Оборудование для сортировки нерудных материалов

При производстве строительных материалов в большинстве случаев исходное сырье (песок, гравий, щебень) представляет собой неоднородную по крупности смесь, содержащую различные примеси и включения. Процесс разделе­ния смеси на отдельные сорта по крупности называется сортировкой.

Сортировка может производиться механическим (грохочение), воз -душным (сепарация), гидравлическим (классификация) и магнитным (се -парация) способами. При механическом способе сортировки разделение материала по крупности производится с помощью машин и устройств, снабженных разде­лительными просеивающими поверхностями (плоскими и криволинейными), - грохотов. Часть исходного материала, остающаяся при грохочении на просеивающей поверхности, называется надрешетным (верхним) классом, прошедшая через отверстия поверхности – подрешетным (нижним) классом. Надрешетный класс обозначается знаком «+», подрешетный «–». Так, если смесь разделяется на поверхности с отверстиями 20 мм, то верхний класс обозначается +20, нижний -20, т.е. одна поверхность разделит смесь на два класса. При последовательном грохочении на n поверхностях получается n +1 класс. Процесс грохочения оценивается двумя показателями: производительностью, т.е. количеством поступающего на грохот исходного материала в единицу времени, и эффективностью, характеризующей полноту разделения исходного материала. Практически нельзя добиться полного разделения смеси, и часть зерен нижнего класса не пройдет через просеивающую поверхность, останется в верхнем классе и вместе с ним сойдет с поверхности.

Эффективность грохочения в процентах определяется как

Е = m_1н· 100 / m_н, (54)

где m_1н – масса зерен нижнего класса, прошедших через просеивающую поверхность, кг;

m_н –масса зерен нижнего класса в исходном материале, кг.

Однако эффективность не определяет собой качество продукта гро-хочения, которое оценивается засорённостью, т.е. процентным содержанием в нём зерен, размер которых выходит за граничные размеры этого продукта.

Основной частью зерен, засоряющей верхний класс, являются так называемые трудные зерна, размер которых d_т близок к размеру отверстия просеивающей поверхности а: d_т = (0,75…1) а. Поэтому в целях снижения засоренности верхнего класса размер а принимают несколько большим максимально гра­ничного размера d_гр зерен отделяемого нижнего продукта.

При этих условиях грохочения засорение верхнего класса зернами нижнего класса снизится и верхний продукт станет более качественным. Однако при этом неизбежно бу­дет засоряться нижний класс, в который попадут зерна верхнего класса. Засо­ренность верхнего и нижнего классов при увеличении размера отверстий бу­дет примерно одинаковой. Каждую из частей рассортированного исходного материала, засоренную зернами другого класса, называют фракцией. Засорен­ность фракций гравия и щебня по ГОСТ не должна превышать 5 %.

Грохочение – процесс разделения исходной массы по крупности на плоских или криволинейных просеивающих поверхностях – колосниковых решетках или ситах с отверстиями заданного размера, которые приводятся в движение приводом машины.

Применяют следующие виды грохочения: предваритель­ное, при котором из исходной массы выделяется негабарит; промежуточное – для отделения материала, не требующего измельчения в последующих ста­диях; контрольное – для отделения отходов и материала крупнее заданного размера; окончательное (товарное) – для разделения готового продукта на то­варные фракции.

Машины и устройства для грохочения или механической сортировки класси­фицируются по следующим признакам: по типу просеивающей поверхности на колосниковые, решетчатые, ситные, струнные и валковые; по форме про­сеивающей поверхности – на плоские и изогнутые; по расположению просеи­вающей поверхности в пространстве – на горизонтальные, наклонные и вер­тикальные; по характеру движения просеивающей поверхности – на непод­вижные, качающиеся, вибрирующие и вращающиеся.

Колосниковые грохоты (рисунок 24) предназначены для грубого предварительного отделе­ния крупных кусков перед дроблением и бывают неподвижные и подвижные. Просеивающая поверхность этих грохотов представляет собой набор колос­ников 1, укрепленных на общей раме с помощью стяжных болтов 3 на неко­тором расстоянии друг от друга, которые регулируются с помощью распор­ных шайб 2.

В неподвижных грохотах материал движется по просеивающей поверхности под действием силы тяжести кусков, для чего грохот устанавли­вается под углом, превышающим угол трения материала по ситу.

Подвижные колосниковые грохоты имеют приводы, сообщающие просеивающей поверх­ности качательное или вибрационное движение, что обеспечивает более ин­тенсивный процесс грохочения. Такие грохоты используются для равномер­ной загрузки дробилок материалом.

 

Рисунок 24 – Неподвижный колосниковый грохот

 

Барабанные грохоты по форме просеивающей поверхности бывают цилинд­рическими, коническими, призматическими или пирамидальными. Привод барабанного грохота состоит из электродвигателя и редуктора. Материал по­дается внутрь барабана, за счет трения увлекается внутренней поверхностью барабана и по достижении высоты, соответствующей углу естественного от­коса материала, скатывается вниз, просеиваясь сквозь отверстия в барабане. Продольное перемещение материала обеспечивается наклоном центральной оси барабана (4…7⁰) и его вращением. Частота вращения барабанного грохота ограничена величиной центробежных сил, прижимающих куски материала к просеивающей поверхности.

Преимуществами барабанных грохотов являются уравновешенность и тихо­ходность, что позволяет их устанавливать на верхних этажах сортировочных заводов. К недостаткам относятся малая удельная производительность и низ­кая эффективность грохочения. Они громоздки и имеют большую массу. Из­готовление и ремонт просеивающих поверхностей усложнены из-за изогнутой формы поверхности.

Валковые грохоты (рисунок 25) состоят из набора параллельных, располо­женных на некотором расстоянии друг от друга валков 1, установленных на наклонной раме 2 и вращающихся в направлении движения материала.

На валки насажены или отлиты заодно с ними круглые или фигурные диски. При сортировке каменных материалов применяются круглые диски, причем каждый последующий валок с дисками должен вращаться быстрее предыду­щего. Диски насажены на валок эксцентрично для разрыхления материала и его продвижения по грохоту. Привод грохота осуществляется от электродви­гателя через ременную передачу, ведомый шкив 3, который насажен на глав­ный вал 4. От него движение передается через звёздочки 5 цепную передачу 6 на каждый валок. Валковые грохоты используются для предварительного крупного грохочения материалов повышенной абразивности и в качестве пи­тателей дробящих и транспортирующих машин.

Барабанные грохоты по форме просеивающей поверхности бывают цилинд­рическими, коническими, призматическими или пирамидальными. Привод барабанного грохота состоит из электродвигателя и редуктора. Материал по­дается внутрь барабана, за счет трения увлекается внутренней поверхностью барабана и по достижении высоты, соответствующей углу естественного от­коса материала, скатывается вниз, просеиваясь сквозь отверстия в барабане. Продольное перемещение материала обеспечивается наклоном центральной оси барабана (4…7⁰) и его вращением. Частота вращения барабанного грохота ограничена величиной центробежных сил, прижимающих куски материала к просеивающей поверхности.

Наибольшее распростране­ние получили вибрационные грохоты с плоскими просеивающими поверхно­стями.

Вибрационные грохоты – это машины, у которых привод сооб­щает просеивающим поверхностям и находящемуся на них материалу колеба­тельное движение, что снижает силы трения между частицами, повышает их подвижность и способствует интенсивному просеиванию с высоким коэффи­циентом эффективности (до 90 %).

Виброгрохоты классифицируются по типу привода, виду колебаний рабочего органа и режиму работы. По типу привода виброгрохоты разделяются на гро­хоты с силовым возбуждением от вибратора – инерционные и с принудитель­ной кинематикой от эксцентрикового привода – гирационные. В зависимости от режима работы виброгрохоты бывают нерезонансного и резонансного дей­ствия. При резонансной настройке у грохотов с принудительной кинематикой значительно уменьшается мощность приводного двигателя, а у инерционных - уменьшаются вынуждающая сила и мощность приводного электродвигателя.

 

а) б)

 

а) общий вид; б) схема движения материала

Рисунок 25 – Валковый грохот

 

Различаются лёгкие, средние и тяжелые виброгрохоты. В промыш-ленности строительных материалов применяются виброгрохоты среднего и тяжелого типов для промежуточного и окончательного грохочения.

Наиболее распространены инерционные наклонные грохоты с кру-говыми ко­лебаниями среднего (ГИС) и тяжелого (ГИТ) типов и инерцион- ные горизон­тальные грохоты с направленными колебаниями (ГСС).

Грохот ГИС (рисунок 26) состоит из металлического короба 1, внутри кото­рого расположены сита 5 и 6; вибровозбудителя, состоящего из вала 2 с деба­лансами 3, расположенными симметрично на концах вала; привода, состоя­щего из электродвигателя и клиноременной передачи 7 и пружинных аморти­заторов 4, с помощью которых грохот устанавливается на фундамент или подвешивается к перекрытию здания.

При вращении дебалансов возникают центробежные силы инерции, вызы­вающие круговые колебания короба. Под действием этих колебаний исход­ный материал, поступающий на верхний конец верхнего сита, начинает пере­мещаться вдоль сит к разгрузочному концу и одновременно просеивается че­рез отверстия сит. Вал вибровозбудителя вращается в двух роликоподшипни­ках, корпуса которых крепятся к коробу. Вал защищен от пыли и ударов кус­ков материала трубой. Сита к коробу крепятся деревянными клиньями и рас­тягиваются.

 

 

.

 

Рисунок 26 – Инерционный виброгрохот среднего типа

 

При работе грохота вал вибровозбудителя совершает вращательное движение (относи­тельно собственной оси) и круговое движение (относительно оси, проходящей через центр тяжести грохота). Так как положение центра тяжести может меняться в зависимости от массы материала, находящегося на ситах, то величина ампли­туды колебаний у такого грохота непостоянна, т.е. вал совершает колебатель­ное движение, что отрицательно сказывается на долговечности ременной пе­редачи и электродвигателя. Для предотвращения интенсивного износа ремней и передачи колебаний на вал двигателя приводной шкив насажен на вал виб­ратора с эксцентриситетом, равным амплитуде колебаний короба грохота в установившемся режиме. Так как амплитуда колебаний короба грохота зави­сит от величины нагрузки на сита, инерционные грохоты обладают «самозащи­той» от перегрузок: при увеличении нагрузки амплитуда колебаний автома­тически уменьшается, и нагрузка на подшипники практически остаётся по­стоянной. Это свойство позволяет использовать инерционные наклонные гро­хоты для рассеивания крупного кускового материала.

В целях повышения долговечности опор вместо пружин или пластинчатых рессор применяют пневмобаллонные амортизаторы, которые представляют собой резинокордовые оболочки с камерами, с торцов баллон прикрыт металлическими крышками. Такие опоры позволяют значи­тельно снизить резонансные амплитуды и время перехода резонанса при пуске и установке грохота. За счет изменения давления внутри пневмобал­лонной опоры одна и та же опора может служить для различных типоразме­ров грохотов. Они долговечны, удобны в обслуживании, способствуют сни­жению шума при работе грохота.

На грохотах в качестве вибровозбудителя устанавливаются мотор–вибра­торы, которые крепятся непосредственно к коробу грохота. В зависимости от способа крепления мотор-вибратора к коробу могут быть получены эллипти­ческие и направленные колебания. К недостаткам относят их увеличенную массу и сложность конструкции.

К основным параметрам, определяющим эффективность и производитель­ность грохочения, относятся размеры просеивающих поверхностей, частота и амплитуда колебаний, угол наклона грохота, траектория движения сита, на­правление движения вала вибровозбудителя. Экспериментально установлено, что наилучшая эффективность грохочения происходит при соотношении ширины и длины просеивающей поверхности, равной

1: 2,5. При этом же соотношении производительность грохота прямо пропорциональна площади сита.

Оптимальные значения амплитуды и частоты колебаний сита зависят от формы траектории его движения. Совокупность этих факторов влияет на про­изводительность и эффективность грохочения

Х = t² sin ; Y = v₀ t - cos , (55)

где - угол наклона просеивающей поверхности.

В результате совместного решения этих уравнений получится: Y=v₀ . (56)

Процесс самоочищения отверстий сита зависит от скорости, формы, траектории и направления дви­жения сита. С увеличением скорости самоочищение отверстий сит улучша­ется, но эффективность грохочения снижается в результате уменьшения числа соприкосновений зерен с просеивающей поверхностью по её длине.

Практически установлено, что самоочищение происходит при высоте подбра­сывания зерна h, превышающей 0,4 размера отверстия D, т.е. h 0,4 D. Исходя из этого условия, определяется наибольшая скорость движения сита.

В грохотах с направленными колебаниями (рисунок 27,а) инерционная сила действует под постоянным углом β к плоскости сита, а траектория движения зерна под действием этой силы может быть записана в следующей форме:

Х=v₀ t со s β; Y= v₀ t sin β - g t² / 2, (57)

где Х и Y – координаты подбрасываемого зерна;

v ₀ – максимальная скорость по направлению движения.

 

 

а) б)

а) для грохотов с направленными колебаниями; б) для грохотов с круговыми колебаниями

Рисунок 27 – Схема к определению наибольшей скорости движения сита

 

Решая эти уравнения совместно, получаем

Y = =X tgβ – gХ² / (2v_о² cos²β). (58)

Значение Х ₁ при Y_max = h получим, приняв производную уравнения нулю

Х₁= v₀² tg β cos² β / g. (59)

 

Тогда получим

h = v₀²sin / 2 g. (60)

Наибольшая скорость движения сита при β = 35⁰ равна

v₀ = 7.72 . (61)

Для грохотов с круговыми колебаниями и наклонными ситами (рисунок 27,б) уравнение тра­ектории движения зерна имеет следующий вид

Х = t² sin ; Y = v₀ t - cos , (62)

где - угол наклона просеивающей поверхности.

В результате совместного решения этих уравнений получится

Y=v₀ . (63)

Определим значение Х₁, при котором v₀ им еет наибольшее значение,

принимая Y = h и Х=Х₁. Получим v₀ =√ 2gh cosα. Принимая α= 20⁰, получаем скорость

v₀ =4,28 . (64)

Угол наклона грохота обеспечивает относительное перемещение зерен по ситу. С уменьшением угла наклона скорость перемещения зерен снижается. При этом повышается эффективность сортировки, но снижается производительность грохота. Для грохотов с ситовыми просеивающими поверхностями 0…30⁰, для колосниковых грохотов = 0…25⁰.

Направление вращения вала вибровозбудителя оказывает влияние на эффективность грохочения. При вращении вала в направлении, совпадающем с движением материала по ситу, происходит увеличение скорости перемещения зерен, что ведет к снижению эффективности грохочения. Однако при этом повышается производительность грохота и улучшаются условия очистки просеивающей поверхности. При вращении вала в направлении, обратном движению материала по ситу, зерна перемещаются медленнее, чаще встряхиваются, контактируют с ситом. При этом условия прохождения зерен через отверстия сит улучшаются, что повышает эффективность грохочения, но одновременно снижается производительность грохота, а засоренность ячеек сит увеличивается. Такое вращение вала рекомендуется для грохотов, сита которых имеют отверстия D ≤ 0,05 м.

Работа виброгрохотов происходит, как правило, в зарезонансном режиме, при частоте вынужденных колебаний f, значительно превышающих частоту собственных колебаний f_о (f > .

У грохотов с круговыми колебаниями при вращении дебалансов возникают центробежные силы, сумма которых составляет вынуждающую силу вибратора

F_д =m_д (e−a) f ², (65)

где m_д – суммарная масса установленных на грохоте дебалансов, кг;

е – эксцентриситет дебалансов, м;

а – амплитуда колебаний грохота, м;

f – частота вынужденных колебаний, Гц.

Величина F_д является определяющей при расчете вала вибратора, подшипников. Расчетная схема вала приведена на рисунке 28. На один конец вала действует сила F_д /2, на второй – сумма сил F_д /2 и окружного усилия Р клиноременной передачи.

 

Рисунок 28 – Схема вала вибратора грохота

 

Расчет дебалансов производится с учетом инерционных сил, возникающих при круговом движении короба грохота с материалом вокруг точки С (центра масс грохота).

Инерционная сила равна (рисунок 29)

Р_i,a = m_в a f ², (66)

где m_в – вибрируемая масса, кг.

m_в = m_k + K^/m_м, (67)

где m_м – масса короба грохота с закрепленными в нём ситами;

m _k - масса материала, находящегося на ситах грохота;

K^/ = 0,15..0,2 - коэффициент присоединения сортируемого материала.

 

 

Рисунок 29 – Схема к расчету дебалансов грохота

 

Пренебрегая силами сопротивления упругих опор короба грохота Р_{cj ,,} как предельно малыми по сравнению с F_д, рассматриваемые силы F_д и Р_i,a в каждый момент времени будут равны, что и обеспечивает неподвижность точки С m_д = (e – a)f ² =m_в a f ².

Преобразуя выражение, получаем m_д e f ² = (m_д + m_в) a f ².

Поскольку масса дебалансов m_д обычно мала по сравнению с массой короба грохота и находящимся в нём материалом, то в дальнейшем при расчете инерционной силы ею пренебрегаем. Тогда

m_д ef² = m_в af² или m_д e = m_в a.. (68)

Статический момент одного дебаланса равен

S_д = . (69)

Из условия, что дебаланс должен обладать наибольшим статическим моментом при минимальном моменте инерции, его изготовляют в виде сектора с центральным углом, равным 96⁰ (рисунок 30). При такой геометрии дебаланса его статический момент определится по следующей зависимости

S_д = 2/3 ·(R³ - r³)· δ· ρּsinφ /2, (70)

где δ - толщина дебаланса, м;

- плотность материала, кг/ м³.

 

 

Рисунок 30 – Дебаланс вибратора

 

Обычно задаются величинами радиусов дебаланса R и r, м и определяют значение толщины, δ, м

(71)

Мощность двигателя привода виброгрохота N_дв,кВт,расходуется на колебания короба грохота с материалом и на преодоление сопротивлений в подшипниках грохота:

N_дв = (N₁ + N₂)/ η_пр, (72)

где η_пр - коэффициент полезного действия привода.

Первая составляющая мощности N₁ , кВт, представляет собой работу вынуждающей силы F_д ,Н, совершаемой в единицу времени,

N₁ = 10^-3 · F_д a ω, (73)

где ω – угловая скорость, рад/с.

Мощность N ₂, кВт, расходуемая на преодоление сопротивлений в подшипниках:

N₂ = 10^-3 · M_тр ω, (74)

где М_тр = F_д µ D / 2 – момент трения, Н· м;

µ - приведенный коэффициент трения для подшипников качения;

( = 0,005 0,001);

D – диаметр вала, м.