Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Maszyn Roboczych CięŜkich. Tylko do celów dydaktycznych.

Transkrypt

1 Politechika Warszawska Wyział Samochoów i Maszy Roboczych Istytut Maszy Roboczych CięŜkich Tylko o celów yaktyczych. aboratorium MRC Kruszeie skał. Autorzy: Dr iŝ. Arzej Seleta Mgr iŝ. Paweł CięŜkowski Warszawa 2005

2 Cel ćwiczeia. Postawowym celem ćwiczeia jest uzupełieie wiaomości związaych z zagaieiami kruszeia ośroków skalych, przestawioymi poczas wykłau. Przygotowae ćwiczeie laboratoryje pozwoli uczestikom a: zapozaie się z postawowymi zagaieiami i parametrami procesu kruszeia (pękaia); zapozaie się z buową, rozwiązaiami kostrukcyjymi oraz teecjami rozwojowymi maszy rozrabiających a przykłazie kruszarek moelowych (szczękowej, stoŝkowej i uarowej). praktycze pozaie zjawisk zachozących poczas procesu kruszeia w rzeczywistych maszyach.. Mechaizmy i postacie pękaia. Mechaizm pękaia ośroków skalaych ma często barzo złoŝoy i losowy charakter. W procesach kruszeia o ostateczej postaci przełomów ecyują róŝe, iekiey mało zae, mechaizmy pękaia. RóŜe mogą być postacie przełomów, kształt i liczba uzyskaych po rozpazie części. Zmiea jest rówieŝ ilość uŝytkowaej eergii. Na mechaizmy i postacie pękaia ma wpływ barzo wiele czyików. NaleŜą o ich: ukształtowaie przestrzei roboczej w kruszarkach, powierzchia elemetów obciąŝających (płyty głakie, płyty róŝie profilowae it.), waruki tarcia, prękość obciąŝeia czy teŝ rozaj ośroka. Na przestawioym poiŝej rysuku zamieszczoo przykłaowy proces kruszeia. Rys.. Schemat elemetarego procesu kruszeia (ściskaie zgiataie)

3 Mechaicze rozrabiaie materiałów moŝe obywać się w maszyach zwaych kruszarkami lub młyami. 2. Moele kruszarek. Postarajmy sobie opowiezieć a pytaie, czym jest kruszarka? Def.: Kruszarka to urzązeie przezaczoe o rozrabiaia surowców skalych (skał zwięzłych, okruchowych) oraz materiałów opaowych (gruz, ŜuŜel, cegła, szkło, ceramika) uzyskiwaych wyiku prac rozbiórkowych lub selektywej zbiórki i przezaczoych o powtórego wykorzystaia. Aby lepiej zrozumieć procesy kruszeia, obrze jest zapozać z postawowymi typami kruszarek. Polska orma, PN-60/M-470, otycząca kruszarek zieli je a astępujące typy: kruszarki szczękowe, stoŝkowe, walcowe, młotkowe, specjale. a) Kruszarki szczękowe. Omówieie kruszarek rozpocziemy o kruszarki szczękowej. Kruszarka ta jest ajstarszą i jeocześie ajczęściej stosowaą maszyą o rozrabiaia skał. Decyują o tym: prostota kostrukcji, łatwość obsługi, trwałość oraz uŝe siły kruszeia. Praca maszyy ma charakter cykliczy. Kruszarki szczękowe stosuje się o rozrabiaia grubego oraz śreiego. Główym zaaiem kruszarki szczękowej jest zgiataie ziare pomięzy woma szczękami. Jea szczęka jest ieruchoma, zaś ruga, achyloa po określoym kątem, wykouje ruch wahałowy. Szczęki wyposaŝoe są w wymiee płyty, które mają opowieio ukształtowae powierzchie. Na rysuku 2 przestawioo moel wurozporowej kruszarki szczękowej. Buowa kruszarki szczękowej. OA korba apęowa (wał mimośroowy); AB pociągacz; BC i BD płyty rozporowe; DE - płyta ruchoma (szczęka ruchoma); K płyta ieruchoma; DEK przestrzeń komory roboczej, gzie występuje zgiataie i ściskaie materiału, co powouje pękaie, reukcję wymiarów i

4 przesuwaie się o olej części komory, w kieruku otworu wylotowego. Kształt płyty ma wpływ a siły kruszeia.,ω Rys.2. Dwurozporowa kruszarka szczękowa. b) Kruszarki uarowe. Rozrobieie materiału w takich kruszarkach polega a uerzeiu tego materiału, przez elemety robocze maszyy, poruszające się ze zaczą prękością. Prowazi to o ziszczeia struktury materiału. Spośró kilku rozajów kruszarek uarowych ajwiększe zastosowaie zalazły kruszarki młotkowe. Buowa i zasaa ziałaia została przestawioa a rysuku 3. Wielkość szczeli rusztu (4) ecyuje o ostateczym efekcie rozrobieia określoym przez stopień rozrobieia. Efekty procesu rozrobieia uarowego zaleŝą o szeregu takich czyików jak: rozaj i właściwości materiału, prękości obrotowe wału z młotkami, liczby młotków i ich kształtu, ukształtowaia komory roboczej it. W kruszarkach młotkowych młotki (2) osazoe są wahliwie a tarczy () osazoej a wale apęowym. Części ścia korpusu wyłoŝoe są segmetami płyt pacerych (3) o wysokiej wytrzymałości a ścieraie. Cząstki materiału ostateczie rozrobioego przeostają się a zewątrz przez ruszt (4), zaś te które mają zbyt uŝe wymiary poawae są alszemu procesowi iszczeia. ω Rys. 3. Uarowa kruszarka młotkowa.

5 c) Kruszarki stoŝkowe. Kruszarki stoŝkowe są ajczęściej stosowaym rozajem maszy o rozrabiaia skał zwięzłych i barzo zwięzłych. Schemat ziałaia takiej kruszarki przestawioo a rys.4. Elemetami roboczymi są wa stoŝki: stoŝek wewętrzy (), stoŝek zewętrzy (2). Rozrabiaie w tych kruszarkach ma charakter ciągły. Na proces rozrabiaia skłaają się astępujące zjawiska: zgiataie, ścieraie oraz łamaie pomięzy powierzchiami boczymi stoŝków. Istieje wiele poziałów kruszarek stoŝkowych. Jee opierają się a kryteriach kostrukcyjych, ie zaś a kryteriach techologiczych. Polska orma PN-72/M zieli kruszarki stoŝkowe a: a) kruszarki stoŝkowe o stoŝkach przeciwległych zbieŝych, b) kruszarki stoŝkowe o stoŝkach współbieŝych. Kruszarki o stoŝkach przeciwległych zbieŝych przezaczoe są o kruszeia zgrubego. Kruszarki stoŝkowe o stoŝkach współbieŝych przezaczoe są o kruszeia robego. Omówimy przykłaowy moel kruszarki. W kruszarce przestawioej a rysuku 4 typu,,gates" stoŝek wewętrzy zawieszoy jest a łoŝysku kulistym 5. Oś tego stoŝka OO jest ochyloa o kilka stopi o osi geometryczej maszyy OO. Poprzez przekłaię stoŝkową (4) apę przeosi się a tuleję mimośroową (3). StoŜek () moŝe obracać się wokół własej osi (OO ). Kruszeie materiału zachozi przy zbliŝaiu się stoŝka ruchomego () o kolejych części stoŝka ieruchomego (2). Powierzchie robocze stoŝków mogą być głakie lub Ŝłobkowae. ω Rys. 4. Schemat kruszarki stoŝkowej z wałem powieszoym -,,Gates. 3. Teoretycze postawy procesu kruszeia. Kruszeie jest procesem skomplikowaym, zaleŝym o całego szeregu czyików. Do ajwaŝiejszych aleŝą własości fizycze, mechaicze i chemicze skał oraz sposób ich kruszeia. Jeym z ajistotiejszych problemów procesu kruszeia jest zapotrzebowaie a eergię potrzebą o skruszeia skały o Ŝąaej wielkości. Ogóla teoria mechaiczego kruszeia ciała, która objęłaby wszystkie zjawiska zachozące poczas tego procesu, ie została

6 jeszcze opracowaa. RozwaŜaia teoretycze a temat procesu kruszeia, sprowazają się o kilku hipotez. Hipotezy te staowią postawę o wyzaczeia eergii, oraz o oboru maszyy rozrabiającej. PoiŜej przestawimy trzy wybrae hipotezy eergetycze: P. Rittigera, F. Kick, F. Boa. a) Hipoteza,,powierzchiowa (P. Rittigera, 867r.) Weług tej hipotezy, praca potrzeba o rozrobieia skały jest proporcjoala o powierzchi wytworzoej w czasie procesu rozrobieia, a więc: A = k s gzie: A praca potrzeba o kruszeia [Nm], s przyrost powstałej powierzchi w procesie kruszeia [m 2 ] k współczyik proporcjoalości (praca potrzeba o wytworzeia jeostki powierzchi). śeby wytłumaczyć zasaę hipotezy posłuŝymy się aalizą sześciau o jeoroych właściwościach i o krawęzi (rys. 5). JeŜeli chcemy rozrobić te sześcia o krawęzi, a sześcia o krawęzi /2, to rozrobieie przeprowaza się wzłuŝ trzech płaszczyz ( a /3 to a sześć płaszczyz). W tabeli zamieszczoo opowieie wzory słuŝące o wyprowazeia pracy wg Rittigrera. a) b) plaszczyza π Rys. 5. Sześcia Rittigera a) poział płaszczyzą,,π" b) a,," kostek. Tabela Poział Długość Stopień rozrobieia iczba płaszczyz poziału Praca rozro- bieia. iczba kostek wtórych = 3(-) 2 3

7 Ogóly wzór a pracę jeostkową Rj jest astępujący: Rj 6 o = CR o p = γ p = C R ( ) gzie: o praca poziału kruszoego materiału o =,(R liczba Rittigera, określająca w R przybliŝeiu powierzchię), γ o cięŝar objętościowy materiału, C R = 6 γ o o - stała materiałowa la pewego ie zaego zakresu wielkości p i p, rozmiary oczek sit, przez które przejzie opowieio 80% masy prouktu i aawy [µm]. Hipoteza powierzchiowa wykazuje ość uŝą zgoość zuŝycia eergii z wyikami oświaczalymi przy kruszeiu robym i przy mieleiu. Poza tym hipoteza ta obrze ozwierciela waruki pracy przy kruszeiu skał w maszyach ziałających a zasazie ścieraia. b) Hipoteza objętościowa (F. Kick, 885). Teoria Kicka otyczy wytrzymałości skał, a ściślej jeorazowego ziszczeia skał przez ziałaie zgiataiem lub uerzeiem. Autor wyszeł z załoŝeia, Ŝe okształceie ziara skały powstaje po ziałaiem sił zewętrzych, które wywołują w skale apręŝeia. Gy apręŝeia te wzrosą o graic wytrzymałości a zgiaie, wówczas ziaro ulega rozrobieiu. Zatem praca włoŝoa w rozrobieie ziara zuŝyta zostaje a jego okształceie. Hipoteza ta sprowaza się o trzech zasa: Zasaa prace potrzebe o wywołaia zgoej zmiay kształtu, wóch geometryczie poobych ciał z tego samego materiału, mają się o siebie tak, jak objętości lub cięŝary tych ciał. gzie: 2 V G = = = 3 V G k 2, 2 wyatkowaa praca a eformacje ciała i 2; V, V 2 objętości ciała i 2; G, G 2 cięŝary ciała i 2; k stosuek wymiarów liiowych ciał i 2, k = 2 2.

8 Zasaa 2 siły lub aciski, potrzebe o wywołaia zmiay kształtu ciał i 2 (wg zasay ), mają się o siebie tak, jak powierzchie. 2 P l = = P l 2 2 p F l = 3 p F l k 2 2 Zasaa 3 praca potrzeba o poziału (jeorazowego pokruszeia) ciała o określoym kształcie jest rówa iloczyowi cięŝaru ciała i pracy poziału (jeorazowego pokruszeia) jeostki jego cięŝaru (lub iloczyowi objętości ciała i pracy poziału jeostki jego objętości). Ciało kruszoe i elemety przestawiające jeostkowy cięŝar (objętość) są geometryczie poobe. Wzór a pracę kruszeia wg Kicka K. gzie: σ 2 N V K = jk V = 2E = C V K C K stała materiałowa, jk praca o poziału jeostki cięŝaru ( jk = C K ), V objętość. Hipoteza objętościowa ość obrze opisuje zuŝycie eergii przy rozrobieiu grubym i śreim. Poza tym hipoteza ta obrze ozwierciela waruki pracy przy kruszeiu skał w maszyach ziałających główie przez zgiataie lub uerzaie. c) Hipoteza ( F. Bo, 952r.). ZuŜycie eergii a kruszeie ciał w takich samych warukach weług przytoczoych hipotez jest róŝe. RóŜi się oo teŝ o rzeczywistego zuŝycia eergii stwierzoej w oświaczeiach. W rzeczywistości bowiem praca kruszeia, ie zuŝywaa jest tylko a wywołaie okształceia spręŝystego, jak głosi hipoteza objętościowa, ai teŝ wytworzeie owych powierzchi jak głosi hipoteza powierzchiowa. Zaim wystąpi rozrobieie skały, występują kolejo w iej astępujące zjawiska: okształceie spręŝyste, okształceie trwałe (plastycze), rozpa i tworzą się owe powierzchie. Bo połączył te wie hipotezy i ogłosił o ową hipotezę, którą azwał trzecią teorią rozrabiaia. Wyszeł o z załoŝeia, Ŝe praca kruszeia skały w początkowej fazie (w chwili powstaia pierwszych pękięć) jest proporcjoala o 3, co jest zgoe z hipotezą Kicka. Natomiast w alszym ciągu kruszeia jest oa proporcjoala o 2, co jest zgoe z hipotezą Rittigera. Oba czyiki, objętościowy i powierzchiowy, wpływają a wielkość pracy kruszeia, a ich wpływ wyrówuje się a pewym etapie kruszeia. Weług tej hipotezy praca kruszeia jest

9 5 proporcjoala o 2. Jeostkowa praca kruszeia jest owrotie proporcjoala o pierwiastka kwaratowego śreicy cząstek prouktu. Wzór ogóly a eergię jeostkową: jb = i p 00 kwh, t, p p w człoie 00 p wstawiamy w [µm.] i ieks pracy ( jeostkowa praca kwh t ) opowiaająca pokruszeiu aawy, o ziare prouktu p, którego 80% przechozi przez sito kwaratowe o wielkości oczka 00 µm. 4. Opis geometryczy elemetów aawy i prouktu. Dokłay opis geometryczy ieregularie ukształtowaego elemetu uwzglęia wiele parametrów. Przestawimy wa z ich tj. wymiar zastępczy, kształt. a) Wymiar zastępczy Mierzymy wymiary kruszoego materiału w trzech prostopałych płaszczyzach w celu określeia wymiaru śreiego. Długość - a, szerokość - b, grubość - c. Zapis matematyczy o określeia a + b + c wymiaru śreiego: śreia arytmetycza a =, 3 3 śreia geometrycza g = a b c, harmoicza h =. PoiewaŜ objętość bryły a b c baaej moŝemy zastąpić objętością kuli, otrzymamy wzór 6 V p 3 po =. π Rys. 6. Charakterystycze wymiary elemetu aawy, prouktu.

10 b) Kształt Polska orma PN-78/B0674 Art. 4 przyjmuje wa rozaje ziare: foreme la a<3c (rys. 6), oraz ieforeme la b 3c (ziara płaskie) i a 3b (ziara wyłuŝoe). Baaia kształtu ziara przeprowazoego przy pomocy suwmiarki Schultza, lub przy uŝyciu opowieich sit szczeliowych. 5. Aaliza sitowa. Aaliza sitowa jest sposobem określeia wielkości ziare w aawie lub proukcie. Dokouje się tego a próbie materiału za pomocą sit kotrolych o róŝych kształtach otworów (kwaratowe, okrągłe) przez pozieleie a klasy (frakcje, sortymety) o określoych graicach wielkości ziare i ozaczeiu uziału tych klas w masie całej próby. Polska Norma PN 78/B0674, przestawia wymiary boku oczka kwaratowego sit kotrolych, poaje przyrząy, opisuje sposób wykoaia baaia, obliczeń i sposób iterpretacji wyików. ω Rys. 7. Zestaw sit kotrolych. Wymiary boku oczka kwaratowego sit kotrolych [mm] wg PN 78/B Aalizę rozkłau uziarieia moŝa przestawić w formie tablicy rozkłau uziarieia lub w formie krzywych uziarieia. Puktem wyjścia jest zajomość poszczególych mas frakcji, jakie zajują się a sitach kotrolych (rys. 7). Suma tych mas m i jest masą całej baaej próby. W praktyce spotykamy trzy rozaje krzywych uziarieia: krzywa rozkłau (rozkła prawopoobieństwa p(x)), krzywa przesiewu (ystrybuata P(x)) i krzywa osiewu. JeŜeli chcemy obliczyć sumę wzglęych osiewów la sita j to otrzymujemy fukcję: j mi H = = m m i= i= j m, zaś la przesiewów otrzymamy fukcję i j Q = H = m m i. i=

11 6. Stopień rozrobieia. Miarą stopia reukcji wymiarów bryły czy ziare aawy w stosuku o ziare prouktu jest tzw. stopień rozrobieia. MoŜemy określić kilka rozajów stopia rozrobieia p.: stopień rozrobieia 80% - jest to stosuek wymiaru otworu sita, przez które przechozi 80% aawy o wymiaru otworu sita, przez które przechozi 80% prouktu. = 80% D 80% 80% Zajomość aalizy sitowej, geometrii ziara, stopia rozrobieia jest wykorzystywaa o obliczeń eergii, których okouje się za pomocą hipotez eergetyczych. Przebieg ćwiczeia. Realizacja ćwiczeia bęzie przebiegała weług przestawiaego poiŝej plau: Przypomieie postawowych zagaień związaych z procesami kruszeia. Zapozaie się kostrukcjami kruszarek moelowych. Aaliza kruszeia la wybraych maszy. Aaliza mechaizmu ziszczeia stopień rozrobieia, kształt ziare. iteratura. Zawaa J.: Wstęp o mechaiki procesów kruszeia. IMRC Wiek H.: Maszyy buowlae. WPW 973.