Введение. На сегодня строительная отрасль страны испытывает огромный дефицит в щебеночных материалах. Частичным решением этой проблемы может стать получение кубовидного щебня из горных пород со сланцевой текстурой, которые в больших объемах находятся как на территории России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья.
Для производства щебня широко используются конусные, щековые, роторные дробилки, позволяющие получать щебень различных фракций, в том числе и кубовидный из горных пород, имеющих изотропную текстуру. Однако, анализ отечественных и зарубежных конструкций проектируемого и эксплуатируемого дробильного оборудования показал, что они не приспособлены к учету текстуры дробимых материалов, что не позволяет получать щебень кубовидной формы из горных пород, имеющих сланцевую текстуру [1-4].
Материалы и методы. При измельчении сланцевых пород в данных агрегатах на выходе продукт имеет низкое процентное содержание кубовидного щебня и большой процент отсева. Кроме того, они характеризуются высокой энергоемкостью и большим удельным расходом породы при производстве тонны кубовидного щебня [5–6].
Анализ свойств горных пород со сланцевой текстурой показал, что они имеют неоднородную плотность и прочность и при их измельчении, с целью получения кубовидного щебня, необходимо прикладывать силы таким образом, чтобы создаваемое давление воздействовало на кусок поперек продольных слоев с определенным шагом [7].
Основная часть. Учеными БГТУ им. В.Г. Шухова разработан пресс-валковый агрегат с устройством для направленной подачи, который позволяет создавать направленное движение кусков горных пород вдоль своей большей оси к рабочим органам и создавать силовое воздействие в требуемом направлении, что приводит к получению на выходе щебеня кубовидной формы.
Пресс-валковый агрегат (рис. 1) состоит из корпуса 7, в котором расположены два вращающиеся навстречу друг другу валки 1 и 8, на которых имеются выступающие клиновидные зубья. По бокам валков имеются реборды 10, предназначенные для удержания материала в рабочей зоне вальцов при его подаче и измельчении [8]. Для создания направленной подачи горных пород со сланцевой текстурой в бункере 4 расположено устройство, состоящее из двух подвижных щек 5 и подпружиненных роликов 6 [9–10].
Сами зубья (рис. 2) состоят из держателя 3, на одном конце которого имеется крепление к бандажу по принципу «ласточкин хвост», а на другом – паз для установки наконечника 2. Быстросъемный наконечник 2 выполнен в виде клиновидного зуба с односторонним срезом под углом 35–45°, это необходимо для снижение площади его контакта с измельчаемым материалом, а следовательно снижения изгибающих нагрузок, действующих на зуб.
Такая конструкция зуба позволить значительно сократить время замены износившихся элементов без снятия бандажа, повысит надежность конструкции и снизит металлоемкость проведения ремонта.
Рис. 1. Пресс-валковый агрегат с устройством для направленной подачи горных пород со сланцевой текстурой:
1 – ведущий валок; 2 – зубья; 3 – держатель; 4 – бункер; 5 – подвижные щеки; 6 – подпружиненные ролики;
7– корпус; 8 – ведомый валок
Рис. 2. Форма клиновидного зуба:
1 – валок; 2 – съемный наконечник; 3 – основная часть зуба
Однако для создания направленного движения сланцевых материалов к рабочим органам агрегата необходимо затрачивать усилия, отсутствие выражения для расчета которого тормозит внедрение предложенной конструкции в производство. Рассмотрим схему, позволяющую произвести расчет величины усилия необходимого для создания направленного движения сланцевых материалов (рис. 3). Исходными данными служат: радиус ролика r, величина его смещения по горизонтали – L и вертикали – l. Величина угла уклона стенки бункера , а угол, захвата материала
[11-12].
Рис. 3. Схема для определения величины усилия:
1 – ролик; 2 – стенка бункера
Согласно рисунку 3 определим величину угла уклона линии АОВ к горизонтали по следующему выражению:
, (1)
Толщина слоя горной породы h вдоль луча OD, равна:
(2)
и
. (3)
Выразим из выражения (3) величину h, получим:
. (4)
Величина уплотнения материала изменяется с момента попадания его кусков на линию OE, ограниченную углом захвата ролика. Сделав предположения, что усилия, создаваемые роликом, пропорциональны величине деформации слоя, определим эту величину по мере перемещения [13-14].
Уравнение прямой в полярных координатах, можно записать в следующем виде:
, (5)
где – полярные координаты;
– параметры.
В данном случае, когда величина угла берет свое начало от линии OA, то, его величина на этой линии равна
, тогда имеем:
, (6)
при , получим
. (7)
С целью определения величины значений выражение (4) представим в виде следующей системы:
(8)
Приравняв обе части уравнений и решая численно данную систему, сначала определяем значение :
, (9)
или
, (10)
Параметр определим из первого выражения системы уравнений (8).
Наименьшее расстояние от оси координат до стенки бункера равно
, тогда имеем:
. (11)
Определим значение параметра , из выражения (9):
. (12)
Тогда согласно выражению (11), получим:
. (13)
Согласно рисунка 3 получаем, что
(14)
и
, (15)
отсюда,
. (16)
В нашем случае уменьшение толщины слоя материала при его продвижении осуществляется от –
а, по ширине ролика изменение размера слоя не происходит [15]. Изменение
от угла
определяем по следующей зависимости:
, (17)
где .
Из уравнения (4) получаем,
, (18)
а, с учетом уравнений (7) и (12), получим:
, (19)
отсюда
(20)
Полученное уравнение (20) позволяет рассчитать величину деформации слоя, осуществляемую при создании направленного движения сланцевых материалов к рабочим органам агрегата [16]. С целью изучения влияния величины угла и смещения ролика по горизонтали L и вертикали l на величину деформации построим графическую зависимость
от высоты l,
, L рис.4 - 6.
Исходные данные для расчета: ,
, L = 55 см,
= 20 см. Приняв коэффициент деформации, равный 1,19; 1,24; 1,29 и 1,35.
Рис. 4. Зависимость величины деформации материала от угла : 1 – l=10 см; 2 – l=13 см;
3 – l=16 см; 4 – l=19 см
Графическая зависимость от угла наклона
стенки бункера представлена на рис. 3. Исходные данные для расчета:
, l= 13 см, L= 55 см, r= 20 см.
Величину распределенного усилия, приложенного к ролику, определим по следующему выражению:
, (21)
где S – площадка, на которую действуют усилия.
В процессе деформации без разрушения частиц материала, изменение усилия происходит пропорционально уменьшению толщины слоя (рис. 3). Тогда величину изменения усилия
представим в виде выражения:
, (22)
где – коэффициент, зависящий от свойств уплотняемого материала, Н/м3.
Рис. 5. Зависимость величины деформации материала с анизотропной текстурой от :
1 – ; 2 –
; 3 –
; 4 –
Выводы. Таким образом, по уравнению 21 исходя из свойств материала можно определить усилие, необходимое для создания направленного движения сланцевых материалов к рабочим органам пресс-валкового агрегата [17].
В результате анализа свойств горных пород со сланцевой текстурой, обоснована необходимость, с целью получения щебня кубовидной формы, приложения усилия в заданном направлении. Проведенный анализ конструкций проектируемого и эксплуатируемого дробильного оборудования позволил установить, что эти агрегаты, применяемые в производстве щебеночных материалов не приспособлены к учету специфической текстуры дробимых пород и это не позволяет получать кубовидный щебень из сланцевых материалов [18].
Разработанная конструкции пресс-валкового агрегата включает в себя устройство для направленной подачи сланцевых материалов к его рабочим органам, которые создают направленное силовое воздействие на подаваемые куски, что позволяет получать кубовидный щебень из горных пород, имеющих сланцевую текстуру. Предложенная конструкция зуба рабочего органа, позволяет снизить действующие в процессе разрушения изгибающие нагрузки, что позволяет повысить надежность конструкции и снизить металлоемкость ремонта. Разработана математическая модель, описывающая движение сланцевых материалов в валковом устройстве и получено уравнение для расчета усилия, необходимого для создания направленного движения материалов к рабочим органам пресс-валкового агрегата. Изучено влияние величины угла установки ролика и его смещения по горизонтали и вертикали на величину деформации слоя подаваемого материала, а следовательно, и величину энергозатрат [19–20].
