ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(9)/13 Paweł Ciężkowski 1, Konstanty Chochoł, Sebastian Bąk 3 WPŁYW KSZTAŁTU POWIERZCHNI PŁYTY KRUSZĄCEJ NA ROZKŁAD OBCIĄŻEŃ W PRZESTRZENI ROBOCZEJ KRUSZAREK DŹWIGNIOWYCH 1. Wstęp Problemy procesów rozdrabniania sprawiły, że przy projektowaniu kruszarek większą uwagę poświęca się odpowiedniemu ukształtowaniu komór roboczych [7]. Można stwierdzić, że przy prawidłowo zaprojektowanym rozmiarze otworu wlotowego i wysokości komory zwiększa się wydajność maszyny oraz zmniejsza jej wymiar. Również zauważono, że istotnym aspektem przy projektowaniu kruszarek jest dobranie odpowiedniego układu kinematycznego. Aby uzyskać jak największą wydajność i jakość produktu należy w zależności od rozdrabnianej nadawy dobrać odpowiednie parametry maszyny: kąt uchwytu, skok szczęki ruchomej (w najwęższym miejscu komory roboczej), prędkość obrotową i moc. W celu zoptymalizowania wydajności kruszarki i kosztów eksploatacji opracowuje się płyty drobiące z odpowiednio dobranymi profilami. Dotychczasowe nieliczne eksperymenty wykazują wpływ ukształtowania powierzchni płyt kruszarek, na parametry procesu kruszenia (energochłonność, siły, wydajność, kształt produktu) [3]. Choć celowość doświadczalnych badań maszynowych procesów kruszenia ma uzasadnienie, to badania takie, ze względu na trudności techniczne i koszty są wykonywane rzadko, zwykle w ograniczonym zakresie. Dalszy postęp techniki kruszenia, stawiający coraz wyższe wymagania konstrukcji i eksploatacji maszyn, jest niemożliwy bez dokładniejszej znajomości mechaniki procesów, opartej na solidnych podstawach, obejmującą wiedzę teoretyczną i doświadczalną. Niniejsza praca uwzględnia wymienione aspekt problematyki kruszenia. W badaniach analizowano m.in. wpływ kształtu powierzchni roboczych kruszarek szczękowych na rozkład obciążeń komory.. Cel i zakres badań Celem badań jest analiza doświadczalna obciążeń w komorze roboczej kruszarki. W pracy mierzono siły (prostopadła do powierzchni segmentu -rys. 1d), siły styczne H (styczna do powierzchni segmentu kruszącego) w płycie stałej podzielonej na segmenty. Konstrukcja kruszarki modelowej umożliwia dość dokładne określanie rozkładu i wartości sił kruszenia w każdym cyklu roboczym. Nieruchoma płyta rozdrabniająca 1 (rys. 1) zamontowana na szczęce nieruchomej podzielona jest na dziewięć niezależnych segmentów gładkich (płyta gładka) bądź profilowanych (płyta profilowana). Każdy z tych segmentów jest odpowiednio podparty na dziewięciu tensometrycznych przetwornikach specjalnej konstrukcji, zaprojektowanych i wykonanych w Instytucie Maszyn Roboczych Ciężkich PW, zgodnie z danymi zaczerpniętymi z monografii []. Zasadę działania przetworników do pomiaru sił i momentu przedstawiono na rysunku 1d. 1 Dr inż. Paweł Ciężkowski, Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich, Politechnika Warszawska Dr inż. Konstanty Chochoł, Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich, Politechnika Warszawska 3 Mgr inż. Sebastian Bąk, Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich, Politechnika Warszawska 5

2 a) b) c) d) 1 H 3 Rys. 1. Pomiar sił w przestrzeni roboczej kruszarki: a) konstrukcja płyty stałej: 1 - segmenty płyty rozdrabniającej, -przetworniki specjalnej konstrukcji, 3 -element nośny szczęki stałej, -śruby łączące układ pomiarowy z korpusem, 5 -komora kruszenia, - szczęka ruchoma, b) płyta stała -zamontowanie płytek segmentowych, c) - tensometryczny przetwornik pomiaru siły, d) schemat obciążeń przetwornika: 1 -element nośny szczęki stałej, -dynamometr do pomiaru sił, 3 -płyta rozdrabniająca (jeden z dziewięciu segmentów pokazanych na rys. 1b) Badania przeprowadzono przy zastosowaniu pięciu zestawów płyt kruszących. W pierwszym zestawie zaproponowano kruszenie pomiędzy płytami gładkimi. W drugim i trzecim układzie realizowano rozdrabnianie pomiędzy płytami tradycyjnymi z zębami równoległymi (rys. ). W zestawie drugim karby na płytach były współosiowe, zaś w zestawie trzecim zęby obu płytach wzajemnie przestawione. W kolejnych dwóch kojarzeniach wykorzystano płyty o zmiennej podziałce i wysokości karbów (zębów). W czwartym rozważano układ zębów równoległych a w piątym zębów przestawionych. Surowcem (nadawą) stosowanym w badaniach była skała krajowa wapień zwarty z okolic Morawicy, o następujących parametrach wytrzymałościowych: wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie S c =1 MPa, wytrzymałość na jednoosiowe rozciąganie S r =-,5 MPa, kąt tarcia wewnętrznego ρ=5, spójność c= MPa. Foremne ziarna nadawy dobierano w ten sposób, aby były zbliżone wielkością i kształtem (zgodnie z PN-7/B71 arkusz 1 []). Jednorazowa porcja kruszywa, zasypywana do przestrzeni roboczej kruszarki, miała masę ok 3,5 kg i średnią wielkość nadawy D śr =75 mm. Przeprowadzone serie badań liczyły od 7 1 prób. Proces kruszenia przeprowadzono przy zachowaniu stałych parametrów: wymiaru szczeliny wylotowej e r = mm (rys. 3, e r =s+e z ), wytrzymałości materiału.

3 a) b) c) d) e) d) e) I II III I Rys.. Płyty rozdrabniające użyte w badaniach laboratoryjnych: a) płyty o płaskiej powierzchni roboczej, b) płyty z zębami ostrymi (profil trójkątny), karby współosiowe, stała podziałka, c) płyty z zębami ostrymi, zęby przestawione, stała podziałka, d) płyty, w których wysokość i podziałka zmienne w sposób ciągły, karby współosiowe, e) płyty, w których wysokość i podziałka zmienne w sposób ciągły, zęby przestawione. Badania doświadczalne Ważnym zadaniem jest ustalenie wpływu kształtu powierzchni roboczej płyty na rozkład obciążeń wzdłuż wysokości komory, co stanowi podstawę przyjęcia schematu obliczeniowego konstrukcji kruszarki. Według danych literaturowych, [1,, 5, ] dla potrzeb obliczeń zaleca się najczęściej stosowanie liniowego lub nieliniowego rozkładu obciążeń szczęki ruchomej, co przedstawiono na rysunku 3. W obliczeniach kruszarek szczękowych, a także w analizie ich dynamiki, ważna jest znajomość miejsca przyłożenia siły wypadkowej Z, działającej na szczękę ruchomą. Dla przypadku rozkładu liniowego siła wypadkowa Z przyjmowana jest w punkcie odległym od otworu wylotowego o /3 wysokości komory h (x' z = h/3). W przypadku obciążenia krzywoliniowego stosuje się wzór H. Sommera [5]. W przytoczonych założeniach obliczeń rozkład nacisków nie jest zależny od ukształtowania powierzchni roboczej płyt rozdrabniających. Omawiane w literaturze rozkłady obciążeń przyjęto dla występowania maksimum funkcji obciążenia płyt rozdrabniających w zwrotnym położeniu szczęki ruchomej, gdy jest ona najbardziej zbliżona do szczęki stałej. W celu eksperymentalnego określenia rozkładu obciążeń w komorze kruszenia wykonano cykl pomiarów. Rys. 3. Zalecane przez literaturę schematy obciążania do obliczeń [1,, 5, ] Na rysunkach, 5 podano przykładowe wykresy zmian sił normalnych i sił stycznych H w funkcji czasu, działających na poszczególne segmenty rozdrabniające gładkiej powierzchni szczęki stałej. Analiza doświadczalna zarejestrowanych 7

4 przebiegów procesu kruszenia wykazuje charakter losowy w każdym cyklu pracy. Jest to wyraźnie widoczne na rysunkach i 5, przykładowo przedstawionych dla jednej z prób Rys.. Przykładowe wykresy zmian sił normalnych (1,, 3, itd.) w funkcji czasu, działających na poszczególnych segmentach rozdrabniających szczęki stałej (zestaw I -płyty gładkie) H 7, 1,5 1,,5, ,5 H 1, 1,,,,,, -, H 11 1,,,,,, , H H H H 1 H 1 H Rys. 5. Przykładowe wykresy zmian sił stycznych H (H1, H, H3, itd.) w funkcji czasu, działających na poszczególnych segmentach rozdrabniających szczęki stałej (zestaw I - płyty gładkie). Metoda opracowania wyników doświadczalnych 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. ). Są to średnia wartość chwilowa i średnia wartość z sił maksymalnych w danym cyklu kruszenia. Jako przykład rozpatrzymy sposób wyznaczania wartości średnich z przebiegu sił normalnych, działających n dany przetwornik dynamometryczny (rys. ).

5 [] max max1 3 maxi sr max 1 sr 7 7,1 7, 7,3 7, 7,5 7, 7,7 t [s] Rys.. Wyznaczenie wartości średnich z przebiegu sił normalnych. Średnie wartości z jednej próby: sr oraz max sr zaznaczono na rysunku Średnią wartość maksymalnych sił kruszenia max sr określona na podstawie zależności max sr 1 k i (1) 1 i max k w której i max wartości maksymalne 1 max, max,, k max, k liczba wartości maksymalnych. Przyjęta definicja oznacza średnią z rejestrowanych wartości maksymalnych także w jednej próbie. Średnią wartość chwilowych sił sr wyznaczono, jako średnią arytmetyczną z zarejestrowanych wartości z jednej próby rozdrabniania, co opisano poniższą zależnością: sr 1 m m i 1 i () w której symbol i oznacza wartości chwilowe sił normalnych w segmencie, m liczba rejestrowanych chwilowych sił normalnych w próbie. Na rysunku pokazano wybrany fragment przebiegu sił normalnych, działających na przykładowy przetwornik tensometryczny. 5. Wyniki niektórych analiz procesu kruszenia Na rysunku 7 przedstawiono przykładowe zestawienia wartości sił średnich sr z całej serii prób (1 testów) obserwowane na szczęce stałej o powierzchni gładkiej. W tabeli 1 znajdują się wartości sił średnich maksymalnych sr max, H sr max, i sił średnich sr, H sr ze wszystkich serii badań. Są to wartości sił wyznaczone na dziewięciu ponumerowanych segmentach szczęki stałej (rys. 7) w wybranej serii i zredukowane do trzech sekcji: górnej, środkowej i dolnej tak jak pokazano na rysunku a. Na podstawie przedstawionych badań trzech różnych płyt, można stwierdzić, że rozkłady sił normalnych i sił stycznych zarówno w wypadku średnich sił sr, H sr jak i w wypadku 9

6 średnich sił maksymalnych sr max, H sr max są rozkładami podobnymi różniącymi się jedynie wartościami obciążeń. Segmenty górne 7 11 sr [] 1,3 1,7 3,1 Segmenty środkowe 5 sr [], 3,3,9 Segmenty dolne sr [] 3,3,7,73 Rys. 7. Wartości sił sr działających w danej serii na poszczególne segmenty rozdrabniające. Proces kruszenia zestawem płyt o gładkiej powierzchni Tabela 1. Obciążenie szczęki stałej śr, śr max, H śr, H śr max I II III I Zestawy płyt I II III I sekcja śr śr max H śr H śr max pozioma [] [] [] [] górna 5,95,1,75 3,3 środkowa,9 3, 1,9, dolna,9 3,5 1,7,79 górna 1,33,5,5, środkowa 5,,5 1,13,59 dolna 7, 3, 1, 5,5 górna 1,9,13,17,59 środkowa,79 19,3 1,5,57 dolna,3 7, 1, 5,7 górna,97 17,99, 3,39 środkowa 7,31,71 1,,7 dolna,5 1,1,39,59 górna 5, 19,3, 3,3 środkowa 7, 7,7 1,5, dolna,1 1,9,3,3 Na rysunku b, c zilustrowano graficznie rozkłady sił średnich maksymalnych śr max i H śr max. 1

7 wysokość szczęki [mm] y H [mm] a) b) 9, 7,5 a II a III a I a a I a 1, b 1,5 b III b II b I b b I c śr max [] x 3, c II c I 1,5 c c I c III wartości śr max [], I II III I c) Rys.. Badanie obciążenia działającego na szczękę stałą (siły normalne, siły styczne H) z zastosowaniem różnych płyt rozdrabniających. Punkty doświadczalne a I, b I, c I,..., a, b, c przedstawiające obciążenie śr max w serii: a) szkic wyjaśniający do wykonania wykresów w układzie osi współrzędnych x-y, b) średnie maksymalne wartości sił normalnych śr max, c) średnie maksymalne wartości sił stycznych H śr max. Podsumowanie W procesie rozdrabniania wapienia zwartego "Morawica" w kruszarce szczękowej płyty drobiące obciążane są cyklicznie nierównomiernie rozłożonymi siłami (co potwierdziły badania wykonane w pracy). Wielkość i rozkład tych sił uzależniona jest od profilu płyt kruszących. Dla analizowanych wskaźników sił stycznych i normalnych otrzymano wartościowe rezultaty, z których wynika, że kształt płyt kruszących w bardzo istotny sposób wpływa na rozkład sił maksymalnych i sił średnich w komorze kruszenia. Uzyskane wyniki jednoznacznie wskazują na możliwości podniesienia efektywności procesu rozdrabniania poprzez odpowiednie ukształtowanie płyt drobiących. Literatura: [1] Bauman W. A Opriedielenije osnownych paramietrow szczekowych drobiłok, Stroitielnyje i Dorożnyje Masziny. 197,, 3. [] PN-7/B71 arkusz 1. Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczania kształtu ziarn. 11

8 [3] Rumpf H. 19. Struktur der Zerkleinerungswissenschaft. Aufbereitungs-Technik. 19,, [] Sobolewski S Kruszarki, budowa i zastosowanie. Katowice Śląsk, [5] Sommer H. 19. Beitrag zur Berechnung von Brechern und Kreiselbrechern. Aufbereitungs Technik 11, 19. [] Zawada J. (red). 5. Wprowadzenie do mechaniki maszynowych procesów kruszenia (na przykładzie kruszarek szczękowych). Radom, Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, 5. [7] Zawada J., Pawlak W. 19. EinfluB der Oberflachenform von brechplatten fur backenbrecher auf das Zerkleinerungsergebnis. Aufbereitungs-Technik, 19. Nr 3. Prezentowany artykuł powstał na podstawie referatu prezentowanego na konferencji: Międzynarodowa Konferencja nt.: MODELOWANIE I SYMULACJA ZJAWISK TARCIOWYCH W UKŁADACH FIZYCZNYCH STRUKTURACH TECHNICZNYCH "TARCIE 1", Warszawa, maj 1, z uwzględnieniem wniosków, które powstały podczas dyskusji. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki eksperymentalne wpływu kształtu płyt rozdrabniających na obciążenia generowane w przestrzeni roboczej kruszarki szczękowej. Problem ten jest szczególnie istotny dla maszyn pracujących cyklicznie, takich jak kruszarki jedno- i dwurozporowe. Proces kruszenia realizowano na modelowej kruszarce szczękowej typu Blake, używając płyt gładkich i profilowanych (o stałej i zmiennej podziałce). W celu doładnego określenia wartości i rozkładu sił w komorze kruszarki zastosowano podział stałej płyty drobiącej na 3 strefy kruszenia. Na podstawie uzyskanyh wyników stwierdzono, że kształt płyt kruszących znacząco wpływa na wartości obciążenia w komorze roboczej. Słowa kluczowe: rozkład sił w komorze kruszarki, płyty rozdrabniające gładkie, płyty rozdrabniające o karbach trójkątnych, płyty o zmiennej podziałce i wysokości karbu REMARKS ON CRUSHING PLATES SHAPE AND THE LOAD DISTRIBUTION IN THE WORKING SPACE OF LEER CRUSHERS Abstract The experimental work addresses an important issue of load distribution in the working space of crushers related to the shape of crushing plates. The problem is particularly essential for cyclic crushing processes realized by single or double toggle jaw crushers. The experimental stand "Laboratory Blake type Crusher" was used to measure loads generated by smooth and notched (constant and variable pitch) crushing plates. Load distributions were obtained for specified plate zones. The results showed significant influence of the plates profile on the load distributions. Keywords: load distribution in the working space of crusher, smooth crushing plates, triangle notches crushing plates, variable pitch and height of jaw tips 1