ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012 Paweł Ciężkowski 1 DOŚWIADCZALNE BADANIA SIŁ KRUSZENIA SZCZĘKAMI O RÓŻNYM KSZTAŁCIE 1. Wprowadzenie W projektowaniu kruszarek istotna jest znajomość wartości sił obciążających płyty oraz pracy wydatkowanej na kruszenie surowca (nadawy). Wiadomo, że pomiędzy kształtem powierzchni roboczych płyt drobiących stosowanych w kruszarkach, a procesem rozdrabniania istnieją ścisłe zależności [1, 2]. Literatura specjalistyczna z tego tematu obejmuje niewielką liczbę prac, omawiających przede wszystkim związki między kształtem powierzchni roboczych, krzywymi uziarnienia oraz geometrią brył uzyskiwanego produktu. Rzadziej spotyka się informacje o wpływie ukształtowania na energochłonność procesu, stopień rozdrobnienia, siły kruszenia i wydajność. Problem racjonalnego kształtowania płyt jest raczej niedoceniany przez naukowców i konstruktorów, o wiele więcej uwagi poświęca się kształtowaniu przestrzeni roboczej maszyny. Badania podstawowe nad optymalizacją kształtu powierzchni płyt drobiących w kruszarkach zaprezentowane w pracy [3, 4], pozwoliły na opracowanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych tych płyt. Charakteryzują się one zmiennym profilem poprzecznym wzdłuż wysokości komory roboczej. Wymienione zmiany, dostosowane do własności wytrzymałościowych badanych ośrodków kruchych odnoszą się do szerokości i podziałki karbów. W badaniach materiał rozdrabniano przy zastosowaniu dwóch wariantów ustawienia płyt drobiących: w pierwszym karby na obu płytach, tzn. płycie stałej i ruchomej są względem siebie współosiowe, zaś w drugim wariancie płyty kruszące są tak wykonane, że zęby jednej płyty wchodzą w zagłębienia płyty przeciwległej. W niniejszym etapie pracy wykonano płyty i przeprowadzono odpowiednie badania nowych konstrukcji. Odpowiednie testy laboratoryjne przeprowadzono na modelowej kruszarce szczękowej. Polegały one na pomiarach obciążeń maszyny (siły kruszenia w przedniej płycie rozporowej). [5] Uzyskane wyniki rozdrabniania materiału nowymi konstrukcjami płyt porównano z wynikami przy zastosowaniu płyt tradycyjnych, tzn. płyt o gładkiej powierzchni roboczej i płyt o niezmiennym profilu trójkątnym. Poszukując optymalnego układu szczęk, charakteryzującego się niskimi wartościami sił kruszenia, przeprowadzono dodatkowo badania z układem kombinowanym zestawiając, ze sobą szczęki o różnym kształcie (w rozwiązaniach przemysłowych stosuje się obie szczęki kruszące o identycznym kształcie). 1 dr inż. Paweł Ciężkowski, adiunkt, Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich Politechniki Warszawskiej 21

2 2. Określanie maksymalnych sił kruszenia Celem eksperymentów było uzasadnienie uzbrajania kruszarki szczękowej w profilowane płyty drobiące. Jak wspomniano wcześniej wyniki analiz teoretycznych [3, 4] wskazują, że zmiany kształtu i powierzchni roboczych powinny istotnie wpływać na taki parametr jak siła kruszenia. W procesie kruszenia minerałów w kruszarce szczękowej dwurozporowej (rys. 1a) płyty drobiące obciążone są cyklicznie, skupionymi, nierównomiernie rozłożonymi siłami. Wielkości i rozkład tych sił uzależnione są od własności wytrzymałościowych kruszonych materiałów, profilu płyt kruszących, średnic ziaren nadawy, szerokości szczeliny wylotowej i skoku szczęki ruchomej kruszarki. W celu dokładnego określenia wartości i rozkładu sił kruszenia w przedniej płycie rozporowej modelowej kruszarki, proponuje się przystosowanie jej do pełnienia funkcji dynamometru siły wzdłużnej, co przedstawiono na rys. 1b. [5] Schemat kinematyczny kruszarki pokazuje rysunek 1a. Stanowi on typowy przykład wieloboku przegubowego. Ruch obrotowy wału mimośrodowego 5 (korby) przenosi się przez pociągacz 4 i płytę rozporową 3a na szczękę 2. Szczęka ta wykonuje proste ruchy wahadłowe, które prowadzą do zmiany szerokości otworu wylotowego mierzonego względem płyty nieruchomej 1. Bryły materiału znajdujące się pomiędzy płytami 1 i 2 są głównie ściskane i zgniatane, co powoduje zmniejszenie ich wymiarów i przesuwanie się do dolnej części komory w kierunku otworu wylotowego. Przystosowanie przedniej płyty rozporowej kruszarki (rys. 1b) do pełnienia roli dynamometru siły wzdłużnej z właściwą dokładnością pomiarową, polega na wprowadzeniu prostych zmian konstrukcyjnych płyty. W tym celu wykonano dwa otwory rozmieszczone symetrycznie względem osi x i y. Zaproponowany układ tensometrów na płycie rozporowej i połączonych w mostek Wheatstone'a powinien zapewnić pomiar siły wzdłużnej w jej płaszczyźnie, a jednocześnie eliminować efekty uboczne pochodzące od zginania, skręcania i zmian temperatury. [5] Rys. 1. a) Schemat kinematyczny modelowej kruszarki szczękowej: 1 - szczęka stała, 2 - szczęka ruchoma, 3a, 3b - płyty rozporowe, 4 - pociągacz, 5 - wał mimośrodowy, a, b - szerokość i długość otworu wlotowego, b) przednia płyta rozporowa, jako dynamometr sił - rozmieszczenie tensometrów [5] 22

3 Pozostałe parametry kruszarki modelowej to: wymiar otworu wlotowego kruszarki a x b = 100 x 200 mm, wysokość komory roboczej kruszarki H = 250 mm, prędkość obrotowa wału napędowego kruszarki (bieg luzem) n = 388 obr/min, skok szczęki ruchomej s = 2 6 mm (w najwęższym miejscu komory roboczej), przełożenie przekładni pasowo-klinowej i=3.2 (przekazującej moment z silnika na wał napędowy kruszarki), moc silnika N s = 4kW, kąt uchwytu = 17 o 20 (kąt między powierzchniami szczęki stałej i ruchomej w położeniu zwrotnym, gdy szczęka ruchoma jest maksymalnie zbliżona do szczęki stałej rys. 1a). Wyniki badań nowych konstrukcji płyt drobiących ukształtowanych na podstawie analiz teoretycznych [3, 4], będą odniesione do dwóch rodzajów płyt, o płaskiej powierzchni roboczej (rys. 2a) i o profilu trójkątnym (rys. 2b). Na rys. 2 przedstawiono ujęcia fotograficzne powierzchni roboczych badanych płyt. Przy projektowaniu płyt klinowych (rys. 2b) przyjęto następujące wymiary geometryczne (rys. 3b): kąt wierzchołkowy klina 2 =90 oraz wartość stosunku podziałki t do wysokości klinów h wynosi (t/h)=2. W pracy sprawdzono też wpływ ustawienia zębów na wartość siły kruszenia. W przypadku, gdy rozdrabniane są skały mające naturalne płaszczyzny łupliwości stosuje się rozwiązanie w/g schematu rys. 3c, to znaczy zęby są umieszczone względem siebie współosiowo, dla innych skał typowy jest schemat rys. 3d. Wyniki badań prezentowane w dostępnych pracach [6, 7, 8] wskazują na fakt, że graniczne obciążenie materiału nakładane poprzez działanie trzech stempli (rys. 3d) jest mniejsze od tego, jakie powstaje wyniku działania czterech stempli (rys. 3c), z uwagi na występowanie zginania (łamania). Ten rozpowszechniony pogląd nie w każdym przypadku obciążania może być słuszny, gdyż siły kruszenia zależą od własności mechanicznych ośrodka, stosunków wymiarowych narzędzi i kruszonych brył, od podziałki rozstawienia narzędzi oraz od efektu tarcia na płaszczyźnie ich styku z materiałem. a) b) c) Rys. 2. Płyty kruszące użyte w badaniach a) gładka, b) o profilu trójkątnym -stała podziałka t=20 mm, wysokość zębów h=10 mm, c) o profilu trójkątnym -zmienna podziałka i wysokość zębów w sposób ciągły 23

4 Na rysunkach 2c i 3a przedstawiono nową płytę drobiącą ze skośnie rozmieszczonymi zębami w celu lepszego wykorzystania jej powierzchni roboczej. Podziałka górna t i wysokość zębów jest taka sama jak dla płyty równoległej (rys. 3b) zaś w dolnej części wartość podziałki i wysokość zębów jest odpowiednio mniejsza (t=14.5, h=7.25). Jak wspomniano badania wykonano na trzech typach płyt drobiących. Poniżej omówiono sposoby kojarzenia tych płyt. W pierwszym zestawie zaproponowano kruszenie pomiędzy płytami gładkimi. W drugim i trzecim układzie stosowano kruszenie pomiędzy płytami tradycyjnymi z zębami równoległymi (rys. 2b). W zestawie drugim zęby kruszyły zgodnie z schematem pokazanym na rysunku 3c, zaś w zestawie trzecim zęby kruszyły według schematu pokazanego na rysunku 3d. W kolejnych dwóch kojarzeniach wykorzystano płyty o zmiennej podziałce t. W czwartym rozważano układ zębów równoległych (rys. 3c) a w piątym zębów przestawionych (rys. 3d). Trzy ostatnie układy dotyczą kruszenia pomiędzy płytami o różnym kształcie. W szóstej serii badań proces kruszenia odbywał się pomiędzy płytą stałą gładką i płytą ruchomą z zębami o stałej podziałce (rys. 2b). W siódmej serii zastosowano kruszenie układem, w którym zastosowano płytę stałą gładką i płytę ruchomą o zmiennej podziałce. W ostatnim zestawie zamontowano płytę stałą o stałej podziałce zaś ruchomą o zmiennej podziałce. Rys. 3. Płyty o profilu trójkątnym a) zęby o zmiennej wysokości i podziałce, b) zęby o stałej wysokości i podziałce c) schemat modelujący ściskanie bryły między klinami (zębami) współosiowymi, d) schemat modelujący ściskanie bryły między zębami przestawionymi W celu porównania wyników, próby kruszenia przeprowadzono przy jednakowej szczelinie wylotowej o maksymalnej szerokości e r = 24 mm, jaką na tle minimalnej szerokości e z, zilustrowano na rysunku 4b. Wymieniona wartość jest zbliżona do wartości podziałki t=20 mm, gdyż ma to na celu obniżenie zawartości ziaren ponadwymiarowych w uzyskiwanym produkcie. Do prób kruszenia użyto nadawę: wapień zwarty Morawica, piaskowiec Mucharz i granit Strzegom. Szczegółowe dane o przeprowadzonych badaniach zawiera tabela 1. Przygotowano 120 wyselekcjonowanych próbek ze zbioru brył o różnych wielkościach i 24

5 kształcie geometrycznym. W każdej próbce znajdowało się 5 10 brył w zależności od użytego materiału. Próbę charakteryzowano średnim wymiarem bryły D śr traktowanym, jako średnia arytmetyczna ze średniej geometrycznej wymiarów poszczególnych brył. Masa próbek zawierała się w przedziale kg. a) b) c) Rys. 4. Schemat układu roboczego kruszarki: a) widok z góry na komorę (przestrzeń roboczą) kruszarki modelowej, 1 -szczelina wylotowa, 2 -płyta rozdrabniająca ruchoma, 3 -płyta rozdrabniająca stała, b) metoda pomiaru szerokości szczeliny wylotowej e r, c) płyty przy zastosowaniu różnych szczęk kruszących Na rysunku 5 pokazano przykładowe zdjęcia próbek skalnych użytych do badań. a) b) c) Rys. 5. Nadawa użyta w badaniach: a) granit Strzegom, b) piaskowiec Mucharz, c) wapień Morawica 25

6 Tabela 1. Dane dotyczące schematów obciążania, typu płyt, parametrów nadawy Płyty rozdrabniające Schemat Nadawa I płyty gładkie II - płyty (stała podziałka) o profilu trójkątnym zęby współosiowe III - płyty (stała podziałka) o profilu trójkątnym -ząb pierwszej płyty wchodzi w zagłębienie drugiej płyty IV - płyty o zmiennej podziałce, zęby współosiowe V - płyty o zmiennej podziałce - ząb pierwszej płyty wchodzi w zagłębienie drugiej płyty VI płyta stała -gładka, płyta ruchoma - płyta tradycyjna o stałej podziałce VII płyta stała -gładka, płyta ruchoma - płyta o zmiennej podziałce VIII płyta stała -płyta o stałej podziałce, płyta ruchoma -płyta o zmiennej podziałce Masa nadawy [kg] Wielkość średnia ziarna D śr [mm] Wapień Piaskowiec Granit Wapień Piaskowiec Granit Wapień Piaskowiec Granit Wapień Piaskowiec Granit Wapień Piaskowiec Granit Wapień , Piaskowiec Granit Wapień Piaskowiec Granit Wapień Piaskowiec Granit Wyznaczanie sił kruszenia Prace projektowe, elementów roboczych i napędowych kruszarek szczękowych wymagają znajomości rozkładów, dynamiki zmian i zakresu wartości sił, jakie powstają podczas rozdrabniania. W celu porównania efektów pracy poszczególnych płyt, wprowadzono grupę wskaźników dotyczących sił (rys. 6). Są to: -największa siła kruszenia naj określona, jako największa wartość rejestrowana w jednej próbie rozdrabniania nadawy. Na rysunku 6 jej wartość zaznaczono symbolem naj, -maksymalna siła kruszenia max określona, jako max 1 k k i 1 i max (1) gdzie: i max wartości maksymalne 1 max, 2 max,, k max, 26

7 k liczba wartości maksymalnych. Przyjęta definicja oznacza średnią z rejestrowanych wartości maksymalnych także w jednej próbie, wartość chwilowa sił określona, jako średnia arytmetyczna zarejestrowanych wartości z jednej próby rozdrabniania jest opisana poniższą zależnością: 1 m m i 1 i (2) gdzie: i m wartości chwilowe sił w płycie rozporowej, liczba rejestrowanych chwilowych sił w próbie. Na rysunku 6 pokazano wybrany fragment przebiegu siły w płycie rozporowej. Badania rejestrowano z krokiem czasowym równym 2 ms. Zaobserwowano, że w zależności od badanego materiału i typu płyt kruszących występuje różny czas trwania procesu kruszenia. I tak na przykład kruszenie płytami gładkimi trwało: dla granitu 6.3 s (uzyskano wydajność 0.59 kg/s), piaskowca 7.4 s (wydajność 0.49 kg/s) i wapienia 7.2 s (wydajność 0.5 kg/s). Rys. 6. Wyznaczanie wskaźników dotyczących sił: największych naj, sił maksymalnych maxśr i średnich wartości chwilowych śr z przebiegu sił w płycie rozporowej. Wartości maksymalne 1max, 2max, imax, gdzie i jest liczbą tych wartości 4. Porównanie wyników analizy i badań doświadczalnych Przedstawiona w pracy analiza sił działających w płycie rozporowej modelowej kruszarki dźwigniowej Blake'a, ma istotną wartość poznawczą, gdyż stanowi podstawę do szczegółowych analiz (np. rozpatrywanie zagadnień dotyczących konstrukcji, napędu itd.). W tabelach 2 4 podano dane doświadczalne wyników średnich wskaźników sił 27

8 największych naj, sił maksymalnych max i sił średnich z pięciu prób. W przypadku kruszenia materiału płytami gładkimi obserwujemy dla wapienia i piaskowca, że analizowane wskaźniki sił są największe. Jest to interesujący wniosek, gdy chodzi o te dwa materiały, ponieważ jest on zgodny z przewidywaniami. Płyty nowe, a zwłaszcza zestaw V, wykazał spodziewany spadek obciążenia w stosunku do płyt tradycyjnych i jest to wartościowy wynik tej pracy. Na rysunkach 7 9 pokazano ilustrację graficzną uzyskanych wyników. Tabela 2. Wartości średnie największych sił kruszenia naj [kn] dla różnych rodzajów płyt Siła Materiał kruszony Płyty rozdrabniające I II III IV V VI VII VIII naj [kn] Wapień Piaskowiec Granit % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 9.24% % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % Rys. 7. Wartości średnie największych siły kruszenia 28 naj dla różnych rodzajów płyt

9 Siła Materiał kruszony Płyty rozdrabniające I II III IV V VI VII VIII Tabela 3. Wartości średnie (z całej serii) sił maksymalnych max dla różnych rodzajów płyt max [kn] Wapień Piaskowiec Granit % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % Rys. 8. Wartości średnie (z całej serii) sił maksymalnych dla różnych rodzajów płyt max 29

10 Tabela 4. Wartości średnie (całej serii) sił średnich dla różnych rodzajów płyt Siła Materiał kruszony Płyty rozdrabniające I II III IV V VI VII VIII [kn] Wapień Piaskowiec Granit % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % Rys. 9. Wartości średnie (całej serii) sił średnich 30 dla różnych rodzajów płyt 5. Wnioski Przeprowadzone badania laboratoryjne płyt tradycyjnych i nowych, pozwoliły na wysunięcie wniosków i ocen dotyczących efektywności działania poszczególnych zestawów. Uzyskane wyniki prac badawczych skłaniają do sformułowania pozytywnej oceny nowej konstrukcji płyt drobiących, jaka polega na wprowadzeniu zmiennej podziałki i wysokości zębów proponowanych w zestawie V. Należy stwierdzić, że

11 zastosowanie wymienionego zestawu do rozdrabniania wapienia zwartego wykazuje znaczne obniżenie analizowanych wskaźników sił. Zaobserwowano również pewną niejednoznaczność wartości wskaźników sił odnoszącą się do ustawienia płyt drobiących w układzie zębów współbieżnych i przestawionych. Wyniki badań wskazują tutaj, że zależnie od rodzaju rozdrabnianego materiału wartości sił kruszenia nie ujawniają monotonicznych tendencji w powiązaniu z rozpatrywanymi zestawami płyt. Na rysunkach porównano na tle płyt gładkich (zestaw I) jak wpływa zmiana zestawu płyt kruszących na wartości analizowanych wskaźników sił. W wypadku sił średnich największych naj zastosowanie zestawu V obniżyło jej wartość o 71.16% dla wapienia zwartego. Dla pozostałych materiałów zaobserwowano, że inne zestawy są bardziej korzystne. Porównując wartości średnie sił maksymalnych również dla wapienia obserwujemy, że zestaw V jest najbardziej korzystny. Jeśli zaś chodzi o siły średnie to obserwowano podobne wartości, w przedziale 75 85%, dla piaskowca i wapienia zwartego. Znacznie niższe wyniki (1 41%) uzyskano dla granitu. max Rys. 10. Procentowy udział wartości średniej (całej serii) sił średnich naj w porównaniu do pierwszego zestawu płyt kruszących (płyty gładkie) 31

12 Rys. 11. Procentowy udział wartości średniej (całej serii) sił średnich max w porównaniu do pierwszego zestawu płyt kruszących (płyty gładkie) Rys. 12. Procentowy udział wartości średniej (całej serii) sił średnich w porównaniu do pierwszego zestawu płyt kruszących (płyty gładkie) 32

13 Literatura: [1] Kobiałka R., Naziemiec Z.: Badania procesu kruszenia szczękami o różnym profilu poprzecznym, Górnictwo i Geoinżynieria, rok 30, zeszyt 3/1, [2] Zawada J.: Wstęp do mechaniki procesów kruszenia. Wydawnictwo Technologii Eksploatacji, Radom, [3] Ciężkowski P.: Zagadnienie określania podziałki w procesach kruszenia bloków układem stempli. Artykuł opublikowany w czasopiśmie: Transport Przemysłowy i maszyny robocze, nr 2(8)/2010, str , ISSN [4] Ciężkowski P.: O problemie optymalizacji powierzchni roboczych płyt drobiących w kruszarkach artykuł zgłoszony i przyjęty do druku w Zeszytach Naukowych Instytutu Pojazdów PW. [5] Zawada J. (red.), Buczyński A., Chochoł K., Rzeszot J.: Wprowadzenie do mechaniki maszynowych procesów kruszenia (na przykładzie kruszarek szczękowych). Wyd. Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu, Warszawa [6] Zawada J.: Obciążenia graniczne i pękanie skał (w modelowych procesach kruszenia), Warszawa Wyd. Nauk. PWN [7] Sobolewski S.: Przeróbka mechaniczna skał i surowców mineralnych, Prace Nauk. Polit. Wr. Górnictwo, [8] Zawada J.: Rock crushing by punches at various velocities of load application, Arch. Of. Min. Sci. 45, 4(2000), Dziękuję za pomoc w wykonaniu prac badawczych studentom: Sebastianowi Bąkowi, Marcinowi Postrzygaczowi i Robertowi Boreczkowi. Prezentowany artykuł powstał na podstawie referatu prezentowanego na XXV Konferencji Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych, która odbyła się w Zakopanem, stycznia 2012r. z uwzględnieniem wniosków, które powstały podczas dyskusji. Niniejszą pracę wykonano w ramach realizacji Projektu Badawczego nr 3380/B/T02/2009/36 finansowanego przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Streszczenie W artykule przedstawiono informacje dotyczące badań nad kształtem nowej płyty rozdrabniającej przeznaczonej dla kruszarek szczękowych. Badania przeprowadzono przy zastosowaniu ośmiu zestawów płyt. Proces kruszenia przeprowadzono na trzech skałach krajowych: wapieniu Morawica, piaskowcu Mucharz, granicie Strzegom. Prezentowane wyniki badań udowodniły, że siły kruszenia są zdecydowanie mniejsze dla nowych płyt o zmiennej podziałce i wysokości karbów (zębów). 33

14 EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS O CRUSHING ORCES GENERATED BY VARIABLE SHAPE JAWS Summary The paper reports results of investigations on shape of new crushing plates designed for jaw crushers. Eight plate sets were used to test three domestic rocks: Morawica limestone, Mucharz sandstone and Strzegom granite. It was proved, in the course of the experiments that crushing forces decreased significantly for new plates profiled with variable pitch and height of notches. 34