Badanie energochłonności procesu kruszenia

1. BUDOWA I SCHEMAT

Proces rozdrabniania jest wynikiem działania sił przyłożonych do kawałka rozdrabnianego materiału. Przyłożone siły powodują powstanie w materiale naprężeń wewnętrznych i z chwilą, gdy te naprężenia przekroczą granicę wytrzymałości materiału następuje jego podział na mniejsze kawałki. Do maszynowego rozdrabniania stosuje się kruszarki. Ich praca polega na udarowym rozdrabnianiu materiału poddawanego kruszeniu w sposób równomierny i ciągły. Kruszarki służą głównie do rozkruszania surowców skalnych podatnych na rozdrabnianie udarowe jak na przykład granit, wapienie. Stosowane są również w procesie recyklingu materiałów odpadowych drogownictwa i budownictwa, takich jak beton zbrojony, gruz, asfalt, itp.

Rys. 1. Schemat kinematyczny kruszarki szczękowej ze złożonym ruchem szczęki

W kruszarkach szczękowych kruszenie odbywa się w przestrzeni roboczej klinowo zwężającej się ku dołowi, między dwoma szczękami, z których jedna jest nieruchoma, a druga – nachylona pod określonym kątem – okresowo zbliża się i oddala od nieruchomej szczęki. Kruszarka szczękowa przedstawiona na rys.1. składa się z:

1- koło napędzane, 2-silnik elektryczny, 3- korpus kruszarki, 4- śruba pociągowa ze sprężyną, 5- wał mimośrodowy 6- płyta rozporowa, 7- szczęka nieruchoma, 8- szczęka ruchoma.

Zasada pracy kruszarek stożkowych polega na tym, że ziarna dostające się między dwie części drobiące, z których jedna porusza się mimośrodowo wewnątrz drugiej. Pod względem konstrukcyjnym rozróżniamy dwa typy tej maszyny:

1. o stożkach ustawionych wierzchołkami w przeciwne strony

2. o stożkach ustawionych wierzchołkami w jedną stronę.

Rys. 2. Kruszarka stożkowa o stożkach jednostronnie zbieżnych

Kruszarka na rys. 2 składa się z następujących elementów: 1- rozdzielacz kruszywa, 2- korpus kruszarki, 3- stożek ruchomy, 4- stożek nieruchomy, 5- tuleja mimośrodowa, 6- wał główny, 7- otwory na śruby mocujące kruszarkę, 8- łożysko wzdłużne, 9- układ smarowania, 10- urządzenie hydrauliczne.

W części pomiarowej ćwiczenia wykorzystywane są następujące przyrządy:

• suwmiarka

• miernik cyfrowy szczękowy YF-8020 do pomiaru wielkości elektrycznych

• ręczny obrotomierz o zakresie pomiarowym 40-48000 [obr/min]

2. DANE:

A = 6,3 cm = 0,063 m- szerokość otworu załadowczego (w tym ćwiczeniu szerokość cegły)
B = 11,7 cm = 0,117 m - długość otworu załadowczego (w tym ćwiczeniu długość cegły)
e = 28 mm = 0,028 m - minimalną szerokość szczeliny wylotowej
s = 6 mm = 0,006 m - skok szczęki ruchomej
cos Fi = 0,8 - przesunięcie fazowe przebiegu czasowego prądu w stosunku do przebiegu napięcia
U = 400 V - znamionowe napięcie zasilania

E – moduł sprężystości materiału kruszonego (cegły), E = 1010 [N/m2]
η – sprawność kruszarki, η = 0,7
ηe - sprawność elektryczna silnika, ηe = 0,85

1. Bieg jałowy
   n - prędkość obrotowa = 325 obr/min = 5,42 obr/s
   I - natężenie = 4,11 A
   N - moc elektryczna silnika = ?

2. Zgniot
   n - prędkość obrotowa = 300 obr/min = 5 obr/s
   I - natężenie = 4,6 A
   N - moc elektryczna silnika = ?

3. OBLICZENIA:

• moc kruszenia wg Lewensona

N₇₅₌$\frac{75^{2}*300*0,117*{0,063}^{2} - \left( 0,028 + 0,006 \right)^{2}}{1000*10^{10}*0,7}$_{=1,11946897357[kW]}
N₁₀₀₌$\frac{100^{2}*300*0,117*{0,063}^{2} - \left( 0,028 + 0,006 \right)^{2}}{1000*10^{10}*0,7}$_{=1,99000485714[kW]}
N₁₅₀₌$\frac{150\hat{}2*300*0,117*0,063\hat{}2 - (0,028 + 0,006)\hat{}2}{1000*10^{10}*0,7}$_{=2,98508985714[kW]}

N₇₅ = 1119,469 [W]
N₁₀₀ =1990,005 [W]
N₁₅₀ =2985,090[W]

• moc elektryczną na wale silnika

N_n1 = $\sqrt{3}$*400*4,11*0,8*0,85=1936,2942[W] (bieg jałowy)
N_n2 = $\sqrt{3}$*400*4,6*0,8*0,85=2167,142[W] (kruszenie)

• moment generowany przez silnik elektryczny

M_n1 = 9550* $\frac{1936,2942}{5,42}$ = 3411729 [Nm] (bieg jałowy)

M_n2 = 9550*$\frac{2167,142}{5}$ =4139237,4 [Nm] (kruszenie)

4. KRUSZYWO

• Kruszarka szczękowa:
  d_max = 6,3cm (największe kruszywo)
  d_min = 2,1 cm (najmniejsze kruszywo)
  
  -Średnia wielkość ziarna
  d_śr =$\ \frac{6,3 + 2,1}{2}\ $=4,2 cm
  
  -Stopień skruszenia

i = $\frac{11,7}{4,2}$=2,786

• Kruszarka stożkowa:
  Kruszywo bardzo drobne.

5. WNIOSKI

Klasa cegły
Według naszych obliczeń i porównania mocy kruszenia wg Lewensona z mocą elektryczną na wale silnika w stanie kruszenia zauważamy, iż cegła, która była obiektem naszych badań wykonana jest w klasie 100[MPa].
Bez zbędnych obliczeń widać, iż spośród trzech mocy kruszenia wg Lewensona N₇₅,N₁₀₀ oraz N₁₅₀ to właśnie N₁₀₀ jest najbardziej zbliżoną wartością do mocy elektrycznej na wale silnika w stanie kruszenia N_n2.
N₁₀₀ =1990,005 [W] N_n2 =2167,142[W]

Kruszywo
Duża różnorodność otrzymanych kruszyw z kruszarki szczękowej spowodowana była rodzajem cegły (dziurawka) i karbami z tym związanymi. Dlatego też kruszarka szczękowa nie poradziła sobie dobrze z ową cegłą gdyż w efekcie otrzymaliśmy dość duże kruszywo.
Kruszarka stożkowa poradziła sobie bardzo dobrze z kruszywem (na kruszenie nie wpływają takie aspekty jak np. karby), w efekcie czego otrzymaliśmy bardzo drobno skruszone kruszywo.

Dlatego wnioskujemy, iż kruszarka szczękowa powinna być używana do kruszenia wstępnego dużych ziarn (elementów). Natomiast kruszarka stożkowa powinna być używana do kruszenia końcowego czyli to rozdrabniania kruszywa powstałego w kruszarce szczękowej.
Pozwoli to wszystko na kruszenie dużych elementów, zmniejszenie ryzyka zablokowania się ziarna w kruszarce stożkowej oraz powstanie odpowiednio skruszonego kruszywa o takich samych wielkościach.

6. WADY I ZALETY KRUSZARKI SZCZĘKOWEJ

Stosowane do wstępnego i wtórnego kruszenia materiałów o małej i średniej podatności na rozdrabnianie (granit, bazalt, sjenit, porfir).
W kruszarkach szczękowych rozdrabnianie następuje poprzez zgniatanie, ścinanie i zginanie brył nadawy (podawanego materiału) między szczęką stałą a ruchomą.

+ łatwość obsługi
+ łatwa naprawa i dostęp do elementów bezpośrednio kruszących
- powstaje nieregularne oraz duże kruszywo
- maszyna jest głośna

7. WADY I ZALETY KRUSZARKI STOŻKOWEJ

Stosowane przeważnie do drobnego kruszenia, produkt kruszenia bardziej regularny niż w przypadku kruszarek szczękowych. Nie stosuje się ich do rozdrabniania materiałów miękkich, lepkich i wilgotnych.
Materiał rozdrabniany jest między stożkami: zewnętrznym stałym i wewnętrznym ruchomym wykonującym ruch mimośrodowy. Są rozwiązania, kiedy stożek zewnętrzny jest ruchomym, wtedy mówimy o kruszarkach stożkowych płaszczowych.

+ łatwość obsługi
+ powstaje regularne, drobne kruszywo
- trudna naprawa i dostęp do elementów bezpośrednio kruszących
- duże ryzyko zatkania się ziarna w kruszarce


8. CO TO JEST KOŁO ZAMACHOWE I DO CZEGO SŁUZY W KRUSZARCE

Koło zamachowe – koło o dużym momencie bezwładności, wykorzystywane do krótkotrwałego magazynowania energii mechanicznej. Jest prostym akumulatorem mechanicznym gromadzącym energię kinetyczną. Stosowane w szeroko pojętej mechanice, znajduje zastosowanie zarówno w prostych konstrukcjach (np. koło garncarskie), jak i w nowoczesnych silnikach.

Koła zamachowe w kruszarkach zapewniają równomierny bieg maszyny, płynną prace układu. Przeciwdziałają zmianą prędkości obrotowej układu napędowego poprzez wykorzystanie energii kinetycznej , zakumulowanej w fazie zmniejszonego zapotrzebowania energetycznego układu.