Анотація

Виробництво дрібнозернистого матеріалу пов’язане з високим споживанням електроенергії і зазвичай здійснюється у кількох етапах обробки. Останній етап – подрібнення, є найвитратнішим. Це потребує створення нових економічних машин і технологій. Велика кількість досліджень, проведених у Дніпровському університеті “Дніпровська політехніка“, дозволила вперше обґрунтувати можливість використання вібраційної щокової дробарки з вертикально розташованою камерою та кияним підвісом щелеп для виробництва порошкоподібних матеріалів, а також в процесах виробництва, що вимагають спеціальних технологічних режимів. Розвиток цього напрямку полягає в створенні віброударного подрібнювача з нахиленою робочою камерою, яка забезпечує регулювання величини сили, що діє на матеріал у широкому діапазоні. Метою роботи є обґрунтування необхідності проведення досліджень і розробки нових конструктивних рішень для вібраційних щокових дробарок, модульних установок лінії виробництва на основі малих вібраційних устаткувань. У статті зазначається причина відносно низької продуктивності вібраційної щокової дробарки і рекомендуються шляхи покращення. Показана можливість перерозподілу відсотку вузьких класів матеріалу у готовому продукті шляхом зміни вібраційної частоти розмелюючих щелеп. Проведений аналіз показує можливість значного підвищення ефективності подрібнення матеріалів при розробці нових конструктивних рішень для паралельної зони. Розглянуто особливості розробленого нового класу вібраційних щокових дробарок зі складним рухом щелеп, який забезпечує процес подрібнення матеріалу уздовж усієї довжини робочої камери. Обґрунтовано створення окремого модуля інноваційної технологічної лінії для виробництва дрібнозернистого та порошкоподібного матеріалу з горизонтальним розташуванням малогабаритного вібраційного устаткування.

Вступ

На сьогоднішній день, разом з виробництвом великої ємності, зростає кількість підприємств, потреба яких у отриманні дрібнозернистого та порошкоподібного матеріалу обмежується від кількох тон до десятків кілограмів на годину. Це потребує створення високоефективних малих установок, які забезпечують повний технологічний процес обробки мінералів, включаючи підготовку вихідного матеріалу, операцію розмелювання та подрібнення, а також відділення комерційного продукту. У цьому ланцюжку процесів операція розмелювання та подрібнення є найвитратнішою через споживання значної кількості електроенергії [1], високі витрати на ремонт та заміну швидко зношуваних елементів дробильних частин. Однією з причин є використання підприємств застарілого обладнання з низьким ступенем подрібнення та багатоступінчастим технологічним процесом.

Велика кількість проведених досліджень у Дніпровському університеті вперше дозволила обґрунтувати можливість використання вібраційної щокової дробарки з вертикально розташованою камерою та кияним підвісом щелеп як самостійної подрібнювальної одиниці для отримання порошкових матеріалів, а також в процесах виробництва, що вимагають спеціальних технологічних режимів [2,3].

Конструктивна схема вібраційної щокової дробарки в цілому (рис. 1) є осцилюючою системою, в якій щелепи 1, рухомо зв’язані з корпусом 2 через осі підвісу 3, отримують високочастотні коливання. Ротаційний осциляційний рух щелеп, а також вертикальний рух корпусу, створюються силами інерції обертових незбалансованих мас одношарових вібраційних збудників 4.

Інерційний принцип дії вібраційного збудника на дробильні щелепи дозволяє забезпечити нормальну роботу дробаря з прямим контактом робочих поверхонь щелеп у момент їх найближчого підходу, що є визначальним фактором використання дробаря як самостійної подрібнювальної одиниці. Високочастотний ударний характер навантаження матеріалу, реалізований в них, дозволив знизити енергоспоживання та металеві витрати установки та підвищити ступінь подрібнення [4].

Рис. 1. Конструктивна схема вібраційної щокової дробарки з вертикальною дробильною камерою: 1 – щелепа; 2 – корпус; 3 – ось підвісу; 4 – вібраційний збудник.

Порівняльні характеристики параметрів дробильних установок

Таблиця 1 показує характеристики параметрів дробильних установок: вібраційного млина типу PALLA, барабанного млина з постійним сортуванням та ввібраційної щокової дробарки.

Параметри	Тип дробаря
	PALLA 20U	PALLA 35U	Drum mill	VSHCHD -220	VSHCHD – 220
Size of the original pro-duct, mm	0-5	0-5	0-50	0-50	0-50
Final product size, mm	0-0,2	0-0,2	0-0,2	0-0,2	0-0,2
Material for recycling	Medium hard	Medium hard	Ferro- chrome	Ferro- chrome	Ferro-silicium
Finished product capacity Q, t/ч	0,05	0,65	0,06	0,24	0,6
Installation weight, kg	600	2900	1845	600	600
Specific electri- city consumption, W/Q, kWh/t	80	28,5	55	32	13,5
Grinding degree	15	15	65	65	65
Dimensions, mm	–	–	1245	580	580
	–	–	1320	720	720
	–	–	2255	1040	1040
Efficiency Qi, t/h	0,75	9,8	3,99	16	40
Electricity con- sumption related to efficiency W/Qi, kWh/t	5,35	1,86	0,78	0,48	0,2

Метод віброударного подрібнення матеріалу був подальше розвинутий при розробці нового дизайну дробаря з нахиленою дробильною камерою, що забезпечує контроль над величиною сили впливу на матеріал у широкому діапазоні [5]. В цілому, дробар (див. Рис. 2) включає нижню дробильну щелепу 1, закріплену на амортизаторі 5.

Рис. 2. Конструктивна схема вібраційної щокової дробарки з нахилом дробильної камери: 1 – нижня щелепа; 2 – ось підвісу щелепи; 3 – верхня щелепа; 4 – вібраційний збудник; 5 – амортизатор; 6 – пружний елемент. Верхня щелепа 3 встановлена в стійках нижньої щелепи за допомогою осі підвісу 2, відносно якої вона може здійснювати обертові коливання. У заданому нейтральному положенні верхню щелепу утримують пружні елементи 6. Коливання щелеп генеруються двохваловим інерційним вібраційним збудником 4.

Зміна вібраційної частоти щелеп

Експлуатація вібраційних дробарок показала, що існують певні агрегати та елементи, вдосконалення яких збільшить ефективність технологічного процесу. Метою роботи є обґрунтування необхідності досліджень та розробки нових конструкційних рішень для вібраційних дробарок, модульних установок лінії виробництва на основі невеликих вібраційних пристроїв.

Продуктивність дробарки при отриманні продукту дрібної крупності та порошкового матеріалу є одним з її головних недоліків і вимагає значного підвищення. Це головним чином пов’язано з малою шириною виливного проміжку та невеликим об’ємом призми виливного матеріалу. Один з найпростіших способів підвищення продуктивності в необхідному класі розмірів – зміна вібраційної частоти щелеп [4].

Наприклад, на рис. 3 показані результати дроблення феросиліцію на дробарці VSHD-220 (тут 220 – ширина щелепи).

Рис. 3. Залежність виходу дробленого феросиліцію від вібраційної частоти щелеп, 6 мм: 1 – клас +5; 2 – клас 3-5; 3 – клас 1-3; 4 – клас -0,28-1; 5 – клас -0,28.

В якості вихідного матеріалу були взяті шматки розміром 40-50 мм. Ширина виливного проміжку становила 2 мм. Матеріал подавався до дробарки за допомогою вібраційного живильника з потужністю 1200 кг/год. Якщо ми приймемо фракцію -0,28 мм як готовий продукт, то при частоті 90 рад/с продуктивність складатиме 216 кг/год, але при частоті 110 рад/с продуктивність досягне 480 кг/год. Характер кривої 5 (див. Рис. 3) передбачає, що при подальшому збільшенні частоти коливань щелеп відбудеться різке збільшення продуктивності для даного класу розмелу, однак вже виникають труднощі з міцністю та надійністю конструкції та її елементів. Здається природним збільшення довжини виливного проміжку, проте цей параметр має свої обмеження і залежить від загальної компоновки дробарки. Значне збільшення продуктивності досягається шляхом створення пристроїв, що забезпечують видалення готового продукту з робочої камери по мірі його утворення. Одна з конструктивних схем [6] цього типу вібраційних дробарок показана на рис. 4.

Рис. 4. Дробарка з розвантажувальними щілинами: а – загальний вигляд, б – робоча поверхня нижньої щоки, 1 – нижня щока; 2 – верхня щока; 3 – віброзбудник; 4 – щілини;
5 – футерувальна плита; 6 – розвантажувальне вікно; 7 – клини; 8 – стяжні болти

Процес видалення готового продукту відбувається наступним чином. Матеріал, який потрапляє в дробильну камеру, рухається вздовж робочої поверхні нижньої щелепи 1 до виливного проміжку дробарки і піддається високочастотному ударному навантаженню від верхньої щелепи 2, яка коливається під дією вібраційного ексцентрика 3. Взаємодія шматка матеріалу з верхньою щелепою призводить до утворення фракцій потрібного розміру. Цей клас матеріалу під дією сил тяжіння потрапляє на робочу поверхню нижньої щелепи і, рухаючись разом із великими шматками в напрямку виливного проміжку дробарки, потрапляє в проміжки 4. Ширина проміжків встановлюється рівною максимальному розміру готового продукту і регулюється за допомогою встановлення відповідних вставних пластин 5. Мінімальна ширина проміжку може бути долів міліметра. Вставні пластини розміщуються на масивній поверхні нижньої щелепи і закріплюються за допомогою затягування клиноподібних прокладок 7 за допомогою болтів 8. Готовий продукт, який потрапив в проміжки, рухається по нахилених поверхнях до виливних вікон 6. Ступенчасте розташування вставних пластин вздовж довжини дробильної камери сприяє розрідженню матеріалу в процесі його переходу від верхнього етапу до нижнього, що також збільшує ефективність видалення готових фракцій з дробильної зони.

Паралельна зона. У щокових дробарках гранулометричний склад подрібненого продукту визначається розміром призми падаючого матеріалу і може мати значну кількість надлишкових зерен. Перерозподіл досягається встановленням у розвантажувальному вікні футерувальних плит з паралельною зоною. Висота паралельної зони приймається з умови, при якій час проходження зони шматком подрібненого матеріалу більше часу одного обороту ексцентрикового валу. При виконанні цієї умови кожен шматок, принаймні один раз, буде затиснутий в паралельній зоні під час розвантаження мате- ріалу. При ширині розвантажувального вікна, яка визначається десятками міліметрів, особливих вимог до виготовлення та встановлення футерувальних плит, які практично виконують функцію калібратора верхнього розміру подрібнюваного продукту, не пред’являється.
Особливістю конструкції віброщокових дробарок для отримання дрібнозернистого і порошкоподібного матеріалу є обов’язкова наявність паралельної зони. На цій ділянці камери дроблення в основному здійснюється формування якісного складу готового продукту.
На рис. 5 наведені результати дроблення агломераційної шихти з початковою крупністю 3-15 мм. [7]. Висота паралельної зони становила 25 мм (суцільна лінія) і 50 мм (пунктирна лінія).
Аналіз гранулометричного складу подрібненого продукту показує, що висота паралельної зони є одним з керуючих параметрів, який дозволяє регулювати склад подрібненого продукту, перерозподіляючи його вміст у вузьких класах крупності. Для

Наприклад, при частоті коливань щоки 115 рад/с, змінюючи висоту паралельної зони, можна отримати 40% або 50% продукту класу -0,56 мм.
Графічна залежність показує наявність граничного значення висоти паралельної зони, при якому збільшення частоти коливань щок практично не впливає на гранулометричний склад подрібненого продукту. Так, зокрема, для висоти 25 мм. не доцільно приймати робочу частоту коливань щок більше 120 рад/с.

Рис. 5. Вплив висоти паралельної зони на гранулометричний склад подрібненого продукту: 1 клас – 0,56 мм; 2 клас – 1-2 мм;
3 клас 0,56-1 мм; 4 клас 2-3 мм; 5 клас +3 мм

При отриманні дрібнозернистих і порошкоподібних матеріалів в паралельній зоні остаточне подрібнення здійснюється в шарі, товщина якого залежить від міцності матеріалу і може становити всього кілька міліметрів.
У зв’язку з цією особливістю, для ефективної роботи паралельної зони істотне значення має початкове налаштування паралельності робочих поверхонь щок.
Можливі кілька варіантів:

• паралельність встановлюється при зімкнутих щелепах;
• паралельність встановлюється, коли губки знаходяться в положенні рівноваги;
• паралельність встановлюється при максимальній ширині розвантажувальної щілини.

Перший варіант не є раціональним, оскільки при відведенні щелепи утворюється зворотний кут захоплення, який також зберігається при взаємодії з шаром матеріалу в будь-якому положенні щелепи.
Установка на максимальну ширину щілини забезпечує паралельність тільки в момент навантаження. Процес стиснення матеріалу відбувається з прямим кутом захоплення, що знижує ефект шліфування на початку паралельної зони, особливо при мінімальній товщині шару. Паралельність доцільно встановлювати в положенні рівноваги щік, що забезпечує силове навантаження матеріалу по всій поверхні паралельної зони в момент найбільшої швидкості щоки. Паралельність повинна зберігатися при регулюванні ширини розвантажувальної щілини і висоти паралельної зони. Це досягається конструктивними рішеннями, приклади яких наведені на рис. 6 [8].

Рис. 6. Пристрої для регулювання паралельної зони і ширини розвантажувальної щілини: а – вертикальна камера; б – похила камера; 1 – щелепа; 2,3,4,5 – рухомі пластини;
6 – місце кріплення; 7 – пластини

Налаштування параметрів виконується наступним чином. При жорстко закріпленій пластині 2 (див. рис. 6а) максимальна висота паралельної зони буде тоді, коли торцева поверхня пластини 3 буде розташована на рівні або нижче торцевої поверхні пластини 2. Необхідна висота паралельної зони встановлюється шляхом зсуву пластини 3 вгору і фіксації її набором пластин 7. Після цього виконується жорстка стяжка плити з щокою за допомогою вузла кріплення 6. Аналогічно регулюється висота паралельної зони в дробарці з похилою камерою дроблення. Плита 5 знаходиться в жорстко закріпленому стані (див. рис. 6б), плита 4 встановлюється з підвісною фіксацією в положенні, що вимагається технологічним регламентом.

Регулювання ширини вивантажувальної щілини при збереженні висоти паралельної зони здійснюється шляхом одночасного зсуву двох пластин (2-3, 4-5, рис. 6). Спільне регулювання ширини щілини і висоти паралельної зони здійснюється зміщенням плити 2 при вертикальному розташуванні камери дроблення і плити 5 при похилому розташуванні камери дроблення.
Проведений аналіз показує можливість підвищення ефективності подрібнення матеріалів при розробці нових конструктивних рішень паралельної зони.
Дробарка зі складним рухом щоки. Загальним недоліком щокових дробарок з маятниковим підвісом щоки є відсутність лінійної амплітуди коливань щоки в області осі підвісу. Це призводить до зміщення від осі підвісу щоки початкового руйнівного навантаження на матеріал, збільшення довжини камери дроблення, габаритів і металоємності дробарки.
Розроблений в Дніпровському технологічному університеті новий клас щокових дробарок зі складним рухом щоки [9] забезпечує процес подрібнення матеріалу по всій довжині робочої камери (див. рис. 7).

Рис.7. Дробарка зі складним рухом щоки:
1 – віброзбудник; 2 – підшипникова опора; 3 – вісь підвісу; 4 – верхня щока;
5 – пружні елементи; 6 – нижня щока; 7 – приймальне вікно

Особливістю дробарки є використання одновального інерційного віброзбуджувача 1, який створює збурюючу силу з обертовою частотою обертання та встановлення в підшипникових опорах 2 осей підвісу 3 верхніх щок 4 в пружних елементах 5, що дає можливість осі підвісу переміщатися відносно нижньої щоки 6 в будь-якому напрямку, розглянутому в площині креслення. Величина переміщення осі підвісу визначається жорсткістю пружних елементів, яка в напрямку, перпендикулярному до робочої поверхні верхньої щелепи, значно більша, ніж в поздовжньому напрямку. Ця пропорційність формує траєкторію руху верхньої щелепи у вигляді еліпса з напрямком великої осі вздовж робочої поверхні верхньої щелепи. Під дією збурюючої сили одновального інерційного віброзбудника верхня і нижня щелепи здійснюють коливання. Через різницю мас амплітуда коливань верхньої щелепи вища, ніж амплітуда коливань нижньої щелепи. Вихідний матеріал, що надходить у приймальне вікно 7 дробарки, рухається до розвантажувальної щілини по нижній щоці і в момент контакту з робочою поверхнею верхньої щоки піддається високочастотному силовому навантаженню. При цьому реалізується новий технологічний процес (принцип) взаємодії верхньої щелепи з матеріалом. В області осі підвісу щоки, де величина амплітуди обертальних коливань щелепи недостатня для створення стискаючих руйнівних деформацій в шматку матеріалу, руйнування шматка матеріалу здійснюється за допомогою деформацій зсуву, що створюються зміщенням верхньої щелепи.
При подальшому переміщенні шматка і досягненні зони, де амплітуда обертальних коливань щоки достатня для створення в шматку руйнівної деформації стиснення, має місце інший характер взаємодії верхньої щоки з матеріалом, при якому матеріал отримує комбіноване силове навантаження за принципом “стиснення + зсув”, що значно підвищує ефективність процесу подрібнення.
Інноваційна технологічна лінія для виробництва дрібнозернистих і порошкоподібних матеріалів представлена комплексом агрегатів, що забезпечують попередню сушку вихідного матеріалу, операцію дроблення і подрібнення та виділення готового продукту.
Створення вібраційної щокової дробарки з похилою камерою дроблення дозволяє перейти від традиційного вертикального компонування обладнання до його горизонтального розміщення (див. рис. 8), що значно спрощує монтаж і обслуговування, істотно знижує матеріаломісткість лінії.

Технологічна лінія працює наступним чином:
З бункера – живильника 1 матеріал подається із заданою продуктивністю на вібраційний конвеєр сушильної установки. Розроблено два типи віброконвеєрів: для кускових і сипучих матеріалів. Особливістю віброконвеєра для кускових матеріалів є можливість сушіння матеріалу з широким гранулометричним складом, включаючи фракції зерна від часток до десятків міліметрів. Матеріал, що подається на сушіння, під дією спрямованого вібраційного збурення переміщується по решітчастій ступінчастій поверхні і обдувається через щілини гарячим повітрям [10]. Довжина конвеєра до 6 м, продуктивність до 5 т/год.

 

Рис. 8. Схема інноваційної технологічної лінії для виробництва дрібнозернистих та порошкоподібних матеріалів: 1 – бункер – живильник; 2 – вібраційна сушарка; 3 – вібраційна
щокова дробарка; 4 – грохот; 5 – стикувальні елементи

Більш компактна конструкція віброконвеєра для сипучих матеріалів з розміром частинок до 15 мм. Створений складний профіль робочої поверхні дозволив задати рух матеріалу з інтенсивним перемішуванням, що підвищило ефективність сушіння та збільшило час перебування матеріалу під високотемпературним впливом [11]. Випробування лабораторного зразка віброконвеєра показали можливість зменшення довжини віброконвеєра, в порівнянні зі звичайним перфорованим профілем робочої поверхні, в кілька разів при тих же технологічних показниках.
Не всі матеріали вимагають попереднього сушіння. При її відсутності сировина подається в робочу камеру дробарки безпосередньо з завантажувального бункера.
Вібраційна дробарка приймає матеріал розміром до 100 мм і здійснює його подрібнення до мікронного стану. Відділення готового продукту здійснюється на грохоті зі складним профілем робочої поверхні. Зменшення габаритів руйнівного і класифікаційного обладнання по висоті дозволяє досить легко організувати замкнутий цикл з мінімальною кількістю транспортного обладнання.

Висновки

Інноваційна технологія подрібнення матеріалів на основі вібраційних щокових дробарок має великий потенціал для подальшого розвитку для тонкого руйнування матеріалів, в тому числі міцних та абразивних.
Найбільш суттєвим способом підвищення продуктивності вібраційної щокової дробарки при виробництві тонкоподрібнених матеріалів є видалення готового продукту з робочої камери по мірі його формування.
Розробка нових рішень по створенню паралельної зони є великим резервом підвищення ефективності подрібнення в вібраційних щокових дробарках.
Створені малогабаритні конструкції є основою для розробки модульних установок технологічних ліній: живильник – вібраційна сушарка – вібраційна дробарка – віброгрохот; живильник – вібродробарка- вібросито – конвеєр для закриття циклу подрібнення (дроблення). Продуктивність таких модульних заводів – до 5 т/год, довжина – до 10 м.

 

References

1. Pivnyak, G.G., Weisberg, L.A, Kirichenko, V.I, Pilov, P.I. and Kirichen- ko, V.V. (2007) Izmelchenie. Energetika i tehnologiya. [Shredding. Energy and technology]. Moscow: Publishing house “Ore and Metals” (in Russ.).
2. Franchuk, V.P., Fedoskin, V.O. and Plahotnik, V.V. (1990) Perspektivyi primeneniya vibratsionnyih schyokovyih drobilok dlya izmelcheniya ferromateri- [Prospects for the use of vibrating jaw crushers for crushing ferromaterials]. Nauchno-tehnicheskiy sbornik «Obogaschenie poleznyih iskopaemyih» [Scientific and technical collection “Enrichment of minerals”] (Vol. 40). Kyiv:Technique. 3 – 6. (in Russ.).
3. Fedoskin, V.O. and Plahotnik, V.V. (1993) Opyit ispolzovaniya vibratsion- noy schekovoy drobilki kak izmelchitelya [Experience of using a vibrating jaw crusher as a grinder]. Pervaya konferentsiya po sravneniyu razlichnyih vidov izmelchiteley. [First conference on the comparison of various types of crushers.], Odessa. 56-59. (in Russ.).

4. Fedoskin, V.O. (1982) Dinamika i razrabotka metodov raschYota vibroizmel- chitelnyih mashin vibroudarnogo deystviya [Dynamics and development of methods for calculating vibro-crushing machines of vibro-impact action], Avtoreferat kan- dydats’koi dysertatsii [Abstract of thesis candidate’s dissertation]. Georgian Poly- technic Institute, Tbilisi, Georgia (in ).
5. Franchuk, V.P., Plahotnik, V.V. and Fedoskina, O.V. (2008) K voprosu effektivnosti drobleniya materiala v vibratsionnoy schyokovoy drobilke. [On the issue of the efficiency of material crushing in a vibrating jaw crusher]. Nauchno- tehnicheskiy sbornik «Obogaschenie poleznyih iskopaemyih» [Scientific and tech- nical collection “Enrichment of minerals”] (Vol. 33(74). Dnepropetrovsk. 56 – 61 (in ).
6. Franchuk, V.P. and Fedoskina, O.V. (2010) Vibratsiyna schokova drobarka [Vibratsiina shock crusher], Patent for the invention Ukraine.
7. Franchuk, V.P., Fedoskin, V.O., Tomurko, A.A. and Sula, A.A. (1981) Dro- blenie agloshihtyi v vibratsionnoy schekovoy drobilke. [Crushing of sinter charge in a vibrating jaw crusher]. Nauchno-tehnicheskiy sbornik «Obogaschenie poleznyih iskopaemyih» [Scientific and technical collection “Enrichment of minerals”] (Vol. 29). Kyiv:Technique. 28 – (in Russ.).
8. Poturaev, N., Franchuk, V.P., Tarasenko, A.A. and Fedoskin, V.O.

(1981) Schyokovaya drobilka. [Jaw crusher]. State Register of Patents of USSR, Pat.

№ 808127.

9. Fedoskina, V., Franchuk, V.P., Fedoskin, V.O. and Erisov, M.M. (2022) Vibratsiyna schokova drobarka. [Vibrating jaw crusher]. Utility model patent 151840U. Ukraine.
10. Franchuk, V.P., Fedoskin, V.O. and Plahotnik, V.V. (2006) Osobennosti konstruktsii vibrotransportera sushilnoy ustanovki. [Design features of the vibro- conveyor of the drying plant]. Vibratsii v tehnike i tehnologiyah [Vibrations in engineering and technology,2, 75-77 (in ).
11. Fedoskin, V.O., Erisov, M.M., Fedoskina, O.V. and Kornilenko, K.I. (2022) Vibratsiyniy grohot. [Vibrating screen]. Patent for the invention 126307C2.