Cap.4.

UTILAJE PENTRU REDUCEREA REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR  MATERIALELOR 

CAPITOLUL 4 CONCASOARE CONICE

4.1. Caracterizare generală

Concasoarele conice sunt folosite pentru concasarea grosieră, mijlocie şi măruntă a materialelor de duritate mare şi medie. Ele sunt întâlnite cu  preponderenţă în industria materialelor de construcţii. Denumirea se datorează formei conice a organelor active, conul exterior fix 2 şi conul interior mobil 1 (fig. 4.1). Conul interior, mobil, poate avea o mişcare circulară excentrică sau o mişcare de translaţie în plan orizontal astfel încât materialul care se află în spaţiul dintre cele două conuri este mărunţit continuu. Procesul de mărunţire se desfăşoară analog celui din concasorul cu fălci: datorită micşorării continue a fantei dintre cele două conuri, de la cota maximă, b , ce corespunde zonei de alimentare 4, la cota minimă,  s , materialul este comprimat şi zdrobit. Descărcarea are loc în zona 3, unde cota radială a fantei de descărcare este ( s + e ) ce corespunde dimensiunii maxime

a materi terial aluului lui măru ărunţit nţit.. Rezu ezultă ltă că  produsul concasării are aici un spectru

Fig. 4.1

Schema concasorului conic

granulome granulometric tric larg, între dimensiu dimensiunile nile  s şi (  s + e ) , adică adică este este carac caracter teriza izatt  printr-un coeficient de supradimensiune supradimensiune,,  s + e (4.1) k  =

 s

Pentru concasare mijlocie şi măruntă se utilizează concasoare conice cu arbore în consolă. 41

Cap.4. Concasoare conice

În comparaţie cu concasoarele cu fălci, concasoarele conice au următoarele particularităţi: a) avantaje: consum de energie mai mic pe tona de material concasat; debite mai mari; funcţionare mai liniştită; lipseşte mersul în gol şi nu este necesar volantul; concasarea se face continuu; alimentarea se poate face din orice direcţie. b) dezavantaje:

dimensiunile maxime ale materialului alimentat sunt mai mici decât la concasoarele cu fălci; din spaţiul de lucru pot scăpa bucăţi plate, lungi; în cazul alimentării cu materiale cu plasticitate ridicată există  pericolul înfundării; construcţie mai complicată; -  preţul de cost este mai ridicat şi sunt mai greu de întreţinut decât concasoarele cu fălci. Clasificarea concasoarelor conice se poate face după mai multe criterii: -

a) După poziţia arborelui sau axei geometrice verticale: -

concasoare cu arborele suspendat într-un lagăr superior (fig. 4.2); concasoare cu arbore rezemat într-un lagăr inferior (fig. 4.3); concasoare cu arbore fix în jurul căruia se roteşte un arbore tubular  cu excentric (fig. 4.4).

b) După felul mişcării conului mobil: -

-

concasoare cu mişcare rotativă, oscilantă, excentrică faţă de conul fix (fig. 4.2 şi fig. 4.3); concasoare cu mişcare de translaţie în plan orizontal (fig. 4.4 şi fig. 4.5). 42

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR 

Fig. 4.3

Fig. 4.2

Concasor cu arbore suspendat în lagăr  superior, cu mişcare rotativă a conului interior, acţionare din două părţi, fără sistem de amortizare, pentru concasare grosieră

Concasor cu arbore rezemat în lagăr  inferior, cu mişcare rotativă a conului interior, acţionare dintr-o parte, cu sistem de amortizare cu arcuri

Fig. 4.4

Fig. 4.5

Concasor cu arbore fix, în jurul căruia se roteşte arborele tubular cu excentric; conul interior are mişcare de translaţie în plan orizontal; acţionare dintr-o parte; fără sistem de amortizare; pentru concasare grosieră

Concasor cu mişcare de translaţie în  plan orizontal a conului interior, cu sistem hidraulic de amortizare la capătul inferior al arborelui

43

Cap.4. Concasoare conice

c) După felul acţionării: -

cu acţionare dintr-o parte (fig. 4.4); cu acţionare din două părţi (fig. 4.2).

d) După tipul sistemului de amortizare utilizat: -

-

fără sistem de amortizare (conul fix se îmbină rigid cu batiul, fig. 4.2 şi fig. 4.4); cu sistem de amortizare cu arcuri (fig. 4.3); cu cilindri hidraulici/pneumatici sau cu sistem hidraulic la capătul inferior al arborelui (fig. 4.5).

e) După anumite particularităţi tehnologice:

concasoare pentru concasare grosieră, dimensiunea maximă a materialului alimentat  Dmax = 300 ÷ 1200 mm (fig. 4.2 şi fig. 4.4); concasoare pentru concasare mijlocie,  Dmax = 60 ÷ 300 mm (fig. 4.3); concasoare pentru concasare măruntă,  Dmax = 80 ÷ 110 mm . Concasoarele pentru concasare grosieră se caracterizează prin: grad de mărunţire i ≤ 7 ; spaţiul de lucru este format între tronconul exterior cu baza mare sus şi tronconul interior, cu baza mare jos; unghiul la vârf al conurilor este relativ mic. Concasoarele pentru concasare mijlocie şi măruntă se caracterizează  prin: grad de mărunţire i ≤ 10 ; spaţiul de lucru format între tronconuri scurte cu înclinare relativ mică, ambele cu baza mare jos; unghiul dintre generatoarele conurilor, în partea dinspre vârf, este relativ mic, iar în partea inferioară generatoarele sunt paralele, ceea ce asigură un  produs mărunt, constant; alimentarea se face cu bucăţi mici de material. -

 



 





4.2. Concasoare conice pentru concasare grosieră 4.2.1. Mecanica concasorului conic

În cazul concasoarelor giratorii pentru mărunţirea grosieră principiul de lucru îmbracă două forme posibile: 44

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR 

1. conul mobil pendulează în jurul axului fix, OO1 , cu unghiul α 1 (fig. 4.6, a); 2. conul mobil are axa proprie,  KK 1 , montată excentric faţă de axa OO1 (excentricitate e , fig. 4.6, b).

a)

b) Fig. 4.6.

Schema privind funcţionarea concasoarelor giratorii pentru măcinare grosieră 4.2.1.1. Unghiul de atac

După cum se observă din figurile de mai sus asupra unei bucăţi de material acţionează forţa normală  F  şi forţa de frecare  µ  F  . La toate concasoarele existente unghiul α  are valori cuprinse între 21 şi 23o (0,37...0,40 rad). 4.2.1.2. Turaţia conului mobil 

Pentru determinarea turaţiei ce corespunde debitului maxim al concasorului se consideră figura 4.7. Timpul necesar materialului de mărunţit să parcurgă prin cădere liberă înălţimea h este : 45

Cap.4. Concasoare conice

2h

t=

(4.2)

[ s]

 g 

Se presupune că în acelaşi timp, t  , conul mobil execută o jumătate de rotaţie, atunci: t =

(4.3)

30 n

unde: n - turaţia conului mobil, rpm. Din egalarea celor două relaţii se obţine: n = 30

Pentru înălţimea

h

 g  2h

(4.4)

[rpm]

se obţine din triunghiul  BB1C  relaţia: r

h=

tan

α

=

2

(4.5)

e 2 tan

α  2

Astfel relaţia (4.4) devine:  g tan n = 30

2r

α

2 = 30

g tan e

α 

(4.6)

2 [rpm]

unde: r - excentricitatea axului conului mobil; e - cursa flancului conului mobil la nivelul dreptei  AB . În proiectare se alege o valoare a turaţiei egală cu jumătate din valoarea de mai sus, adică:

46

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR   g tan n = 15

(4.7)

α 

e

2 [rpm]

4.2.1.3. Debitul concasorului

În calculul debitului se consideră volumul de material de formă inelară cu secţiunea trapezoidală  AA1 B1B (fig. 4.7) cu valoarea egală cu: v = 2π RA (4.8) unde:  R - distanţa dintre axele I-I şi O-O;  A - aria secţiunii trapezoidale  AA1 B1B .

Fig.4.7

Schema concasorului conic pentru calculul turaţiei conului mobil şi a debitului

Geometric se deduc relaţiile:

47

Cap.4. Concasoare conice

 A =

 R =

 AB + A1 B1

2  D

2

−

B

2

=

h=

s1 + s1 + e

2

(4.9)

r 

⋅

tan

α 

2

1 ( D − B) 2

unde:  s1 - distanţa minimă dintre conurile concasorului;  D - diametrul maxim al conului fix;  B - distanţa între conuri în partea superioară. Dacă se prelucrează relaţiile de mai sus se obţine volumul de material mărunţit care cade din concasor la o rotaţie completă a conului mobil: v=

(4.10)

π  ( s1 + r ) r ( D − B) α 

tan

2

Atunci debitul volumetric orar va fi: Qv

= 60π  r

n ( D − B)

 s1 + r  tan

α 

3

[m / h]

(4.11)

2

Debitul masic orar va fi: Qm

= 60π

r n ρ Φ ( D − B )

 s1 + r  tan

α 

⋅ 10

−6

[ kg / h]

(4.12)

2

unde: Φ - coeficient ce ţine seama de gradul de afânare a materialului de mărunţit;  ρ  - densitatea materialului, kg/m3.

48

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR  4.2.2. Construcţia concasorului

La concasoarele pentru concasare grosieră trebuie să se asigure atât  posibilitatea trecerii fără dificultate a materialului concasat cât şi o eficienţă mare a procesului de mărunţire. Ca urmare, suprafeţele conice au panta mare (fig. 4.8). Gradul de reducere a dimensiunii materialului la aceste concasoare, dat de raportul între lăţimea fantei de alimentare,  B , şi lăţimea fantei de descărcare,  s , este  B / s = 5 ÷ 8 în cazurile din figurile 4.8, a şi b, respectiv  B / s = 8 ÷ 9,5 , în cazul din figura 4.8, c. Valoarea lăţimii

este dată de relaţia unde  D este  B = D /(0,75 ÷ 0,85) , Fig. 4.8

Profilul suprafeţelor spaţiului de lucru în secţiune: a) liniar; b) curb; c) liniar-curbiliniu

 B

dimensiunea maximă a materialului de concasat. Concasoarele conice pentru concasare grosieră utilizează două tipuri

de profiluri ale spaţiului de lucru: - profilul liniar, cu unghiul de concasare constant pe înălţime (fig. 4.8, a), caz în care este posibilă înfundarea zonei de evacuare cu material concasat, datorită capacităţii de trecere mai mică decât capacitatea de intrare a materialului în zona de alimentare. În acest caz unghiul de atac α  = 22 ÷ 24 , α ≤ 2ϕ  . - profil curb, cu unghiul de concasare variabil pe înălţime (fig. 4.8, b şi c), caz în care se asigură un debit mare, deoarece deplasează zona cu capacitate mică de trecere spre alimentare, unde însă debitul capabil este mai mare. În acest fel se evită înfundarea zonei de evacuare, se obţine un produs mai uniform, uzura blindajelor în zona inferioară este mai uniformă decât în cazul  precedent. În acest caz unghiul de atac variază între valorile α 1 ≤ 260 şi α 2 = 0 ÷ 100 .

În zona curbilinie înclinarea variază constant între limitele α 1 şi

α 2 .

49

Cap.4. Concasoare conice

În figura 4.9 este prezentată construcţia unui concasor pentru mărunţire grosieră cu rezemarea arborelui la partea superioară. Arborele 5, pe care se află conul mobil 6  protejat cu blindajele 20, este suspendat în reazemul superior  7 . Partea inferioară a arborelui este aşezată liber în alezajul excentric, înclinat al  bucşei 4, care se află în interiorul lagărului 1 şi care determină mişcarea rotativă excentrică a arborelui 5 (mişcarea giratorie de precesie regulată) în raport cu suprafaţa interioară a conului fix 9, protejat de blindajele 8. Suprafeţele blindajelor pot fi netede, profilate sau mixte. Suprafeţele netede au rezistenţă la uzură mai mare şi sunt recomandate la mărunţirea materialelor cu duritate foarte mare. Suprafeţele blindate determină un consum energetic mai redus al maşinii dar şi un produs mai uniform mărunţit. Arborele 5, prin intermediul piuliţei spintecate 16 , se reazemă pe inelul 17  (fig. 4.9, b), care se sprijină pe bucşa 18. În timpul rotirii arborelui 5, bucşa 18 are o mişcare de rostogolire pe suprafaţa inelului 19, iar suprafaţa sa laterala alunecă în interiorul suprafeţei conice a bucşei 12, aşezată în cupa 26  a traversei 24. Prin rotirea piuliţei 16 , în urma ridicării cu macaraua a arborelui 5 şi a conului mobil, se poate regla mecanic, în limite restrânse, fanta de evacuare. În acest scop, în capătul arborelui se află o gaură filetată pentru introducerea unui inel de ridicare. Capacul 13 protejează reazemul împotriva  prafului. Prin ţeava 21 se introduce unsoare consistentă în lagărul superior. Alezajul conic al bucşei fixe 12 permite arborelui executarea mişcării conice circulare. Piesele 17  şi 18 sunt asamblate între ele prin cep inelar ceea ce elimină uzura acestora pe suprafaţa de contact. Conicitatea bucşei 12 trebuie să fie egală cu unghiul de precesie, γ  . Dacă bucşa 12 este cilindrică, atunci conicitatea bucşei 18 trebuie să fie egală cu unghiul de precesie.

50

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR 

C o n c a s o r

p e n

tr

u c o n c a s a r e g r

o s ie r ă c u a c

F       i         g       . 4         9 .        

ţi

o n a r e d u b ăl

51

Cap.4. Concasoare conice

Pentru compensarea jocurilor din excentric şi a faptului că reazemele nu sunt coaxiale, conicitatea se stabileşte cu puţin mai mare decât unghiul de  precesie. Componentele lagărului superior se realizează din oţeluri speciale,  prelucrate astfel încât să se asigure o înaltă calitate a suprafeţei. Contactul între bucşele 12 şi 18 este liniar, de aceea după tratamentul termic suprafeţele lor trebuie să aibă duritate mare ( 47 ÷52 şi, respectiv, 53÷58 HRC). În alte variante constructive, rezemarea arborelui 5 în lagărul superior  se face pe piese cu zone sferice sau prin intermediul unor elemente elastice (arcuri disc sau elicoidale) care permit, la depăşirea sarcinii nominale, mărimea fantei de evacuare pentru evacuarea obiectelor foarte dure. Traversa 24, rigidizată cu nervurile 25, asigură susţinerea pe batiu a subansamblului lagăr superior. Ea este una dintre piesele cel mai greu solicitate deoarece preia greutatea conului mobil, reacţiunile orizontale şi verticale din lagăr, precum şi momentele încovoietoare corespunzătoare. Orientarea traversei în exploatare este longitudinală faţă de direcţia fluxului de material alimentat pentru realizarea unei umpleri uniforme a camerei de lucru. Axa 15 a arborelui 5 face cu axa verticală 14 unghiul γ . Bucşa 4 împreună cu roata dinţată conică 3 fixată pe ea, rezemate de plăcuţele 10, sunt acţionate în mişcare de rotaţie de către pinioanele conice 2 şi 11, de la două motoare electrice, prin intermediul curelelor trapezoidale (elemente elastice) şi al roţilor de curea 22 şi 23. Lagărul inferior  1 în care se află bucşa 4 este protejat de un sistem de etanşări, împotriva prafului. Concasorul dispune de un sistem de ungere centralizat pentru ungerea roţilor dinţate, a bucşei excentrice şi a lagărelor arborilor roţilor dinţate 2 şi 11. Pentru perioadele cu temperatură coborâtă se prevede încălzirea electrică a lubrifiantului.

52

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR  4.3. Concasoare conice pentru concasare mijlocie

Concasoarele conice utilizate pentru mărunţirea mijlocie se diferenţiază faţă de cele utilizate pentru mărunţirea grosieră prin faptul că au o zonă de lungime l  , pe conul fix, paralelă cu suprafaţa conului mobil (fig. 4.10). Distanţa  s dintre cele două suprafeţe se alege în funcţie de mărimea granulelor  materialului măcinat. În timpul mişcării sale, conul mobil face cu orizontala unghiuri care variază de la γ + β  la γ − β  , unde γ   este unghiul de înclinare a conului mobil; β  - unghiul pe care îl face axa mobilă OO1 cu cea fixă OO . Concasoarele conice pentru măcinare sunt cunoscute şi sub de denumirea de glanulatoare. Măcinarea are loc prin acţiunea forţelor de strivire şi frecare la care sunt supuse bucăţile de material atunci când ajung între suprafeţele conice active ale conurilor fix şi mobil. Gradul de mărunţire la aceste maşini ajunge până la valoarea i=5. Concasoarele conice pentru concasare mijlocie şi măruntă se construiesc cu arborele în consolă, conform schemei din figura 4.11. Materialul de mărunţit este introdus pe la partea superioară a maşinii de unde ajunge pe talerul de alimentare, 4. Rolul acestuia este de a realiza o distribuţie uniformă a alimentării. Materialul este strivit între plăcile de blindaj ale conului mobil, 1 şi conului fix, 2. Corpul conului mobil este solidar cu arborele maşinii. Arborele este susţinut în reazemul sferic, 3, care preia atât greutatea conului cât şi componenta verticală a forţei de apăsare. Mişcarea arborelui este transmisă  pe la partea inferioară a acestuia, prin intermediul unui angrenaj conic, pus în mişcare de un motor electric şi o transmisie prin curea. Spaţiul dintre cele două conuri, numit şi cameră de măcinare, se îngustează spre baza conului, unde, la ieşire, cele două suprafeţe conice sunt  paralele, fapt ce duce la mărunţirea prin frecare. Generatoarele se execută în trei tipuri diferite în ceea ce priveşte profilarea organelor active: 1- normală - pentru concasare mijlocie (fig. 4.12, a); 2- cu conicitate mijlocie – pentru concasare măruntă (fig. 4.12, b); 53

Cap.4. Concasoare conice

3- cu con scurt, în formă de ciupercă – pentru concasare foarte măruntă (fig. 4.12, c). Distanţa C dintre cele două conuri, la intrare în camere de măcinare, este mai mare la concasoarele pentru concasare mijlocie şi mai mică la concasoare fină. Totodată şi lungimea B a zonei de evacuare diferă, astfel încât ea este mai mare la concasoarele pentru concasare fină. Pentru a studia fenomenele care au loc în timpul alunecării bucăţilor de material între feţele conurilor se consideră schema din figura 4.13 unde G este greutatea bucăţii de material. Forţa de greutate se descompune într-o componentă normală  N  şi una  paralelă cu planul de alunecare T  conform relaţiilor: T = G sin γ ; N = G cos γ   (4.13) Forţa de frecare  F  se opune tendinţei de alunecare a materialului de mărunţit şi este dată de:  F =  µ N = µG cos γ   (4.14)

Fig. 4.10

Schema de principiu a concasorului pentru mărunţire mijlocie

54

Fig. 4.11

Concasor conic cu arbore în consolă: 1-con mobil; 2-con fix; 3reazem sferic; 4 - taler  alimentare

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR 

Fig. 4.12

Concasoare conice pentru concasare mijlocie şi măruntă. Profilarea organelor  active

Fig. 4.13

Forţele ce acţionează asupra bucăţii de material

Ecuaţia mişcării este de forma: ma = T − F = G ( sin γ − µ cos γ  )

(4.15)

sau a=

dv dt 

= g ( sin γ − µ cos γ  )

55

(4.16)

Cap.4. Concasoare conice

de unde: dv = g ( sin γ − µ cos γ  ) dt

(4.17)

 

După integrarea relaţiei se obţine: v = g ( sin γ − µ cos γ  ) ⋅ t + C

Dacă la momentul iniţial v=

ds dt 

 

(4.18)

t = 0 ; v = 0 ⇒ C = 0 , deci

= g ( sin γ − µ cos γ  ) ⋅ t 

(4.19)

Din relaţia de mai sus se obţine distanţa  s :  s = g

t 2

2

( sin γ − µ cos γ  ) + C 1

(4.20)

Deoarece la momentul iniţial t = 0 ; s = 0 ⇒ C 1 = 0 , atunci t 2  s = g  ( sin γ − µ cos γ  )

(4.21)

2

Durata unei rotaţii complete a conului mobil este: t  =

unde:

(4.22)

60

n

n - turaţia, [rpm] .

În timpul t  , calculat mai sus, bucata de material trebuie să parcurgă distanţa l  pe care feţele conurilor de sfărâmare sunt paralele, deci: 2

 60   l ≥ g    ( sin γ − µ cos γ  ) 2  n   De unde pentru turaţie se obţine relaţia: 1

n ≥ 60

 g ( sin γ − µ cos γ  )

2l  56

(4.23)

(4.24)

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR 

Dacă la concasoarele giratorii existente există relaţia

l  =

 D

12

, atunci

rezultă că: (4.25)

6 g ( sin γ − µ cos γ  )

n ≥ 60

 D

Relaţia de mai sus permite determinarea turaţiei optime la concasoarele giratorii pentru mărunţirea semifină şi fină. Pentru a determina debitul concasorului, considerăm că la o turaţie completă a conului mobil, volumul de material măcinat este egal cu volumul inelar având ca secţiune transversală dreptunghiul  AA1 B1B (figura 4.10). Aplicând teorema centrelor de greutate (Guldin-Pappus) din mecanică se obţine expresia volumul sub forma: (4.26)

v = s ⋅ l ⋅ π  ⋅ Dc

unde:  s - lăţimea zonei cu feţe paralele; l  - lungimea acestei zone;  Dc - diametrul cercului care reprezintă locul geometric al centrului de greutate al dreptunghiului  AA1 B1B . Dacă se consideră că  Dc ≅ D atunci debitul volumetric va fi: (4.27)

Qv = 60π snlD [m 3 / h]

Debitul masic este: (4.28)

Qm = 60πΦρ snlD [ kg / h]

unde ρ - densitatea materialului, în kg/m3. Dacă în formula de mai sus se înlocuieşte valoarea turaţiei rezultă Qm = 360π

 g l 

2 l 

sin γ − µ cos γ ⋅ s ⋅ D ⋅ Φ ⋅ ρ

4.4. Puterea de acţionare a motorului 57

 

(4.29)

Cap.4. Concasoare conice

Pentru calculul puterii motorului de antrenare se foloseşte relaţia dedusă din legea Kick-Kirpicev (4.30) σ 2 ⋅ n ⋅ D ( Dr  − s )  P n =

681 ⋅103 ⋅ E 

unde: σ  - rezistenţa la compresiune a materialului de sfărâmat, daN/cm2;  D - diametrul maxim al conului mobil, cm;  Dr  şi  s - dimensiunile maxime ale bucăţilor de material înainte şi după sfărâmare, cm;  E  - modulul de elasticitate al materialului,daN/cm2.

58