СПОСОБ ДРОБЛЕНИЯ ХРУПКОГО МАТЕРИАЛА В КОНУСНОЙ ДРОБИЛКЕ С УПОРАМИ
METHOD FOR CRUSHING BRITTLE MATERIAL IN A CONE CRUSHER WITH STOPS

Изобретение относится к способам дробления твердых неметаллических горных пород и может быть использовано в горнодобывающей промышленности. Изобретение может быть отнесено к конусным дробильным машинам.
Известны конусные дробилки, включающие корпус, вал, напрессованный на верхнюю часть вала дробящий конус и образующий с корпусом дробящую камеру (Клушанцев Б.В. и др. Дробилки. Конструкция, расчет, особенности эксплуатации. - М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.). Также известны конструкции конусных дробилок (патент RU 2450860, МПК В02С 2/04, опубл. 20.05.2012 Бюл. №14; патент RU 2549777, МПК В02С 2/04, опубл. 27.04.2015 Бюл. №12; патент RU 97103498, МПК В02С 2/02, опубл. 10.04.1999). В известных конструкциях конусных дробилок разрушение дробимого материала в камере дробления осуществляется за счет сближения рабочих поверхностей подвижного и неподвижного конусов, то есть разрушение куска происходит преимущественно за счет усилий сжатия. Данный процесс дробления требует значительных затрат энергии на разрушение дробимого материала, и, следовательно, установки более мощных электродвигателей.
Существуют способы дробления материала в валковых дробилках (патент RU 2583096, МПК В02С 4/12, опубл. 10.05.2016 Бюл. №13, патент RU 2524536, МПК В02С 4/12, опубл. 27.07.2014 Бюл. №21, патент RU 2528702, МПК В02С 4/12, опубл. 20.09.2014 Бюл. №26), когда на поверхностях рабочих органов устанавливаются зубья (в виде гребней), упоры. Недостатками данных способов является низкая эффективность процесса дробления и невысокая производительность.
Известен способ дробления материала в конусной дробилке (патент RU 1827867, МПК В02С 2/04, опубл. 10.09.1995). Данный способ используется для получения мелкой и тонкой фракции помола. На поверхностях рабочих органов (на подвижном и неподвижном конусах) конусной дробилки установлены ножи, закрепленные по лемнискатам и ориентированные навстречу друг другу. Данное устройство предназначено для мелкого дробления и имеет недостаток - быстрый износ поверхности ножей. Данный способ является ближайшим аналогом заявленному способу, поскольку рабочая поверхность конусов традиционно выполняется «гладкой».
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности работы конусной дробилки за счет снижения затрат энергии на разрушение дробимого материала, что позволит использовать двигатели меньшей мощности и сократить затраты электроэнергии. Кроме того, предполагается существенное снижение количества переизмельченного материала за счет снижения межкускового взаимодействия внутри камеры дробления.
Решение технической проблемы заключается в том, что предложен способ разрушение дробимого куска в дробилке в результате деформации сдвига, то есть разрушение куска происходит под действием сил, действующих в параллельных плоскостях на очень малом расстоянии друг от друга, и направленных в противоположные стороны. Как известно, разрушение материала в плоскостях (плоскости сдвига), в которых действуют максимальные касательные напряжения, требует гораздо меньших усилий, чем разрушение материала под действием сжимающих сил, когда действуют нормальные напряжения. Снижение усилий, требуемых для разрушения дробимого материала, позволит сократить затраты электроэнергии на процесс дробления материала.
Отличительной особенностью заявленного способа дробления хрупкого материала в конусной дробилке является подвижный конус дробилки с упорами и его движение относительно неподвижного конуса с упорами, при том, что в традиционных конусных дробилках подвижный конус совершает качательное движение и его поверхность, как и поверхность неподвижного конуса упоров не имеют. (Клушанцев Б.В. и др. Дробилки. Конструкция, расчет, особенности эксплуатации. - М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.).
Технический результат, заключатся в том, при вращении конуса, упор, расположенный на подвижном конусе, вступает в контакт с дробимым куском, и в результате того, что часть дробимого куска, находящаяся в камере дробления, не может двигаться вместе с подвижным конусом, из-за упоров, расположенных на поверхности неподвижного конуса, происходит разрушение дробимого куска. Существенной особенностью данного способа является напряженное состояние, возникающее в дробимом куске в процессе работы дробилки, и зависящее от расположения рабочих поверхностей упоров относительно конусов.
Для реализации данного способа предлагается конструкция (фиг. 1), отчасти схожая с конструкцией конусной дробилки крупного дробления. Предлагаемая конструкция состоит из двух конусов: внутреннего подвижного 1 и внешнего неподвижного 2. Внутренний конус 1 осуществляет вращательное движение относительно своей вертикальной оси 5 посредством электропривода. На его поверхности установлены упоры 3, которые в данной конструкции выполнены в виде гребней в поперечном сечении, расположенные по всей длине конуса 1, а их рабочая поверхность направлена в сторону вращения. Внешний конус 2 дробилки неподвижен и является ее корпусом. На поверхности неподвижного конуса 2 также имеются упоры 4. Профиль упоров 3 и 4 конструктивно может иметь различные очертания. Сами упоры 3 расположены по всей поверхности конуса 1 с некоторым интервалом, при этом их высота изменяется на протяжении от загрузочного отверстия, расположенного вверху камеры дробления, до выходной щели. Аналогично выполняется расположение упоров 4 на поверхности неподвижного внешнего конуса 2. Между упором 3 подвижного конуса 1 и упором 4 неподвижного конуса 2 имеется технологический зазор, определяемый экспериментально, в зависимости от условий процесса дробления, например, влажности исходного сырья. Камера дробления рассматриваемой дробилки образована между свободной поверхностью подвижного конуса 1 и свободной поверхностью неподвижного конуса 2, а также рабочими поверхностями упоров 3 и 4. Вверху камеры дробления (загрузочное отверстие) высота упора 3 и высота упора 4, а также ширина зазора между ними, суммарно должны быть больше максимального размера дробимого куска.
Дробление отдельного куска горной породы в дробилках происходит вне зависимости от нахождения в камере дробления других кусков. Дробимый кусок подается в камеру дробления и под действием силы тяжести движется по ней до момента операния куска о стенки камеры дробления. При вращении подвижного конуса 1, упор 3, расположенный на конусе 1, вступают в контакт с куском, и в результате того, что часть куска, находящаяся в камере дробления, не может двигаться вместе с подвижным конусом, из-за упоров 4, расположенных на поверхности неподвижного конуса 2, происходит разрушение дробимого куска. Разрушенный материал под действием силы тяжести перемещается по камере дробления до тех пор, пока не займет новое положение, соответствующее своему размеру или, не достигнет выходной щели. При необходимости процесс разрушения может повторяться неоднократно.
A
B
C
D
При условии, что рабочие поверхности упоров конусов расположены под некоторым углом (углами) с нормалями к поверхностям этих конусов, как показано на фиг. 2, в процессе дробления дробимый кусок будет находится в контакте с упорами конусов по линиям (в плоскости точки А и В). Результирующие силы R и R со стороны упоров будут направлены по касательным в параллельных плоскостях навстречу друг другу. Проекции результирующих сил на вертикальную ось  и  будут расположены в параллельных плоскостях на очень малом расстоянии друг от друга и направлены в противоположные стороны. Проекции результирующих сил на горизонтальную ось  и  будут значительно меньше вертикальных составляющих, а значит ими можно пренебречь. Из-за малого расстояния h между вертикальными составляющими  и  возникающим моментом можно пренебречь. В таком случае нормальные силы N и N, действующие на дробимый кусок со стороны поверхностей конусов, многократно меньше сил, действующих в вертикальной плоскости, и дробимый кусок подвергается деформации сдвига. Данные условия позволяют использовать двигатели меньшей мощности, чем у известных дробилок сжатия, что приведет к снижению затрат электроэнергии.
В представленной конструкции конусной дробилки с упорами разрушение материала происходит за счет возникновения касательных напряжений. При этом разрушение куска, имеющего изотропные свойства, происходит по плоскости действия максимальных касательных напряжений, а разрушение анизотропных кусков, в большинстве случаев, происходит по направлениям (плоскостям) ориентированным вдоль волокон (зерен).