 2 и тем самым увеличивать деформации разрыва всех кусков горной породы горизонтально расположенным по слоям согласно их поперечных размеров. При этом создаваемая дополнительная деформация сжатия кусков верхних рядов будет достаточной для их разрыва при однократном силовом воздействии, а избыточная деформация сжатия кусков нижних рядов только повысит степень одностадийного дробления, что в целом существенно увеличивает эффективность щековых дробилок применяемых в процессах рудоподготовки горного производства.