Основные принципы проектирования
Проектирование профиля камеры дробления для конусных дробилок мелкого дробления (КМД) базируется на анализе траектории движения кусков породы внутри рабочего пространства. Ключевая задача — обеспечить эффективное разрушение материала при сохранении надежности и производительности машины.
Геометрия зазоров и обработка материала
Исходным параметром является размер открытой приемной щели, который должен быть согласован с максимальным размером куска питания. Для эффективного захвата материала рекомендуется соотношение, при котором размер куска составляет примерно 0.85 от размера щели, или, иначе, размер щели примерно на 17.6% больше размера куска (B ≈ 1.176d). Уменьшение этого зазора в процессе работы и приводит к дроблению материала.
Материал движется в камере сверху вниз по принципу «прямого потока». Для обеспечения равномерного разрушения кусков разного размера (более мелкие куски погружаются глубже) камера должна сужаться книзу. Это означает, что при максимальном сближении дробящих органов (в «закрытом» положении) образуется сужающаяся щель.
Конструкция также должна учитывать возможность попадания недробимых предметов. Чтобы такой предмет размером, равным максимальному куску питания, мог беспрепятственно пройти через дробилку, не вызывая аварийной остановки, размер открытой разгрузочной щели также должен быть не меньше этого размера (s0 ≥ B).
Кинематика и гирационное движение
Для создания описанного сужающегося профиля при работе необходимо, чтобы ход подвижного дробящего органа (конуса) в нижней части камеры был больше, чем в верхней. Это достигается расположением осей симметрии подвижного конуса и неподвижной чаши под углом друг к другу. Точка их пересечения находится со стороны приемного отверстия, где ход минимален.
Такая кинематика соответствует гирационному движению — движению твердого тела с одной неподвижной точкой, включающему прецессию, нутацию и собственное вращение. Следовательно, дробящий орган должен совершать именно гирационное движение.
Поскольку внешний дробящий орган (чаша) имеет форму оболочки, а внутренний (конус) — сплошного тела, сообщить сложное движение легче массивному конусу. Поэтому в классической схеме КМД подвижным делают именно внутренний конус.
Выбор формы камеры: крутая vs пологая
После определения взаимосвязи между открытой и закрытой щелями и необходимости сужения камеры, встает вопрос о форме дробящих поверхностей. Существует два основных варианта:
- Крутая форма: Куски между актами дробления свободно падают, не встречая препятствий. Управление процессом возможно только через частоту качаний конуса, которая жестко связана с производительностью и крупностью питания. Такая камера имеет максимальную высоту.
- Полая форма: Падающий кусок ударяется о поверхность конуса, и его дальнейшее движение происходит под влиянием этого удара. Угол наклона поверхности конуса становится независимым параметром управления, что дает больше гибкости. Поэтому для КМД предпочтительнее именно пологая форма камеры.
Выбор конкретного угла наклона образующей конуса (β) представляет собой компромисс. С увеличением угла растет площадь входной щели и, следовательно, потенциальная производительность. Однако при этом уменьшается сечение корпуса неподвижной чаши, что может снизить ее прочность и надежность всей машины.
Моделирование движения куска и ключевые допущения
При заданной частоте качаний кусок половину периода свободно падает, а затем ударяется о броню конуса. Характер удара (упругий или неупругий) определяет дальнейшую траекторию. Хотя более точная модель учитывала упругость удара, она была чрезвычайно сложна. Б.Д. Котельников предложил использовать упрощенную модель с допущением о неупругом ударе, введя «эквивалентные коэффициенты» трения, которые делали результаты расчетов скольжения куска сопоставимыми с реальным скачкообразным движением.
Для построения работоспособной математической модели были приняты следующие важные допущения:
- Удар куска о броню конуса считается неупругим (с использованием эквивалентных коэффициентов трения).
- Масса конуса настолько велика по сравнению с массой куска, что при ударе изменяется количество движения только куска, а движение конуса считается неизменным.
- Вследствие малого угла нутации криволинейностью проекции образующей конуса в плоскости движения куска можно пренебречь, считая ее прямой линией.
На основе этих допущений проводится детальный расчет перемещения куска относительно брони конуса во время свободного падения на первом шаге процесса (при входе в камеру), что является основой для определения геометрии профиля.
Заключение: создание теоретической модели
Полученные зависимости параметров полностью определяют техническую систему «Камера дробления КМД». Модель, устанавливающая взаимосвязь геометрических параметров, кинематики движения и характеристик взаимодействия с породой, является теоретической, имитационной и познавательной. Она лишена субъективизма и воспроизводит физическую сущность процесса. Первая в мире подобная теоретическая модель дробилки была создана в Уральском государственном горном университете профессором В.А. Масленниковым. На ее основе профессором В.С. Шестаковым было разработано соответствующее программное обеспечение для расчета камер дробления конусных дробилок, что заложило научный фундамент для их проектирования.