1.0 STROJE A ZAŘÍZENÍ PRO DOPRAVU A MANIPULACI

SPSKS

-1-

1.0 STROJE A ZAŘÍZENÍ PRO DOPRAVU A MANIPULACI Technologický aspekt strojů zařízení pro dopravu a manipulaci je zřejmý. Jedná se o přemísťování materiálu v prostoru. Potřeba měnit prostor a polohu u materiálů může mít z technologického pohledu několik důvodů. Prvním je doprava technologická, která vyžaduje transport a polohování materiálu během jeho technologického zpracování. Příkladem může být technologická doprava vytěžené horniny, např. kamene. Po odstřelu, těžbě nebo vylomení je nutné kámen transportovat k jeho zpracování. Mezi jednotlivými operacemi je nutná doprava a jeho polohování až po jeho uskladnění a manipulaci. Druhým důvodem dopravy je doprava (dálková), která je vykonávána obvykle na větší vzdálenosti a vyžaduje upravené trasy, jako jsou námořní cesty, vodní toky, železnice, silnice apod. Mezi takto specifikovanými technologickými důvody dopravy není jednoznačná hranice. Rozdělení mezi technologickou dopravou a dálkovou dopravou, např. u pásové dopravy, lanovek, dopravy potrubím apod., je velmi složité a sporné. Stroje a zařízení pro dopravu a manipulaci můžeme členit podle několika možných znaků. Prvním znakem může být převládající pohyb těchto zařízení, podle tohoto aspektu je dělíme na: - stroje a zařízení pro svislou dopravu a manipulaci, - stroje a zařízení pro vodorovnou dopravu a manipulaci. Technologické procesy vyžadují s ohledem na dopravovaný materiál podle jeho konzistence (plyn, kapalina, pevná sypká látka, pevná kusovitá látka apod.) rozčlenění dopravy na: - cyklickou, - kontinuální.

SPSKS

Pojem doprava bude pro účely této učebnice chápán jako změny polohy v prostoru, které mají „větší rozměr“, přičemž stroje k tomuto účelu určené nemají jiný úkol než přemístit materiál jako břemeno. Pojem manipulace je pak změna polohy břemene v prostoru v malých rozměrech, která navíc s břemenem vykonává ještě jiné pohyby nebo technologické operace. Typickým zařízením pro dopravu je např. nákladní automobil, který břemeno přepraví na jiné místo. V případě manipulace požadujeme vedle dopravy např. přesné polohování břemene. Takové požadavky se vyskytují při montáži, otočení břemene do požadovaného směru, obrácení desky pro povrchovou úpravu apod. Technologické operace spojené s transportem mohou být mísení směsí, nabrání materiálu a jeho vysypání apod.

1.1 STROJE PRO SVISLOU DOPRAVU A MANIPULACI 1.2 JEŘÁBY Jeřáby jsou technická zařízení, která manipulují materiálem s převažujícím směrem pohybu svislým. Výška manipulace je řádově v metrech až ve stovkách metrů výšky. Základní technickou charakteristikou je nosnost jeřábu. Jeřáby lze členit podle několika znaků: - podle tvaru konstrukce, - způsobu pohonu, - způsobu pohybu, - nasazení.

-2-

Tvar konstrukce je hlavním a viditelným znakem pro určení druhu jeřábu. Podle tohoto kritéria rozeznáváme: - jeřáby mostové, - jeřáby portálové, - jeřáby poloportálové, - jeřáby sloupové, - jeřáby věžové, - jeřáby lanové, - jeřáby výložníkové, - jeřáby konzolové. Způsob pohonu je dán hmotností břemene, podmínkami jeho používání, způsobem pohybu apod. Podle pohonu členíme jeřáby na: - pohon ruční, - pohon elektrický, - pohon spalovacím motorem mechanický, - pohon spalovacím motorem hydraulický. Způsob pohybu jeřábu, nutno dodat ustaveného jeřábu, určuje manipulační plochu, na které je jeřáb schopen ve vodorovné rovině dosáhnout k břemenu. Podle tohoto členění známe jeřáby: - pevné, - otočné, - pojízdné.

SPSKS

Podle nasazení nebo druhu práce se jeřáby liší svými podvozky a konstrukci přizpůsobenou druhu práce. Podle druhu práce mohou jeřáby být: - montážní, - dílenské, - hutní, - skládkové, - stavební, - železniční, - přístavní, - vodní. Podvozky jeřábů slouží u mobilních jeřábů pouze k transportu vlastního jeřábu na místo použití, protože při zvednutí břemene se nesmí podvozku použít ke zvětšení manipulační plochy. To se týká podvozků kolových a housenicových. Jiné podvozky umožňují pohyb se zavěšeným břemenem. Těmito podvozky jsou plovoucí a kolejové. Podvozky jeřábů mohou být: - podvozky kolové, - podvozky kolejové, - podvozky housenicové, - podvozky plovoucí.

-3-

1.2.1 JEŘÁBY MOSTOVÉ Mostové jeřáby jsou hojně používané jeřáby v provozních halách a skladištích. Manipulačním prostorem je obdélník, jehož šířka je dána rozpětím mostového jeřábu a délka je dána délkou pojezdové dráhy. Jejich nosnost je v desítkách až stovkách tun. Pracují v pravoúhlých kartézských souřadnicích. Jejich výhodou je, že „nezavazí“ provozu, který obsluhují. Výška pojezdové dráhy obvykle přesahuje deset metrů. Umístění pojezdové dráhy ve výšce umožňuje i více drah nad sebou, kdy jednu manipulační plochu mohou obsluhovat dva jeřáby, aniž by si „zavazely“ obvykle se také odlišují nosností. Pohon mostových jeřábů je většinou elektrický, v případě malých montážních mostových jeřábů může být pohon ruční. Elektrický proud je přiváděn k motorům buď sběrači a trolejí, nebo kabelem. Ovládání může být z kabiny na jeřábu nebo dálkovým ovládáním ze země. kočka

pohon pojezdu

příhradová konstrukce mostu

SPSKS pojezdová dráha

kladnice

konstrukce pojezdové dráhy

Obr. 1 Schéma mostového jeřábu příhradové konstrukce

Mostový jeřáb může mít konstrukci mostu jednonosníkovou a dvounosníkovou. Jednonosníkový mostový jeřáb je obvykle určen pro malé nosnosti. Most je zde tvořen obvykle válcovaným nebo svařovaným profilem průřezu I, který může být ještě tzv. prolamovaný. V takovém případě je kočka podvěšená a pojíždí na dolní přírubě profilu.

-4-

profil I jednonosníkového mostového jeřábu

pojezdové kladky zavěšené kočky Obr. 2 Schéma jednonosníkového mostového jeřábu a zavěšení pojezdových kladek zavěšené kočky

SPSKS Obr. 3 Prolamovaný nosník profilu I

kolejnice pro pojezd kočky

procházející nosné lano

dvounosníková plnostěnná konstrukce mostu

Dvounosníková konstrukce mostu mostového jeřábu znamená, že nosné konstrukce jsou dvě vedle sebe. Po nich pojíždí kočka a lana s kladnicí prochází mezi oběma konstrukcemi. Dvounosníková konstrukce může být příhradová, jak je zřejmé z obrázku č.1. Druhou variantou je plnostěnný nosník. Průřez takového nosníku je na obrázku 4.

Obr. 4 Schéma dvounosníkové konstrukce mostového jeřábu (průřez)

-5-

Konstrukce mostu mostového jeřábu jsou plnostěnné a příhradové. Příhradová dvounosníková konstrukce je lehčí a je vyráběna z válcovaných profilů - nejčastěji L. Plnostěnné nosníky jsou svařené z ocelových plechů a průřez mají uzavřený, jako je tomu u obrázku 4. Druhou možností je průřez II. Plnostěnné konstrukce jsou tužší. Pojezd mostu svojí délkou limituje délku manipulačního prostoru. Jeřábovou dráhu tvoří dvojice kolejnic, které jsou uloženy na nosnících spojujících sloupy. Rozteč kolejnic je vysoká a bývá tvořena moduly násobku 6, tedy 6, 12, 18, 24 metrů. Naopak rozteč pojezdových kol mostu je řádově menší. Takováto konstelace roztečí má sklony k zapříčení podélného pojezdu. Hnací kola se proto musí otáčet synchronizovaně a musí mít obrobeny průměry s vysokou přesností. Tím se zásadně odlišují např. od železničních kol spojených nápravou. Synchronizace kol vyžaduje mechanický přenos rotačního pohybu na vzdálenost desítek metrů mezi hnacími koly. Zde se musí počítat i se zkroucením hřídelů. Proto je delší část spojovacího hřídele obvykle trubka s větším průměrem než zbývající krátká část. Jiným řešením je umístění pohonu podélného pojezdy doprostřed mostu. Při náhodném proklouznutí jednoho kola, vlivem např. ledové námrazy, se most tzv. vzpříčí a musí být nadzvednutím vyrovnán. Konstrukce pohonu je zřejmá ze schématického obrázku. kolejová pojezdová dráha volná pojezdová kola hnací kola pojezdu

SPSKS hřídel spojující hnací kola (velký Ø)

hnací elektromotor brzda pojezdu převodovka

vnější převod

Obr. 5 Schéma konstrukce synchronizovaného pohonu podélného pojezdu

Hnací pojezdová kola se od např. železničních kol odlišují tím, že mají dvě osazení na hlavě kolejnice. S ohledem na tepelné dilatace dlouhého mostu musí mít možnost axiálního (osového posunu). Brzda slouží k zastavení a změnám rychlosti podélného pojezdu. Konstrukčně se jedná o brzdu čelisťovou, která je ovládána elektricky elhou. Kotouč brzdy je integrován na přírubu pružné spojky, která spojuje motor a převodovku.

-6-

mechanizmus brzdy axiální vůle pojezdové kolo

kolejnice brzdový kotouč čelist brzdy

elha

Obr. 6 Schéma pojezdového kola na kolejnici a čelisťové brzdy pojezdu

Poznámka: Nadále bude v textu užíván pojem operační prostor jeřábu. Pro mostový jeřáb vypadá tento prostor jako obdélník. Třetím rozměrem je výška zdvihu.

SPSKS pojezdová dráha

zdvih

příčný pojezd kočky

manipulační plocha jeřábu

podélný pojezd mostu

výška zdvihu

délka podélného pojezdu

Obr. 7 Schéma manipulační plochy mostového jeřábu (obdélník)

-7-

rozpětí mostu jeřábu

1.2.2 JEŘÁBY PORTÁLOVÉ Portálové jeřáby mají podobné užití jako jeřáby mostové. Jejich manipulační plochou je obdélník. Kolejová dráha je umístěna na zemi. Nivelizace a údržba podélného pojezdu je tak jednodušší. Konstrukční řešení je opět možné v provedení příhradové konstrukce nebo kombinace příhradové konstrukce (podpěry) a plnostěnného nosníku (most). Schéma konstrukce je patrné z obrázku. kočka

příhradová konstrukce mostu podpěra

podpěra pojezd portálu kladnice

SPSKS

Obr. 8 Schéma portálového jeřábu

Portálové jeřáby mohou rozšiřovat šířku manipulačního prostoru prodloužením mostu přes rozteč kolejí pojezdu a podpěry. Toto provedení může být na jedné nebo obou koncích. Provedení je zřejmé z obrázku. převislý most

příhradová konstrukce mostu

Obr. 9 Schéma portálového jeřábu s jednostranným rozšířením

-8-

spojovací hřídel

podvozky podélného pojezdu

řetězy

řetězová kola

SPSKS

pohon pojezdu (el. motor + převodovka)

Pojezd portálu musí řešit stejný problém, který nastává u podélného pojezdu mostového jeřábu. Kolejové podvozky každé z podpěr portálu mají velmi malou rozteč oproti rozteči kolejnic. Opět zde hrozí vzpříčení celé konstrukce a je nutné synchronizované otáčení hnacích kol podvozků. Mechanickým řešením je přenesení otáček jednoho hnacího kola podvozku na podvozek na protější koleji. U mostového jeřábu se tato kola spojí hřídelí. U portálového jeřábu se provede totéž, ale rotační pohyb se přenáší pomocí řetězu do mostu portálového jeřábu. Schéma je patrné z obrázku. Hnací podvozky jsou opatřeny brzdou, která má kotouč integrovaný ve spojce mezi motorem a převodovkou.

kolejnice

Obr. 10 Schéma synchronizace otáčení hnacích kol podvozku podélného pojezdu portálového jeřábu

Vedle kolejových podvozků existují i podvozky kolové, jejichž pojezdovými koly jsou pneumatiky. Takovýmto portálem lze i zatáčet. Konstrukce je však mnohem složitější. Tyto jeřáby se pak pohybují po zpevněné ploše, např. panelech. Most portálového jeřábu může být proveden jako jednonosníkový i dvounosníkový. U jednonosníkových je kočka podvěšena stejně, jako je tomu u mostových jeřábů. Pohon jednotlivých motorů je elektrický a používány jsou asynchronní elektromotory. Přívod elektrické energie je u portálových jeřábů řešen kabely, které se podél dráhy vedou na vozíčcích podvěšených na profilu I, avšak i jiná řešení jsou možná. Nosnost portálových jeřábů je v desítkách tun a výška zdvihu je v desítkách metrů. Největší portálové jeřáby se používají v přístavech. Rozpětí mostu je až 90 metrů a výška podpěr rovněž 90 metrů. Nosnost těchto jeřábů je ve stovkách tun.

1.2.3 JEŘÁBY POLOPORTÁLOVÉ Poloportálové jeřáby jsou kombinací jeřábů portálových a mostových. Jejich konstrukce se volí obvykle v rámci rekonstrukce výrobních prostor, kdy se např. podél výrobní haly buduje sklad. Podvozky se pohybují na kolejích, z nichž jedna je vedena ve výšce mostu a druhá je

-9-

na zemi. Podélný pojezd je proto nutno velmi pečlivě nivelovat a měření roztečí kolejnic je také složitější. Konstrukce tohoto typu jeřábu je rovněž buď příhradová nebo plnostěnný nosník. Provedení mostu může být jednonosníkové i dvounosníkové. Synchronizace otáček hnacích kol podvozku je řešena kombinací řetězu a průběžného hřídele. Most na straně podpěry může být prodloužen a zvětšuje tak manipulační plochu, která je zde obdélníková. Konstrukce je patrná z obrázku. kočka

pojez na visuté dráze

plnostěnná konstrukce mostu

pilíř

pojezd na zemi

Obr. 11 Schéma poloportálového jeřábu

SPSKS

1.2.4 JEŘÁBY SLOUPOVÉ

Základní charakteristikou sloupových jeřábů je svislá konstrukce ocelového sloupu, který je otočný nebo částečně otočný. Jde o jeřáby několika typů, ale v oboru je nejpoužívanější systém „derik“. Z technologického hlediska se používá jako jeřáb stabilní pro manipulaci bloky z jámových lomů. Jeho manipulační plochou je ve vodorovné rovině kruhové mezikruží nebo častěji výseč z mezikruží. Mezikruží lze docílit při kotvení sloupu lany, kdy jeřáb musí být umístěn tak, aby bylo možné kotvicí lana kotvit ve výškách vyšších než je sloup. Taková podmínka je obtížně splnitelná.

mezikruží při otoči 360°

výseč z mezikruží při α< 360°

Obr. 12 Manipulační prostor sloupových jeřábů

-10-

navíjecí bubny pro zdvih kladnice a naklápění výložníku

kotvení sloupu lany

sloup lana

výložník

otoč

kladnice

SPSKS

Obr. 13 Schéma sloupového jeřábu kotveného lany

Velmi častá je konstrukce sloupového třínožkového jeřábu, který se nazývá derik. Jde o velmi starou konstrukci, kdy se sloup, nožky i výložník vyráběly z kmene stromu, později z ocelových trubek. Ve třicátých letech se používal např. pro stavbu mrakodrapů v New Yorku. konstrukce vzpěr konstrukce sloupu konstrukce výložníku otoč

Obr. 14 Schéma sloupového jeřábu derik (axonometrie)

-11-

lana zdvihu

Nosnost sloupových jeřábů je v desítkách tun. Jejich zdvih, měřen od nivelety kotvení sloupu, je relativně malý, protože není důvod břemena zvedat vysoko na niveletu s ohledem na technologické aspekty použití. Zajímavý je tím, že břemena zdvihá z velkých hloubek pod niveletou kotvení, tedy dnes především z jámových lomů. Délka výložníku může být značná, protože jeřáb nemá kočku. Konstrukce výložníku namáhána toliko vzpěrem. Pohon zajišťují asynchronní elektromotory.

1.2.5 JEŘÁBY VĚŽOVÉ Věžové jeřáby se z technologického hlediska nejčastěji používají jako stavební jeřáby. Mohou být v provedení pojízdné nebo pevné. Z toho vyplývá manipulační plocha, kterou je buď mezikruží (stabilní) nebo ovál (kolejový podvozek).

délka pojezdu

SPSKS

stabilní jeřáb Obr. 15 Manipulační prostor věžových jeřábů

pojezd na kolejovém podvozku

Existuje několik základních konstrukcí věžových jeřábů. Stejně jako sloupové jeřáby nemá většina konstrukcí kočku a radiální pohyb od středu otáčení je řešen změnou polohy výložníku. Toto řešení zmenšuje manipulační plochu, protože výložník nelze zvedat v celém rozsahu úhlů. Konstrukce jeřábu podle obr. 17 se používá u staveb výškových budov. Věž se neotáčí a otoč je přímo na výložníku. Výška jeřábu se mění vkládáním segmentů věže, které se následně kotví k samotné stavbě. Výložníky jsou velmi dlouhé a manipulační plocha obsáhne půdorys celé stavby nebo se použije více jeřábů.

-12-

protizávaží

výložník věž

navíjecí bubny zdvihu a výložníku

kladnice

otoč

podvozek nebo kotvící podpěry

SPSKS

Obr. 16 Schéma věžového jeřábu

otoč

kočka

vkládání segmentu

kotvení věže ke stavbě

protizávaží

lana zdvihu

kladnice věž (neotočná)

Obr. 17 Schéma věžového jeřábu

-13-

výložník

1.2.6 JEŘÁBY LANOVÉ Lanové jeřáby se ve starší literatuře nazývají kabelovými. Základem tohoto jeřábu je kočka pojíždějící po tzv. pojezdovém laně. Konstrukčně se tak podobají lanovkám. Tyto jeřáby lze rozdělit na dvě základní skupiny: - lanové jeřáby pojízdné, - lanové jeřáby nepojízdné. kočka

kladky pojezdu

pojezdové lano

pohon pojezdu navíjecí buben zdvihu

vzpěra

kladnice Obr. 18 Schéma lanového jeřábu

SPSKS

Technologicky se tyto jeřáby používají v jámových lomech ke zdvihu bloků. Další aplikací jsou stavby přehradních hrází. Pojezd, který je roztečí podpěr, může být dlouhý v řádu stovek metrů, což není v případě použití klasických konstrukcí možné. Nejčastější variantou jsou nepojízdné (pevné) lanové jeřáby. Ze silového rozboru hmotnost břemene – pojezdové (nosné) lano je zřejmé, že kotvení podpěr vyžaduje mimořádně masivní základy, které jsou kombinovány ještě kotvicím lanem. U nepojízdných lanových jeřábů je manipulační plocha teoreticky úsečka, prakticky se připouští minimální vyosení břemene při zdvihu od průmětu pojezdového lana ve svislé rovině. Pojízdné konstrukce jsou podle obrázku 19. Jednak se podpěry mohou pohybovat rovnoběžně nebo v oblouku, kdy tvoří vějíř. Jde o mimořádné složité konstrukce pojezdu. manipulační plocha je pak zřejmá. pevné podpěry - úsečka

pojezdové lano rovnoběžný pojezd – obdélník

podpěra pojízdná v oblouku – kruhová výseč Obr. 19 Manipulační plochy lanového jeřábu

-14-

Pojezdová lana jsou namáhána značnými silami, které závisejí na hmotnosti břemene a na průhybu pojezdového lana. Velikost sil je patrná z vektorového řešení: síly v pojezdovém laně Fl = (m.g)/2.sinα

zátěž břemenem F = m . g

Při průhybu lana vyjádřeném ve sklonu oproti vodorovné rovině v řádu několika stupňů je síla v lanech větší v řádu násobku několika stovek. Konstrukčně proto existují i lanové jeřáby, kdy jsou dvě pojezdová lana. Taková konstrukce vyniká větší nosností a menšími průměry lan. 1.2.7 JEŘÁBY VÝLOŽNÍKOVÉ Výložníkové jeřáby jsou jeřáby pohyblivé na nějakém podvozku. Z technologického hlediska se jedná o zařízení, která se dopravují operativně k břemenu na nějakém podvozku. Používají se tam, kde technologie vyžaduje velký operační prostor. Tedy rychlou dopravu na místo a krátké a jednoduché ustavení. Nevyžadují stavby speciálních nivelovaných drah. Pro častý transport jsou uzpůsobeny možností složení jejich výšky i délky. Základní rozdělení těchto jeřábů je podle použitého podvozku: - kolový podvozek, - housenicový podvozek, - železniční podvozek, - plovoucí podvozek.

SPSKS

Samotný výložník může být konstruován jako příhradový nebo plnostěnný. Výložník může být: - pevný (nemá proměnnou délku), - teleskopický (má proměnnou délku), - nastavitelný (lze jeho délku nastavit přimontováním dalšího dílu). Manipulační plocha výložníkových jeřábů je obvykle mezikruží, ale obecně jde o úlohu stability jeřábu v následující kapitole. Pro železniční a plovoucí podvozek se nejedná o kruh, protože stabilita v ose kolmé na délku podvozku nebo plováku je menší. Kolový podvozek je nutné tzv. „zapatkovat“ a znivelovat. Pohon agregátů konzolových jeřábů, jako jsou navíjecí bubny, otoče a podvozky, je limitován použitím motoru podvozku. Moderní konstrukce využívají lineárních a rotačních hydromotorů, které nevyžadují brzdy. Druhou možností je elektrický pohon.

-15-

výložník (příhradová konstrukce)

lana zdvihu a naklánění výložníku

SPSKS housenicový podvozek

kolový podvozek

železniční podvozek

plovoucí podvozek

Obr. 20 Konstrukce výložníkových jeřábů podle podvozku

-16-

1.2.8 JEŘÁBY KONZOLOVÉ Konzolové jeřáby jsou obvykle dílenské jednoduché otočné jeřáby. Mnohdy s ručním ovládáním otoče. Technologicky jsou odůvodnitelné při montážích a demontážích zařízení, která se dají opravovat v dílně nebo se montují v místech, kde se očekává nutnost často zdvihat na technologickém zařízení nějaké břemeno, např. čelisti drtiče apod. Zdvih a pojezd je buď ruční, nebo elektrickým kladkostrojem zavěšeným na výložníku. Typickým požadavkem je vedle zdvihu i polohování součásti, tedy možnost přesného zastavení. Manipulační plocha je kruhová výseč s úhlem obvykle menším 180°.

radiální ložisko

pilíř stavby

kladkostroj

SPSKS axiální ložisko

Obr. 21 Schéma konzolového jeřábu s kladkostrojem

1.2.9 STABILITA JEŘÁBŮ Stabilita jeřábů je problematika, která je zásadní pro bezpečnost práce těchto manipulačních prostředků. Z pohledu statiky je stabilita jeřábů řešením úlohy změny polohy těžiště, kdy jeřáb při zdvihu břemene mění významně polohu těžiště soustavy – konstrukce jeřábu + hmotnost břemene. U jeřábů typu mostový, portálový, poloportálový a kabelový jsou problémy se stabilitou vyřešeny principem jejich práce. Pokud mají podélný pojezd, je jejich dráha nivelizována do vodorovné roviny. Jeřáby typu věžový sloupový a především výložníkový na podvozcích mají se stabilitou problém. Pokud jsou nepohyblivé, tak nemají ve všech konstelacích polohy kočky nebo výložníku (ramene) stejnou nosnost. Princip statické rovnováhy vychází z polohy těžiště jeřábu jako stroje se zavěšeným břemenem v dané konstelaci polohy kočky nebo výložníku. Názorně lze tuto úlohu rovnováhy popsat dle obrázku 22.

-17-

poloha těžiště zatíženého jeřábu T

poloha těžiště nezatíženého jeřábu

T m1

obrys podvozku jeřábu T

T

SPSKS

nezatížený jeřáb – poloha těžiště stabilní

zatížený jeřáb – těžiště se posouvá a mění výšku

T

T

m1

m2>m1

T

T

jeřáb mění sklon výložníku

jeřáb zvyšuje břemeno – ztráta rovnováhy

-18-

Obr. 21 Stabilita věžového jeřábu

Vlastní konstrukce jeřábu bez zátěže je konstruována tak, že protizávaží umístěné co nejníže na točně posouvá těžiště co nejníže a co nejvíce k opačné straně plochy ohraničující podvozek. Pokud jeřáb zatížíme při stejné poloze výložníku břemenem o určité hmotnosti, těžiště se posouvá směrem k břemenu. Jeřáb s břemenem má větší hmotnost, a proto se zvyšuje gravitační síla (prodlužuje se vektor tíže). Projekce tohoto vektoru v ploše ohraničující podvozek se posouvá. Působiště vektoru síly se zvedáním břemene se posouvá vzhůru. Jeřáb mění polohu ramene, břemeno se tak ve vodorovné rovině posouvá dále od věže jeřábu a tím posouvá vektor tíže blíže ke straně plochy ohraničující podvozek. Jeřáb je v této konstelaci stabilní. Jeřáb zůstává polohou ramene, ale mění hmotnost břemene. Tíže jeřábu a břemene přesouvá těžiště blíže k břemenu a hmotnost je větší (prodlužuje se vektor tíže). Projekce vektoru tíže se promítá mimo šrafovanou plochu. Jeřáb ztrácí stabilitu a padá. Poznámka: Šrafovaná plocha vyznačuje půdorys podvozku jeřábu. Zobrazený typ jeřábu, pokud je pohyblivý, se pohybuje zásadně na soustavě kolejových podvozků. Pro ostatní typy podvozku je konstrukce této plochy obdobná:

SPSKS

-19-

housenicový podvozek

kolový podvozek zapatkovaný a nezapatkovaný

SPSKS

železniční podvozek

plovoucí podvozek (složitější o vztlak)

Obr. 22 Obrysová plocha podvozků

Tato plocha je odvozena od os náprav, jejich rozvoru a rozchodu. U jednotlivých podvozků je zřejmé, že se jedná o obdélník. Pro stabilitu jeřábu nebo obecně jakéhokoliv stroje je zřejmé, že stabilita nebo nosnost závisí i na úhlu pootočení otoče jeřábu. U kolového podvozku se v případě jeřábů využije tzv. zapatkování, kdy této ploše dáme tvar „bližší“ tvaru čtverce. U kolejového podvozku není na svršku násypu k zapatkování prostor. Plovoucí podvozek je na posuzování stability složitější, protože zde se řeší úloha vztlaku plováků. Vztlak má také své těžiště. Úloha stability spočívá tedy v tom, že pokud se průmět těžiště jeřábu (obecně jakéhokoliv stroje) promítne dovnitř obrysu, je celá sestava (stroj + břemeno) stabilní. Jakmile se průmět dostane na obrysovou čáru, ztrácí stabilitu a jeřáb (obecně stroj) se kácí. Obrázek 22 ukazuje výškovou polohu těžiště. Pokud je pojezdová dráha v rovině, nemá výšková poloha těžiště na stabilitu žádný vliv. Výška těžiště se projeví nepříznivě i při sebemenším sklonu pojezdové pláně, kdy vychýlení i o malý úhel svislý vektor tíže posouvá v průmětu. Stabilita jeřábů se proto řeší protizávažím na otoči jeřábu. Protizávažím na výložníku podle obr. 17, které se posouvá podle zatížení. Dnešní stav techniky umožňuje snímáním zatížení automaticky udržovat bezpečnost s ohledem na stabilitu. Dále je zřejmé, že jeřáb nemá stejnou nosnost v každé konstelaci polohy břemene. Takové případy vyžadují znalost nomogramů, které dávají přehled o nosnosti jeřábu s ohledem na konstelaci jeho částí. Na obrázku 23 je znázorněn výložníkový jeřáb na zapatkovaném kolovém podvozku s různými délkami výložníku a jeho polohou. Nosnosti jsou napsány

-20-

v síti. Takto lze projektovat manipulaci s ohledem na požadovanou výšku a vodorovnou vzdálenost podvozku od břemene.

SPSKS Obr. 23 Nomogram výložníkového jeřábu s teleskopickým výložníkem

1.2.10 PŘÍSLUŠENSTVÍ JEŘÁBŮ 1.2.10.1 LANOVÉ PŘEVODY - LANA Lanové převody jsou aplikací jednoduchého stroje - kladky. Jeřáby a další technická zařízení využívají výhod lanových převodů, které se realizují soustavami volných kladek. Výsledkem je snížení síly v jednom lanu, které je „kompenzováno“ úměrným zvětšením délky navíjeného lana. Velikost převodu je počet průřezů lan v pomyslném řezu nad kladnicí. V podstatě říká, že kolikrát zmenšíme sílu v jednom laně, tolikrát více lana je nutné navinout. Konstrukce jeřábu s ohledem na lanový převod je vždy kompromisem, protože navíjecí bubny na stovky metrů lana jsou konstrukční problém.

-21-

pevná kladka

volná kladka

F

F

h

h

m

m

F=m.g

m.g F = ——— 2 l=h.2 kladkostroj s lanovým převodem 8

SPSKS

l=h kladkostroj s lanovým převodem 4

F

F

h

h

m m.g F = ——— 4 l=h.4

m m.g F = ——— 8 l=h.8

Obr. 24 Schéma lanových převodů

-22-

LANA Lana jsou význačnou částí jeřábů, které patří do skupiny součástí se zkrácenou životností. Na jejich bezpečnosti závisí celková bezpečnost manipulace. Jejich provoz je sledován podle zvláštních předpisů, které nařizují prohlídky, diagnostiku a výměnu. JEDNOPRAMENNÁ LANA

otevřené

polouzavřené uzavřené LANA PODLE POČTU PRAMENŮ

SPSKS dvojramenné lano

trojpramenné lano

víceramenné lano (Herkules)

KLASICKÉ KONSTRUKCE OCELOVÝCH LAN

lano 6(1+6+12)

lano 8(1+6+12+18)

lano s trojbokými prameny

Obr. 25 Průřezy lan

Základní terminologie Jednopramenná lana jsou spletena z drátků okolo jednoho drátu. Počet dalších vrstev a průměrů drátů může být různý. Takováto lana mohou být podle obrázku 25 tvořena dráty různého průřezu. Je zřejmé, že uzavřené lano nedovolí nečistotám vniknout mezi dráty, ale tato užitná vlastnost je kompenzována složitou výrobou drátů s nekruhovým průřezem, které

-23-

se nesmí při navíjení překroutit. Otevřená lana jsou výrobně i technologicky jednodušší, ale vyžadují vetší ochranu nebo mají kratší životnost. Polozavřená jsou kompromisem. Jednopramenná lana zpravidla nemají velký počet vrstev. Vícepramenná lana se splétají z pramenů, tedy jednopramenných lan. Osou takového vícepramenného lana je duše. Duše je drátěná nebo z textilu a je silně promazána plastickým mazivem. Udržuje tak lano uvnitř odolné korozi a snižuje tření drátů při ohybu lana. Plochá lana jsou víceramenná lana, která jsou šitá do průřezu přibližně obdélníku, jejich použití je specifické. Dráty pramene (jednopramenného lana) mohou být splétány do levotočivé nebo pravotočivé šroubovice podobným způsobem, jako je tomu u textilních vláken. U jednopramenných lan nemá smysl stoupání žádný vliv na fyzikální vlastnosti jednopramenného lana. Jednotlivé vrstvy drátů mohou být navíjeny ve šroubovici se stejným stoupáním, kdy se dráty jednotlivých vrstev dotýkají podél délky šroubovice. Druhou možností je navíjet další vrstvy s větším stoupáním šroubovice. V takovém případě se kontakt drátů jednotlivých vrstev redukuje na bodový dotyk. Lana na obrázku jsou navíjena s pravotočivou šroubovicí.

SPSKS

navíjení s bodovým dotykem

navíjení s přímým dotykem

konstrukce plochého lana

Obr. 26 Navíjení lan a konstrukce plochého lana

Pokud z jednotlivých pramenů navíjíme lano, je smysl stoupání již složitější. V zásadě můžeme lano navíjet z pramenů se stejným smyslem stoupání šroubovice (levý – levý nebo pravý – pravý), taková lana se nazývají stejnosměrně vinutá. Obráceně můžeme prameny svíjet v opačném smyslu stoupání šroubovice, než v jakém byly navíjeny prameny (pravý – levý nebo levý – pravý). Taková lana se nazývají protisměrně vinutá. Víceramenná lana už smyslem navíjení projevují rozdílné vlastnosti. Stejnosměrně vinutá lana se lépe ohýbají, a proto vyžadují menší průměry kladek a navíjecích bubnů. Průměr kladek a navíjecích bubnů může být přibližně 15násobek průměru lana. Jejich logickou nevýhodou je, že při zatížení tahem mají tendenci se „roztáčet“, což je tendence rozmotat šroubovici. Důsledkem jsou sklony lan ke vzniku smyček. Protisměrně vinutá lana nemají tendenci se rozmotávat, protože tyto síly se v pramenci a laně kompenzují. Jsou však méně ohebná „tvrdší na ohyb“. Vyžadují proto větší průměry kladek a navíjecích bubnů. Poměr mezi průměrem bubnu nebo kladky a průměrem lana je nejméně 30. Materiály lan jsou v případě jeřábů a lanovek ocelové dráty. Ty jsou tepelně zpracovány tzv. patentováním, což je obdoba kalení, ale lázeň je tvořena kapalným kovem nebo solí (olovo nebo kuchyňská sůl). Takový materiál má vysokou pevnost v tahu, což je faktor, podle kterého se lana mohou dělit. Pevnost se pohybuje od 130 do 200 MPa. Povrch drátů je galvanicky pokoven, např. zinkem nebo jiným kovem, jako ochrana proti korozi. Obecně mohou být lana pro jiná použití vyráběna stejnými technologiemi z přírodních nebo syntetických vláken. Mezi takové materiály patří: - přírodní materiály – konopí, bavlna, len apod., - syntetické – polyamidová vlákna

-24-

1.2.10.2 NAVIJÁKY Naviják je obecně zařízení, které vyvíjí tažnou sílu v laně, jejž zároveň navíjí na navíjecí buben. U jeřábů navijáky ovládají lana zdvihu, případně lana, která mění polohu výložníku u některých typů jeřábů. Obecně navijáky mohou při stejné konstrukci sloužit i k jiným účelům, např. k posunování železničních souprav, kde se požaduje přesná rychlost a případně koordinace pohybu při nakládání. Navijáky slouží k vyprošťování vozidel a u těžby z vody slouží k pohybu plovoucích rypadel po hladině. Zvlášť mohutné a přesné navijáky se vyskytují u vrtných souprav při těžbě ropy a zemního plynu. Přesnost spočívá ve schopnosti nejenom manipulovat s břemenem o váze stovek tun, ale s milimetrovou přesností zátěž polohovat. Jeřábové navijáky, spolu s navijáky výtahů, mají jedno specifikum oproti ostatním aplikacím. Jejich konstrukce obsahuje vedle motoru, převodovky a navíjecího bubnu ještě brzdu, která se uvolňuje pouze při spuštění motoru navijáku. Obráceně, pokud vypneme motor navijáku nebo dojde k vypnutí sítě, brzda okamžitě zabrzdí buben v momentální poloze. navíjecí buben elektromotor

navíjené lano

SPSKS kuželočelní převodovka

čelní převodovka

Obr. 27 Schéma navijáku podle typu převodovky s jedním a dvěma navíjenými lany

-25-

navíjená lana

spojka s brzdou

závaží

elha

Obr. 28 Schéma čelisťové brzdy navijáku

Ze schématu čelisťové brzdy vyplývá, že pokud je spuštěn motor navijáku, je spuštěn i motor elhy a ta zvedne páku se závažím a odbrzdí kotouč. Kotouč brzdy je umístěn na spojce mezi motorem a převodovkou, kde je malý kroutící moment. Při vypnutí motoru navijáku nebo výpadku napětí závaží automaticky vyvolá potřebnou sílu na mechanizmu pák a naviják zabrzdí. Lana tak zastaví veškerý pohyb a spolehlivě udrží břemeno v dané poloze.

SPSKS

Poznámka: Elha je elektrohydraulické zařízení složené ze dvou kuželových plášťů spojených přírubou. V jedné časti je elektromotor, který má na výstupním hřídeli nalisováno oběžné kolo podobné oběžným kolům rychlostních čerpadel. Dolní kužel obsahuje olej, který je tímto oběžným kolem čerpán. Tím vznikne osová síla s „malou setrvačností“. Při zapnutí se z elhy vysouvá hřídel silou v rozmezí 500 – 1000 N. Tato síla postačí ke zvednutí závaží a uvolnění brzdy. Druhým typem brzd, které se používají na navijácích, jsou brzdy pásové. Vyznačují se velice silným brzdicím účinkem, který působí velmi rychle, což se projevuje až „kousavým“ průběhem brzdění. Používají se u největších navijáků, např. u vrtných souprav. Základem brzdy je pás, který po obvodu opásá brzdový kotouč. Na obrázku 29 jsou patrné základní konstrukce těchto brzd.

derivační Obr. 29 Schéma konstrukce pásových brzd

integrační

-26-

Motory navijáků jsou nejčastěji asynchronní elektromotory. U mobilních jeřábů, zejména u kolových podvozků, mohou být navíjecí bubny poháněny přímo rotačními hydromotory. U těchto konstrukcí odpadají brzdy i převodovky. Tyto hydromotory patří do skupiny statických hydromotorů. Vynikají značným krouticím momentem, velmi malými rozměry a vysokou spolehlivostí. Efekt spojený u mechanických pohonů s brzdou je v případě hydraulických obvodů nahrazen hydraulickým zámkem, což je malá součástka v hydraulickém obvodu, která zablokuje průtok oleje. Lanové bubny mohou mít hladký plášť nebo na povrchu pláště mohou být obrobeny závity, které ukládají lano. Lana se navíjejí ve šroubovici těsně k sobě. Hladký buben je jednodušší, ale lana na něm trpí sklony ke zborcení pramenů „zplacatění“. Drážkované bubny drží lano v drážce bez tendence jej bortit. Navíjecí bubny mohou navíjet lana i do více vrstev. Počet stoupání (závitů) na navíjecím bubnu nesmí být nikdy nižší než 3 závity. Průměry pláště jsou odvozeny od průměru a typu vinutí lana. Velikost navíjecích bubnů je také odvozena od potřebné délky navinutého lana, který souvisí s lanovým převodem a výškou zdvihu. Tyto délky mohou být až v řádu stovek metrů. Navijáky mohou být na jeřábech umístěny na kočce, jako je tomu u mostových, portálových a poloportálových jeřábů. Nebo jsou umístěny na konstrukci otoče u jeřábů sloupových, věžových a výložníkových. Lanové jeřáby mají naviják zdvihu umístěn u jedné z podpor.

SPSKS

Obr. 30 Kladení lana na hladkém a drážkovaném bubnu

1.2.10.3 KOČKY Kočky jeřábů jsou zařízení, která realizují příčný pojezd na konstrukci jeřábu, jak je zřejmé z obrázků jejich jednotlivých konstrukcí. Kočky mohou kromě pojezdu integrovat i naviják (mostové, portálové, poloportálové). Druhým typem kočky je kočka, která nemá vlastní pohon, protože je vlečená lanem. A nemá ani naviják, nýbrž pouze převáděcí kladky (např. některé věžové jeřáby a lanový jeřáb).

-27-

pojezdová dráha na konstrukci jeřábu - kolejnice

hnací náprava podvozku kočky s pohonem

naviják na konstrukci kočky

Obr. 31 Schéma konstrukce kočky s pojezdem a navijákem

hnací kladka pojezdu kočky

SPSKS pojezdová dráha – kolejnice nebo lano(na)

pojezdová kola nebo kladky

vodicí kladky

navíjecí buben zdvihu

Obr. 31 Schéma konstrukce kočky bez pojezdu a navijáku

1.2.10.4 HÁKY A MANIPULAČNÍ PROSTŘEDKY Kladnice jeřábů jsou nejčastěji osazeny háky, ale není to jediný prostředek, kterým lze bezpečně uchopit břemena. Jeřáb je zařízení, které dokonce může pracovat jako nakladač, pokud se namísto kladnice osadí např. drapákem. Háky představují univerzální prostředek, který lze aplikovat kombinací s ostatními prostředky pro manipulaci. Háky lze v zásadě dělit podle tvaru na: - hák jednoduchý, - hák dvojitý. Dalším způsobem dělení konstrukcí háků je na háky s pojistkou a bez pojistky, háky otočné (mají ložisko) a háky s okem.

-28-

Obr. 32 Základní konstrukce háků

Jeřáby manipulují se širokou škálou břemen, jež vyžadují složitější manipulaci. Mezi taková břemena patří dlouhé a štíhlé pruty, které ve vodorovné poloze mají problém s ohybovým namáháním od vlastního zatížení. Dále jsou to plechy, kterými je nutné manipulovat a polohovat je ve svislé poloze, a součásti, které je obtížné vázat opásáním.

SPSKS C hák

kleště

traverza

přísavka

magnet

nosiče plechů

Obr. 33 Speciální manipulační přípravky zavěšované na hák jeřábů

-29-

1.3 JEDNODUCHÁ ZDVIHADLA Jednoduchá zdvihadla jsou zařízení, která slouží k operativnímu použití při manipulaci břemene ve svislém směru. Oproti jeřábům však jde o malou výšku a žádné nebo omezené možnosti pohybu ve vodorovném směru. Kromě manipulace slouží také k polohování břemene. Z hlediska získávání energie je lze rozdělit na ruční a motorické, u kterých se používá elektrická energie. Podle základních znaků konstrukce je rozdělujeme na: - zvedáky, - kladkostroje, - navíjedla. 1.3.1 ZVEDÁKY Zvedáky vyvozují sílu při změně své výšky. Tato síla může být překvapivě vysoká od několika set kilogramů až po stovky tun hmotnosti břemene. Velikost zdvihu je obvykle několik desítek centimetrů, výjimečně je zdvih až dva metry. Podle konstrukce je dělíme na: - šroubové zvedáky, - hřebenové zvedáky, - hydraulické zvedáky. Základním principem šroubového zvedáku je princip jednoduchého stroje – nakloněné roviny, která je navinuta na válec. Takto vzniká závit. Pro šroubové zvedáky se používají závity metrický, čtvercový a lichoběžníkový. Výhodou závitu je tzv. samosvornost. Existují i šroubové zvedáky s kuličkovým šroubem, které nejsou samosvorné. Otáčením šroubu nebo matice je vyvozována osová síla. Šroubové zvedáky nejsou příliš účinné z pohledu vynaložené energie, ale jsou oblíbené pro jednoduchost, bezpečnost a bezúdržbovost. Ke zvýšení síly lze využít závitů s menším stoupáním nebo se matice otáčí pomocí převodu, např. šnekového.

SPSKS hlava zvedáku šroub matice

metrický závit

lichoběžníkový závit

stoupání závitu

rám zvedáku

Obr. 34 Schéma principu šroubového zvedáku, používané závity

-30-

Pohon šroubových zvedáků může být ruční nebo je realizován elektromotorem. Je obvykle přenosný a lze jej snadno ustavit i v málo přístupných místech. Poznámka: Samosvornost lze vysvětlit na příkladu. Pokud otáčím např. čelním soukolím a krouticí moment přenáším na jeden hřídel, otáčet se začne hřídel druhý v určitém převodovém poměru. Jakmile momentem působíme obráceně, kdy hřídele zaměníme, opět se volný hřídel otáčí v obráceném převodovém poměru. Pokud otáčíme šnekem u šnekové převodovky, točí se šnekové kolo v příslušném převodovém poměru. Při záměně hřídele, když chceme otáčet šnekové kolo, toto neroztočí obráceně šnek ani při sebevětším krouticím momentu. Takovéto vlastnosti se říká samosvornost. Pro šroubový zvedák platí, že při otáčení šroubem nebo maticí se osově pohybuje šroub. Ale na šroub obráceně můžeme vyvinout libovolnou osovou sílu a šroub nebo matici neroztočíme. Takové převody svého druhu jsou výhodné pro přesné nastavování polohy nebo pohony, které nevyžadují brzdy.

Hřebenové zvedáky, nazývané také hevery, vyvozují sílu záběrem ozubeného kola s malým počtem zubů (pastorku) do ozubeného hřebene (ozubené kolo s nekonečně velkým průměrem). Jejich předností je velmi malá hmotnost a vynikající manipulovatelnost. Zvýšení vyvozované síly, tedy nosnosti hřebenového zvedáku, se dociluje převodovkou mezi klikou a pastorkem zabírajícím do ozubeného hřebene. Hřebenové zvedáky nejsou samosvorné, a proto se jejich poloha skokově jistí systémem rohatka – západka. Při spouštění břemene je nutné držet kliku, uvolnit západku a břemeno spouštět.

SPSKS hlava zvedáku

západka

převodovka

F

pastorek

klika rohatka

hřeben

západka se neotáčí

Obr. 35 Schéma principu hřebenového zvedáku a systém rohatka - západka

-31-

Hydraulický zvedák je velmi výkonným zvedákem. Základní členění této skupiny zvedáků vyplývá z pohonu. Ten může být ruční, když pákou ovládáme pístové čerpadlo. Druhou možností je elektricky poháněné vysokotlaké čerpadlo. Podle Pascalova zákona tlak na plochu pístu ve válci vyvozuje osovou sílu. Tyto zvedáky mají nosnost běžně ve stovkách tun. Výška zdvihu je velmi malá a zvětšit se dá teleskopickým válcem. Hydraulický zvedák obvykle používá ke stabilizaci polohy tzv. hydraulický zámek, který uzavře přívod a odvod tlakového oleje. Spouštění břemene je řízeno uvolněním hydraulického zámku. těsnění

píst válec

hydraulický agregát

D

SPSKS

Obr. 36 Schéma principu hydraulického zvedáku

Nosnost hydraulického zvedáku je dána vztahem: F = p . S, kde: F [N] - síla vyvozená hydraulickým zvedákem, p [Pa] - tlak oleje ve válci, S [m2] - plocha pístu.

Pro zvedáky obecně platí široká variabilita konstrukcí za použití třech základních principů. Šroubové zvedáky kombinují osovou sílu šroubu s mechanizmem nůžek, pák apod. Hydraulické zvedáky mají ruční čerpadlo integrováno do tělesa zvedáku nebo je čerpadlo zcela nezávislé na válci. Pro zlepšení vizualizace zvedáků slouží následující přehled.

varianta šroubového zvedáku hřebenový zvedák Obr. 37 Vizuální pohled na zvedáky

-32-

ruční hydraulický zvedák

1.3.2 KLADKOSTROJE Kladkostroj je zařízení, jenž zvedá břemeno ve svislém pohybu tím, že je „vytahuje“ - na rozdíl od zvedáků, které je „vyzdvihují“. Podobně jako u zvedáků je základním požadavkem na kladkostroj malá hmotnost, protože častou aplikací je přenést je na požadované místo a zavěsit, a to ručně. Zavěšení je obvykle na hák, kterým je kladkostroj opatřen. Prostředek nesoucí zatížení je lano, ale častěji je použito řetězu, který se ovšem nenavíjí. Tomu odpovídá i konstrukce zvedacího zařízení. Lano vyžaduje navíjecí buben, řetězy vyžadují řetězovou hnanou kladku. Pohon je ruční nebo elektromotorem. Kladkostroje se rozdělují podle konstrukce do těchto skupin: - kladkostroj násobný, - kladkostroj diferenciální, - kladkostroj šroubový, - kladkostroj s čelními koly. Kladkostroj násobný je principiálně založen na lanovém převodu, který je patrný z obrázku č. 24 kapitoly jeřáby. Nosným prvkem je ocelové lano a soustava kladek. Lano je nutné navíjet na buben. Pohon je ruční nebo elektrický. Díky nutnosti navíjecího bubnu je tento typ kladkostroje velký a má větší hmotnost. Jeho konstrukce je nesamosvorná. Jeho fixace v určité poloze proto vyžaduje další konstrukční uzel, kterým je brzda. V poněkud sofistikované podobě je tento kladkostroj používán ke kotvení výložníků jeřábů, rypadel, napínání pásových dopravníků apod. Tento typ kladkostroje je relativně složitý a vyžaduje kontrolu a údržbu. Jako operativní zařízení s ruční obsluhou se již nepoužívá.

SPSKS

Kladkostroj diferenciální je již zastaralá konstrukce. Přestože jde o samosvorné zařízení, je mimořádně jednoduchý a má i velký převodový poměr. Převod má relativně malou účinnost. Dvojitá řetězová kladka se liší v počtech zubů o 1. Řetěz, resp. smyčka nebo nekonečný řetěz, je navinut dle obrázku. V této konstelaci je kalibrovaný řetěz hnacím i nosným prvkem kladkostroje. Samosvornost kladkostroje má být taková, aby i při spouštění břemene bylo nutné vyvinout sílu.

dvojitá řetězová kladka

zvedání břemene

spouštění břemene

Obr. 38 Schéma principu diferenciálního kladkostroje

-33-

Šroubový kladkostroj je nejběžněji používaným kladkostrojem. Jeho konstrukce je odvozena od šnekové převodovky. Ta je z principu samosvorná a poskytuje převodový poměr i = 40 – 80, který je plně dostačující pro běžná břemena. Účinnost není vysoká, protože šnekové převody nejsou příliš účinné. Pro šnekovou převodovku platí následující varianty konstrukce: válcové šnekové kolo – válcový šnek, válcový šnek – hypoidní šnekové kolo a hypoidní šnek – hypoidní šnekové kolo. Jsou konstrukce i s dvouchodým závitem šneku, kdy převodovka ztrácí samosvornost a je nutné konstrukci spojit s kuželovou brzdou pro spouštění. Nosným i hnacím prvkem jsou článkové řetězy. šnekové kolo poháněcí řetězová kladka

kladka zdvihu

šnek hnací řetěz

SPSKS kladnice s nosným řetězem Obr. 38 Schéma principu šroubového kladkostroje

Kladkostroje s čelními koly jsou účinnější než kladkostroje se šnekovou převodovkou – šroubové. Jsou však komplikovanější, protože čelní převody nejsou samosvorné. Vedle nutnosti kladkostroj osadit brzdou s rohatkou a západkou vyžadují i násobné převody čelních kol. Základním principem je čelní převodovka. Při ručním pohonu jsou používány tzv. řehtačky, tedy páky se systémem rohatky a západky podobné utahovacím klíčům. Řehtačka vyžaduje přístup k tělesu samotného zvedáku, ale násobí sílu lidské ruky běžně v rozsahu 10 – 15. Tyto kladkostroje se vyrábí s elektrickým pohonem. Obecně platí, že každý kladkostroj může být konstruován i jako podvěsná kočka. Namísto háku k zavěšení je mechanizmus kladkostroje integrován na podvozku, který lze zavěsit nejčastěji na profil I na jeho dolní přírubu. Vedle elektrického pohonu zdvihu lze pohánět i pojezd. Tím se stává z kladkostroje kočka. Ta však není už hmotností přizpůsobena operativnímu použití s ruční manipulací.

-34-

kladkostroj s čelními koly

řetězový kladkostroj zavěšený

řetězový kladkostroj s pojezdem

kladkostroj - řehtačka

lanový kladkostroj

násobný kladkostroj

SPSKS

Obr. 39 Vizuální pohled na kladkostroje

-35-

1.4 VÝTAHY Výtahy jsou technická zařízení, která manipulují břemenem po svislé nebo šikmé dráze. Rozdíl od jeřábů, které manipulují břemeny rovněž ve svislé poloze, je ten, že břemena se neváží, ale jsou na plošině, která je v příslušném směru unáší. Plošina se pak pohybuje na určitém vedení, které omezuje její stupně volnosti. Podle použití dělíme výtahy na: - výtahy osobní, - výtahy nákladní. Podle konstrukce pohonu lze výtahy dělit na: - trakční (lanové) výtahy, - hydraulické výtahy, - páternoster, - šikmý výtah, - zdvihací plošina.

1.4.1 OSOBNÍ VÝTAHY Osobní výtahy slouží k vertikální přepravě osob nebo drobných předmětů. Z hlediska bezpečnosti konstrukce vynikají mimořádnými konstrukčními opatřeními. Pohon těchto výtahů může být lanem, hydraulicky a jsou známé i pneumatické osobní výtahy. Výběr pohonu je podřízen mnoha faktorům, mezi něž patří i požadovaná výška. Výtahy pro mrakodrapy a velmi vysoké budovy vyžadují úměrné technologie, které souvisejí s rychlostí pohybu kabin a zrychlením na požadovanou rychlost, ohledy na poměry proudění vzduchu ve výtahových šachtách apod. Tam jsou vyloučena lana. Mezi osobní výtahy patří i výtahy pro osoby ležící, např. v nemocnicích, a výtahy pro invalidy. Kabiny takových výtahů vyžadují větrání nebo klimatizaci, osvětlení, prostředky komunikace apod.

SPSKS

Poznámka: Výtahy typu páternoster (pater noster – otčenáš) jsou již EU zakázány. Z hlediska právních předpisů nepatří mezi výtahy, ale zdvihadla. Jde o řetěz, který se pohybuje se zavěšenými kabinami. Jde o jakousi kombinaci kontinuální dopravy. Pasažéři naskakují do výtahu za pomalého chodu. Osobní výtahy se pohybují v šachtě, kde je kabina vedena pomocí vedení ve tvaru T. Existují i konstrukce osobních výtahů, které nejsou v šachtě budovy, ale jsou vně budovy. Někdy se nazývají panoramatické, protože vedle funkce transportu osob poskytují i zajímavý výhled s proměnlivou výškou. Z obrázku č.40 je patrná základní konstrukce osobních jeřábů. Hydraulický jeřáb má zdvih realizovaný teleskopickým lineárním hydromotorem. Z konstrukce teleskopických lineárních hydromotorů je zřejmé, že výška je velmi omezena. Z konstrukčního hlediska má tento typ výtahu strojovnu dole a těleso válce vyžaduje vybudování šachty. Chod těchto výtahů je velmi tichý, regulace rychlosti a zrychlení je velmi jednoduchá a provoz je tak „měkký“. Existují i konstrukce, při nichž je hydraulický pohyb kombinován s lany. Dosáhne se tak vyššího zdvihu. Konstrukce je podobná jako zdvih vysokozdvižných vozíků.

-36-

SPSKS osobní výtah s hydraulickým pohonem kabiny

osobní výtah s trakčním pohybem kabiny

Obr. 40 Základní konstrukce osobních výtahů

Trakční osobní výtah má v horní části šachty strojovnu, kde je umístěn naviják. Strojovna obvykle přesahuje výškou výšku domu. Existují však i trakční výtahy, které nemají strojovnu. Kabina se pohybuje zavěšena na lanech a je vedena vodítky v šachtě budovy. Zrychlení je ovládáno při spouštění elektromotoru. V dolní části šachty je napínací zařízení. Proti kabině se pohybuje protizávaží, které eliminuje průměrné zatížení kabiny. Hydraulické výtahy protizávaží nemají.

1.4.2 NÁKLADNÍ VÝTAHY Nákladní výtahy slouží k vertikálnímu transportu různých břemen a někdy také i lidí. Konstrukce může být přizpůsobena i typu nákladů. Příkladem jsou jídelní výtahy, které dopravují teplá jídla. Většina nákladních výtahů má vyšší nosnost než u výtahy osobní.

-37-

Kabiny se nemusejí pohybovat v šachtě, ale mohou to být plošiny pohybující se vně budovy na šplhavých konstrukcích apod. Trajektorie dráhy může být i šikmá, kdy se výtahem dopravuje materiál na sedlové střechy domů. Kategorie nákladních výtahů lze členit podle užití na: - automobilové výtahy, - lodní výtahy, - stavební výtahy, - důlní výtahy. Automobilové výtahy slouží k transportu automobilů v garážových prostorách, kde jsou následně zasouvány manipulační plošinou do regálů. Lodní výtahy slouží na vojenských plavidlech, kde transportují z podpalubí např. letadla nebo munici. Existují však i výtahy, které zvedají celé říční lodě na jinou výšku hladiny. Děje se tak v zemích, kde je velmi rozšířená síť vodních kanálů a lodní doprava je považována za ekologicky čistou. Protizávažím pro zatížení ve stovkách tun plavidel je obvykle další loď, která potřebuje transportovat opačným směrem. Stavební výtahy představují širokou škálu konstrukcí, které dopravují do výšky materiál, jenž není vhodné dopravovat úvazem na jeřáb. Konstrukce těchto výtahů je obvykle lanová. Takové výtahy nemají kabinu, ale klec, případně se jedná o plošinu.

1.4.3 POHONY VÝTAHŮ A ZABEZPEČOVACÍ ZAŘÍZENÍ

SPSKS

Základem pohonu výtahu je obvykle elektromotor. S ohledem na řízený rozběh, zejména u trakčních výtahů, je jeho spouštění řízeno elektronicky nebo dříve byl použit stejnosměrný motor. U trakčních výtahů motor pohání převodovku a ta hnací kladku, pokud je použito protizávaží. Pohon je tak navijákem, který má stejné vlastnosti jako u jeřábu, tj. je opatřen brzdou pro případ výpadku elektrického proudu a dobrzďování ve stanicích. Hydraulické pohony mají čerpadlo a rozvaděče, které programově řídí pohyb. Pohony se umisťují do strojoven výtahů, kde vedle vlastních hnacích agregátů jsou umístěny i rozvaděče a prvky řízení. Zabezpečení výtahů nespočívá v pevnosti lan. Vedle brzdy navíjecího bubnu nebo hnací kladky má kabina nebo klec speciální brzdy nebo západky, které nedovolí pohyb kabiny nebo klece se zvýšenou rychlostí. Tyto brzdy jsou klínové. Kabina nebo klec nemůže spadnout ani při přetržení lan. K bezpečnostním opatření dnes patří také snímače hmotnosti, které kabinu zváží. Dále je zde soustava zabezpečení související se zavřenými dveřmi u vstupu do šachet, uzavření dveří kabiny apod. 1.4.4 ZDVIHACÍ A SPOUŠTĚCÍ PLOŠINY Tato zařízení patří do skupiny strojů pro svislou dopravu. Z technologického pohledu se jedná většinou o plošiny, které slouží k dopravě materiálu a montážním pracím. Zdvihací plošiny se pohybují „vzhůru“, spouštěcí plošiny jsou spouštěny „dolů“ obvykle z výškových budov. Zdvihací plošiny mohou mít různé mechanizmy zdvihu od nůžkových až po výložníky, které dovolují více stupňů volnosti. Spouštěcí plošiny jsou odkázány na dvě spouštěcí lana. Navijáky lan mohou být buď na ploché střeše budov, nebo jsou přímo na

-38-

spouštěcí plošině, kde se lano odvíjí. Pro jednoduchost mají takové navijáky samosvornou čili šnekovou převodovku, ale jsou i jiné konstrukce.

akumulátorová plošina pevná plošina Obr. 41 Některé konstrukce plošin

montážní plošina na podvozku

1.5 ELEVÁTORY Elevátor je dopravník pro svislou nebo šikmou dopravu. Technologicky představuje kontinuální dopravu ve svislém směru. Jeho základním konstrukčním prvkem je uchopovací prostředek, který je unášen tažným prostředkem. Uchopovací prvek je nejčastěji koreček. Unášecím tažným prostředkem může být řetěz, pás nebo lana. Jejich dělení je podle uchopovacího prostředku: - policové elevátory, - korečkové elevátory, - lavičkové elevátory.

SPSKS

UCHOPOVACÍ PRVKY ELEVÁTORŮ

hlava elevátoru (pohon) výsyp materiálu

koreček tažný prostředek uchopovací prostředek

plnění

police

lavička napínací kladky Obr. 42 Schéma elevátorů a jejich uchopovací prvky -39-

Z obrázku je patrné, že dopravovaný materiál pro elevátory musí splňovat určité vlastnosti, které této technologii vyhovují. Korečkové elevátory jsou určeny pro svislou dopravu sypkých a nelepivých materiálů. Mezi takové materiály patří obilniny, suché granule nebo kamenivo drobnějších frakcí. Takto transportovat lze za určitých podmínek i mokrý písek ze skládek pod vodní hladinou. Policové elevátory se používají pro svislou kontinuální dopravu jednotlivých těles, která mají válcovitý tvar a rozměry, jež determinují dimenzování uchopovacího prostředku – police. Lavičkové elevátory jsou omezeny podobně jako policové rozměry jednotlivých dopravovaných kusů. Obecně je konstrukce tažného prvku limitována dopravovanou výškou, která má s ohledem na hmotnost naplněných uchopovacích prostředků zásadní vliv na síly. Pro malé výšky, malé korečky a sypký materiál postačí pás. Jeden nebo dva řetězy se používají pro větší zatížení, větší výšku a větší uchopovací prostředky. Pohon je prostřednictvím asynchronního elektromotoru a převodovky. Součástí pohonu je i zabezpečení proti „zpětnému chodu“ při výpadku napětí v síti. To lze řešit stejně jako u navijáků jeřábů brzdou nebo samosvornou převodovkou. Pohon se umísťuje převážně v hlavě elevátoru, která je výš s ohledem rozdělení tažných sil. Možná je i opačná konstrukce. Proti pohonu jsou napínací kladky, které udržují napětí, jenž nedovolí proklouznutí na hnacích kladkách nebo turasech. Plnění vyžaduje technická a technologická opatření, která umožňují relativně přesné dávkování, kdy nedochází k závalu v místě nabírání materiálu ani opačnému stavu, kdy se uchopovací prvky pohybují prázdné. Vyprazdňování uchopovacích prvků je dalším dělícím znakem elevátorů. Při oběhu korečku po hnacím turasu se uplatňují vždy dvě síly. Jedna je gravitační a druhá odstředivá.

SPSKS

dráha těžiště naplněného korečku

odstředivá síla gravitační síla

výsledná síla Obr. 43 Silové poměry při vysýpání korečků

-40-

Gravitační síla je dána součinem hmotnosti obsahu přepravované látky v korečku. Tato je konstantní a její směr je svisle dolů rovněž konstantní. Fg = m . g Odstředivá síla je rovněž konstantní, ale v průběhu oběhu korečku po obvodě hnacího turasu mění svůj směr. Toto je patrné z obrázku 43. Její velikost je dána součinem: v2 Fo = m . —— = m . r ω2, r kde: m [kg] - hmotnost náplně korečku g [m . s-2] - gravitační zrychlení v [m .s-1] - rychlost pohybu dráhy těžiště po kružnici r [m] - poloměr kruhové dráhy po které se pohybuje těžiště náplně korečku ω [s-1] - úhlová rychlost 2.π .n. Výslednice, tedy vektorový součet obou vektorů, udává směr, kterým je transportovaný materiál tažen z korečku. Z hlediska tvaru křivky je výslednice tečnou k parabole vrhové křivky. Gravitační sílu měnit nemůžeme, ale odstředivou sílu můžeme ovlivnit buď rychlosti, kterou se korečky pohybují (přímá úměra), nebo průměrem hnacího turasu (nepřímá úměra). Z obrázku 43 je patrné, že pokud jsou velikosti obou vektorů vyrovnané, dochází k výsypu v poloze mezi „2. – 3. hodinou“. Takový výsyp je gravitační. Pokud zvýšíme velikost odstředivé síly dochází k výsypu mezi 1. – 2. hodinou. Vektor výslednice je delší a vysypat lze i mírně lepivý materiál. Z hlediska technologie je nutné mít na paměti vlastnosti materiálu při výsypu. Tvar korečku (profil) má zásadní vliv na technologickou aplikaci ve vztahu k dopravovanému materiálu.

SPSKS

mělký přímý (A)

mělký oblý (B)

-41-

středně hluboký (C)

hluboký přímý (D)

hluboký s ohrnutou stěnou (E)

zadní hluboký ostroúhlý (F)

Obr. 44 Profily korečků typ korečku

A B C D E F

použití

mouka, krupice, šrot (lehký jemný materiál) obilí, luštěniny, olejnatá semena (lehký zrnitý materiál) surový cukr, vlhké jemně mleté uhlí (lehce lepivý materiál) písek, cement, drcené uhlí (těžký práškovitý nebo kusovitý materiál) popílek, brambory (lehce tekoucí nebo odvalující se materiál) černé uhlí

SPSKS

1.6 VYSOKOZDVIŽNÉ VOZÍKY Vysokozdvižné vozíky jsou manipulační technikou, která umožňuje manipulaci břemenem ve svislé poloze do výšek přibližně 10 m. Ve vodorovné rovině umožňují autonomní (nezávislý) pohyb. Jejich výhodou je operativní použití, které nepotřebuje, podobně jako jeřáby, žádnou pojezdovou dráhu. Jejich nevýhodou je potřeba relativně velké plochy pro pohyb, protože využití třetího rozměru (výšky) není obvykle možné a transport břemen vyžaduje široké uličky a komunikace. Vysokozdvižné vozíky můžeme dělit podle polohy zdvihacího zařízení na : - čelní vysokozdvižné vozíky, - boční vysokozdvižné vozíky. S ohledem na technologie provozu, kde se využívá k manipulaci vysokozdvižných vozíků, je lze členit podle druhu pohonu na: - spalovacím motorem (vznětový, zážehový motor - pohonná látka nafta, benzín, plyn), - elektromotorem (obvykle akumulátory), - setrvačníkem. Dalším členícím znakem mohou být podvozky, které mohou být čtyřkolové nebo tříkolové. Dále může mít přední náprava tzv. dvoumontáž.

-42-

čelní vysokozdvižný vozík boční vysokozdvižný vozík Obr. 45 Základní typy vysokozdvižných vozíků

protizávaží

rám

ochranný rám kabina

SPSKS

naklápění rámu

hnací agregát

zdvihací deska

vidlice

podvozek

Obr. 46 Schéma čelního vysokozdvižného vozíku a jeho částí

1.6.1 ZDVIHACÍ ZAŘÍZENÍ VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ Přestože existuje velké množství kombinací konstrukcí vysokozdvižných vozíků, samotný mechanizmus zdvihu je vždy stejný. Síla potřebná pro zdvih je vyvozena lineárním hydromotorem (jednočinným hydraulickým válcem). Na jeho pístnici jsou umístěny synchronně se otáčející řetězky. Při zdvihu pístnice řetězky táhnou dvojici řetězů dvojnásobnou rychlostí. Na volném konci dvojice řetězů je uchycen pohyblivý rám se zdvihací deskou. Na té jsou uchyceny vidlice, které se následně pohybují vzhůru. Oba rámy mají průřez písmene U s masivní přírubou a jsou do sebe zasazeny tak, že pomocí kladek se suvně pohybují. Celé zdvihací zařízení lze naklápět v určitém omezeném úhlu. Základní

-43-

parametry vysokozdvižných vozíků jsou odvozeny od parametrů zdvihacího zařízení. Jsou to nosnost a výška zdvihu. Běžná nosnost vysokozdvižných vozíků je v řádu několika tun (2 – 5), ale existují speciální stroje, které mají nosnost až sto tun! Výška zdvihu je běžně kolem 3 metrů, ale existují stroje s výškou zdvihu až 10 metrů. S odvoláním na kapitolu stability jeřábů je zvyšování výšky zdvihu limitováno podmínkami stability. pohyblivý rám řetězová kola (dvojice)

řetězy (duplex, triplex)

lineární hydromotor

zdvihací deska

vidlice (dvojice) pevný rám ukotvení řetězu na pevném rámu

SPSKS

Obr. 47 Schéma zdvihacího zařízení vysokozdvižných vozíků

1.6.2 PODVOZKY VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ

rozchod

rozchod

Na podvozky vysokozdvižných vozíků jsou kladeny mimořádné podmínky. Jde o velkou nosnost kol a pneumatik, kdy jsou v limitním případě celé břemeno a vlastní vozík neseny přední tuhou nápravou. Druhým požadavkem je minimální poloměr otáčení s ohledem na manipulační prostor, kde se stroje pohybují. Podvozky jsou zpravidla konstruovány pro zpevněný a nivelovaný povrch, ale existují i podvozky do terénu.

rozvor

trojkolový podvozek

rozvor

čtyřkolový povozek

Obr. 48 Schéma podvozků vysokozdvižných vozíků a jejich ovládání

-44-

Přední náprava čelních vysokozdvižných vozíků je konstruována jako tuhá a je hnací nápravou. Zadní náprava nebo kolo ovládá směr jízdy. K malému poloměru otáčení slouží mimořádné možnosti natáčení kola nebo kol zadní nápravy a tzv. přetáčivost podvozku. Obecně se podvozky, na které je požadavek minimálního poloměru zatáčení nebo manévrování smykem, vyznačují blízkostí rozměru rozchodu a rozvoru, což je u vysokozdvižných vozíků běžných konstrukcí splněno. Přední náprava bývá u vyšších nosností konstruována jako dvoumontáž, kde jsou kola ve dvojici. Pneumatiky pro přední nápravy jsou speciálních konstrukcí, protože jejich huštění je na vysoké tlaky, které pneumatiky pro ostatní vozidla nepotřebují. Pohon je realizován od motoru buď mechanickým přenosem, nebo dnes již častěji hydraulickým přenosem pomocí dvou rotačních hydromotorů. motor

převodovka

hydrogenerátor

hydromotory

motor

rozvodovka (diferenciál)

přívodní potrubí

přední náprava

přední náprava

SPSKS

mechanický přenos výkonu na přední hydraulický přenos výkonu na přední nápravu nápravu Obr. 49 Schéma přenosu výkonů na hnací přední nápravu vysokozdvižných vozíků

1.6.3 HNACÍ AGREGÁTY VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ Pracovní prostředí, kde se využívá technologie manipulace vysokozdvižnými vozíky, vyžaduje s ohledem na environmentální bezpečnost a hygienu práce hnací agregáty s určitou bezpečností. Klasické spalovací motory jsou levné a vyrábějí se ve velkých sériích především pro motorová vozidla. Kde to dovolují podmínky, je jejich provoz ekonomický. Někdy tyto motory bývají vybavovány katalyzátory s vyšší účinností. Pokud se používá k pohonu plyn, tak se jedná výhradně o směs propanu a butanu. Výfukové plyny snadněji splňují emisní požadavky, ale výskyt NOx zde může být vyšší s ohledem na vysoké spalovací teploty. Pro uzavřené prostory se využívá elektropohonu, kdy zdrojem elektrické energie bývají akumulátory. Olověné akumulátory vyhovují díky své hmotnosti, kdy slouží jako protizávaží. Při jejich nabíjení u starších konstrukcí může docházet k vývinu plynů. Modernější konstrukce akumulátorů jsou provozně bezpečnější, nikoli však obecně environmentálně. Zajímavým pohonem je setrvačník, který se na stanovišti roztočí na vysoké otáčky a slouží jako akumulátor kinetické energie. Takové vozíky se mohou pohybovat na velmi přesné rovině s ohledem na silné gyroskopické účinky setrvačníku.

-45-

1.6.4 STABILITA A OVLÁDÁNÍ VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ Pro stabilitu vysokozdvižných vozíků platí, že manipulace zdvihem musí být převážně oddělena od pohybu podvozku. S odvoláním na popis stability jeřábů lze omezit tuto stať konstatováním, že vodorovný transport je bezpečný s břemenem v nejnižší možné poloze, kdy je těžiště soustavy vozík – břemeno nejníže k pojezdové pláni. Pro zasouvání např. palet a kontejnerů ve výšce břemene a snímání břemene z výšky je nutné pamatovat, že je to vzhledem ke stabilitě riziková operace. Některé rizikové stavy jsou a budou v konstrukcích moderních vozíků zabezpečovány SW. Ovládání mechanických poháněných hnacích náprav je stejné jako u automobilů. Převodovka má spojku, kterou lze regulovat dynamiku pohybu a volit skokově rychlosti. Modernější konstrukce jsou vybaveny hydoromotory a zde odpadá celá řada úkonů. Rozvaděče hydraulických obvodů jsou řízeny elektricky a řízení se tak omezuje na joystick. Ovládání směru jízdy zůstává na volantu, který natáčí řídicí kolo nebo kola mechanicky. Bezpečnost ovládání zdvihu je dána konstrukcí hydraulického obvodu, která je mimo rámec této učebnice.

1.6.5 PŘÍDAVNÁ ZAŘÍZENÍ PRO VYSOKOZDVIŽNÉ VOZÍKY Samotná základní konstrukce čelního vysokozdvižného vozíku má potenciál univerzálnějšího použití. Ve srovnání např. s nakladači má sice čelní vysokozdvižný vozík méně stupňů volnosti (volný pohyb po vodorovné ploše a zdvih nahoru – dolů ve svislé poloze), ale přesto díky hydraulickému agregátu může namísto vidlic pracovat i s jinými prostředky. I aktivními, které vyžadují další pohon. přídavné zařízení svěrací čelisti

SPSKS

využití svírají hranatá břemena se svislou osou svírání, nevyžadují tak uložení břemene na podkladní hranoly manipulátor na jde o čelisti, které se svírají ve vodorovné ose, využití pro manipulaci válcové předměty se sudy, trubkami a kmeny stromů otáčecí zařízení zvednutý předmět dokáží dalším aktivním stupněm volnosti obrátit přidržovač břemen proti vidlicím se pohybuje čelist, která přidržuje břemeno „z vrchu“, vhodné pro terénní konstrukce polohovač vidlic mění rozteč vidlic na zdvihací desce při změnách rozteče palet nebo břemen hydraulická lopata sestava může pracovat jako nakladač s omezenou kinematikou pohybu lopaty úklidová zařízení jde o rotační kartáč k čištění pojezdových ploch apod. jeřábová ramena rozšiřují možnosti manipulace zejména pro polohování břemene sněhová radlice stroj pracuje jako kolový buldozer nosné trny slouží k manipulaci cívkami a smotky, které mají uprostřed otvor montážní plošiny vytváří pracoviště pro střední výšky, kde se smějí pohybovat lidé prodloužené Pro manipulaci lehčími břemeny, např. s velkou plochou palet vidlice

-46-

1.6.6 VYSOKOZDVIŽNÉ VOZÍKY S BOČNÍM ZDVIHEM Konstrukce těchto manipulačních zařízení je uzpůsobena manipulaci s břemeny, která vykazují značnou délku a je žádoucí je vodorovně transportovat v ose jejich délky. Takovými břemeny jsou svazky řeziva (prkna, trámy apod.), dále válcovaný hutní materiál. Pro vodorovnou přepravu má rám stroje plošinu, na kterou se přepravovaný materiál položí. Tato konstelace stroj – břemeno je velmi stabilní a lze materiál transportovat i v méně vyrovnaném terénu. Pro vlastní naložení a složení je nutné pro stabilitu stroje vysunout dvě hydraulické podpěry, které zvýší stabilitu pro operaci naložení a složení. Protizávažím je zde umístění hnacího motoru a všech agregátů za kabinu řidiče. Jsou tedy na opačné straně, než se vysouvá rám. Podvozek je zásadně dvounápravový, přičemž přední náprava je řiditelná a zadní hnací. Nosnost těchto vysokozdvižných vozíků je 5 – 7 tun a zdvih běžně 3 m.

najetí k břemenu

SPSKS

vyzdvižení břemene

vysunutí opěrek

vysunutí rámu zdvihu

zasunutí rámu

položení břemene na plošinu a zasunutí opěrek

Obr. 50 Schéma (čelní pohled) manipulace břemenem u vysokozdvižných vozíků s bočním zdvihem

-47-

1.6.7 VARIANTY KONSTRUKCÍ VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ Moderní technologie skladování vyžadují nová řešení pro manipulaci. Manipulovanými břemeny jsou často typizované prostředky, jako jsou: - palety, - kontejnery, - sudy, - cisterny. Široká škála takto manipulovaných materiálů vyžaduje různé konstrukce. Vysokozdvižné vozíky mohou být bez pohonu pojezdu a jsou pouze tlačeny. Takové vysokozdvižné vozíky se nazývají retraky. Jejich zdvih může být velmi malý, v těchto případech se nazývají již vozíky nízkozdvižnými. Naopak pro manipulaci v regálových skladech bývá zdvih velmi vysoký a konstrukce přechází do systému regálových zakladačů, kdy je výška zdvihu až 40 m.

2.0 STROJE PRO VODOROVNOU DOPRAVU Technologický aspekt strojů pro vodorovnou dopravu je jakousi podmnožinou pojmu manipulace s materiálem. Tento pojem v sobě zahrnuje i technologie vážení, skladování, nakládání a skládání apod. Z hlediska technologie lze vodorovnou dopravu členit podle účelu na : - technologickou dopravu, - dálkovou dopravu.

SPSKS

Technologická doprava transportuje materiál mezi jednotlivými operacemi obvykle v nějakém omezeném prostoru, kterým může být provoz, staveniště, lom apod. Jde tedy o dopravu na kratší vzdálenosti s pevně vymezenými trasami. Dálková doprava transportuje materiál obvykle na větší vzdálenosti a cíle jsou operativně měněny. Dalším členícím znakem dopravy je tok materiálu, který může být: - cyklický, - kontinuální. Cyklický materiálový tok transportuje materiál v určitých cyklech, které mají určitou frekvenci. Kontinuální doprava představuje spojitý transport přepravovaného materiálu. Vodorovná doprava má nějaký základní fyzikální princip, který je dominující pro přemísťování v prostoru. Z tohoto pohledu lze vodorovnou dopravu členit na: - pásovou dopravu, - automobilovou (silniční dopravu), - železniční dopravu, - říční a námořní dopravu, - potrubní dopravu, - lanovou dopravu apod.

-48-

2.1 PÁSOVÁ DOPRAVA (DOPRAVNÍKY S TAŽNÝM ELEMENTEM) Pásová doprava je z technologického hlediska určená ke kontinuálnímu transportu především sypkých látek, ale používá se i na dopravu kusových materiálů. Jedná se o dopravu převážně vodorovnou, případně mírně skloněnou. Technicky lze dopravní pás v jakékoliv podobě rozdělit podle funkce na nosný prvek a prvek tažný. U některých dopravníků mohou být tyto funkce odděleny. U většiny jsou však integrovány do jednoho prvku. Výkony pásových dopravníků jak technologických, tak i dálkové pásové dopravy se vyskytují ve velmi širokém rozsahu od velmi malých až po desítky tisíc tun za hodinu provozu. Transportní vzdálenost je v extrémním případě až 12 km. Vedle mimořádných výkonů má pásová doprava výhodu ve vysoké spolehlivosti, minimální údržbě, nízké energetické náročnosti, možnosti nakládky a vykládky v kterémkoli místě své trasy apod. Její limity jsou dány v relativně malé stoupavosti limitované úhlem 12 - 23°. Tuto lze sice zvýšit až na 45°, ale ztrácí se tak některé výhody provozu. Základním tažným i nosným elementem pásové dopravy je dopravní pás. Tyto lze členit podle šířky od stovek mm až po tisíce mm (2250 mm). Dalším třídicím znakem je materiál pásu, který může být: - dopravní pás z vyztužené pryže, - dopravní pás z oceli, - dopravní pás z drátěného pletiva. 2.1.2 KONSTRUKCE PÁSOVÝCH DOPRAVNÍKŮ

strážní váleček

SPSKS horní větev dopravníku

násypka

válečková trať

poháněcí stanice (buben)

dolní (vratná) větev

vratná stanice (buben)

Obr. 51 Charakteristická konstrukce pásového dopravníku

2.1.2.1 KONSTRUKCE DOPRAVNÍCH PÁSŮ Většina dopravních pásů je vyrobena z pryže nebo měkčeného PVC. Jejich povrch může být hladký nebo je opatřen navulkanizovanými opěrkami. Hladký povrch představuje většinu dopravních pásů. Pokud dopravní pás plní úlohu nosného i tažného prvku, je použitá pryž vyztužena (armována). Výztuž může být v několika vrstvách polyamidové tkaniny. Počet těchto vrstev udává pevnost dopravního pásu a tím i možnou délku dopravníku. Druhou možností je vyztužení ocelovými lany.

-49-

Obr. 52 Příklady povrchové úpravy pryžového dopravního pásu

krycí vrstvy pásu

krycí vrstvy pásu

textilní vložky

textilní vložky

ocelová lana

SPSKS

pás vyztužený textilními vlákny PA pás Obr. 53 Průřez hladkým dopravním pásem

pás vyztužený ocelovými lany

Existují i dopravní pásy na bázi pryže, kde je oddělena nosná funkce od tažné. Takové pásy se nazývají lanopásy. Namísto bubnů (hnacích, vratných, napínacích) a válečků jsou zde kladky. Dopravní pás z oceli se používá např. v potravinářských a farmaceutických provozech. Pás je vyroben z nerez oceli v podobě tenkého pásu. Dopravní pásy z drátěného pletiva jsou úplety. Používají se v horkých provozech k transportu popílků apod. Obecnými požadavky na dopravní pásy jsou: - odolnost proti opotřebení otěrem, - odolnost proti proražení, - vysoká pevnost a tuhost v tahu. Dopravní pásy musí být schopny spojování a oprav poškozených částí. Technologie spojování jsou mimo rámec učebnice a souvisejí mj. s vulkanizací pryže.

2.1.2.2 KONSTRUKCE VÁLEČKOVÝCH TRATÍ (HORNÍ VĚTVE) Horní větev pásového dopravníku dopravuje materiál. Dopravní pás se pohybuje po válečcích nebo kladkách. Roztečná vzdálenost válečků je asi 1 m. Tvar dopravní dráhy, který sestava válečků uděluje v průřezu dopravního pásu, rozhoduje o dopravovaném množství a je limitován dopravovaným materiálem.

-50-

přímý dopravní pás

tříválečková stolice nebo girlanda

dvouválečková stolice nebo girlanda

pětiválečková girlanda

b

h

h

b

SPSKS 2. h .b S = ——— 3

dopravní pás sbalený do kruhu Obr. 54 Průřezy pásových dopravníků

výpočet plochy paraboly

Z obrázku je patrné, že konstrukce horní větve dopravníku je možná v několika variantách konstelace válečků nebo kladek. Druhou možností je stolice nebo girlanda. Stolice drží válečky pevně na konstrukci, každý zvlášť upevněn. Girlanda je uchycena pouze v závěsech a válečky nebo kladky jsou spojeny lamelami podobně jako článkové řetězy. Dopravované množství se vypočítá ze vztahu: Vt = S . v, kde: Vt [m3 .s-1] - objem dopravovaného materiálu za jednotku času S [m2] - plocha průřezu materiálu na dopravním pásu -1 v [m . s ] - rychlost dopravního pásu. Výpočet plochy materiálu dopravovaného na dopravním pásu je záležitostí planimetrie. Pouze plocha paraboly se vypočte podle vztahu viz obrázek 54. Velikost plochy závisí na

-51-

šířce dopravního pásu a konstelaci válečků. Rychlost pásu je limitována přesypy a její hodnota je u technologické dopravy kolem 3 m.s-1 a u dálkové pásové dopravy až 6 m.s-1. Z tvaru nasypaného materiálu je zřejmé, že dopravované množství a volba tvaru korýtka horní větve pásového dopravníku souvisí s druhem dopravovaného materiálu.

2.1.2.3 KONSTRUKCE VÁLEČKŮ Z obecného schématu pásového dopravníku je patrné, že počet válečků horní větve a dolní (vratné) větve je velmi vysoký. To klade na spolehlivost této komponenty mimořádné nároky. Horní větev válečků může mít válečky v provedení: - hladký, kdy se jedná geometricky válec na povrchu kovový, - hladký pogumovaný, jde geometrický válec na povrch pokrytý pryží, - diskový váleček, má na geometrickém válci nalisovány disky, - kotoučový váleček, má na geometrickém válci nalisovány kotouče. Dolní (vratná větev) má méně válečků, protože nese pouze zatížení dopravního pásu. Jde zpravidla o konstrukce hladké nebo kotoučové.

SPSKS hladký váleček diskový váleček Obr. 55 Základní konstrukce válečků pásových dopravníků

kotoučový váleček

2.1.4 STRÁŽNÍ VÁLEČKY Strážní válečky a tzv. vyrovnávací stolice hlídají nebo dokonce jsou akčními členy automatického vyhodnocování pohybu dopravního pásu ve vztahu k ose dopravníku. Tzv. vybočení může být způsobeno řadou náhodných jevů a je třeba udržet dopravní pás v určité toleranci. Strážní válečky jsou dva proti sobě a v případě, že se dopravní pás dotkne jednoho z nich, došlo k vybočení. Existují vyrovnávací stolice, které se natočí a odvádějí dopravní pás do žádoucího směru. Dále existují válečky, které signalizují SW vybočení. Ten je dále analyzuje a eliminuje. Vedle tohoto z pohledu automatizace snímače existují i snímače rychlosti, které sledují prokluz nebo havarijní stav přetržení dopravního pásu. Je třeba mít na paměti, že v případě přerušení kontinuity toku materiálu za jednu sekundu zasype výkonný dopravník místo poruchy běžně několika m3 . s-1 .

-52-

2.1.2.5 POHÁNĚCÍ STANICE A POHÁNĚCÍ BUBNY Poháněcí stanice slouží k pohonu dopravníku. Základním konstrukčním uzlem poháněcí stanice je poháněcí buben. Ten přenáší výkon na dopravní pás třením. Pohon bubnu je asynchronním elektromotorem přes převodovku. Menší dopravníky mohou mít tzv. elektrobuben. V tomto případě se vymění u asynchronního motoru funkce statoru a rotoru a požadovaných otáček se dosáhne planetovou převodovkou. Základní schéma pohonu poháněcího bubnu je patrné z obrázku.

hnací buben

převodovka

spojka - brzda

elektromotor

SPSKS

Obr. 56 Schéma pohonu poháněcí stanice a tvar bubnu

Poháněcí buben není geometricky válec, ale má tvar dle obrázku 56. Kuželovité části jsou ovšem s mnohem menší kuželovitostí. Tato úprava slouží ke stabilizaci dopravního pásu a brání jeho vybočování. Pro zvýšení koeficientu tření jsou poháněcí bubny pokryty navulkanizovanou tvrdou pryží, která je navíc prořezána drážkami podobně jako některé dezény pneumatik. Síla tahu v dopravním pásu se vypočítá ze vztahu:

FT = Ft . eαf Tento vztah říká, že síla v tahu dopravního pásu je součinem síly z napnutí dopravního pásu a exponenciální funkce, kde exponent je součin úhlu opásání a součinitele tření. Proto dopravní pásy musí být napínány buď trvale, nebo je předepnutí součástí programového spouštění. Součinitel tření i úhel opásání lze konstrukčně také ovlivňovat. U větších pásových dopravníků se na bubnu mohou použít dva pohony (z každé strany hřídele bubnu). Pro ještě větší výkony mají poháněcí stanice dva poháněcí bubny a i ty mohou být poháněny dvěma pohony, značí se pak 2 x 2. Nejvýkonnější a nejdelší pásové dopravníky mohou mít poháněn i vratný buben 6 x 2.

-53-

Převodovky jsou mnoha konstrukcí, nejčastěji jsou kuželočelní. Ke hřídeli poháněcího bubnu mohou být připojeny „nasazením“ na jejich dutý výstupní hřídel nebo pevnou spojkou. Spojky jsou pružné a obvykle se jedná o obručové spojky, které jsou kombinované s brzdovým kotoučem. Brzda je stejné konstrukce jako u jeřábových koček na obr. 28. Brzda je ovládána elhou a při vypnutí napájení elektrickým proudem buben zastavuje. Toto opatření je nutné s ohledem na složitost spouštění linek, kde na sebe dopravníky navazují a vyskytují se zde náhodná zatížení dopravníku. Bez brzdy by mohlo dojít za určitých podmínek ke zpětnému chodu. Během několika sekund by tak došlo k zasypání přesypů.

2.1.2.6 NAPÍNACÍ ZAŘÍZENÍ Pásové dopravníky musí mít zařízení, kterým lze udržovat (případně řídit) předpětí dopravního pásu. Napínací síla je nutným předpokladem pro přenos třecí síly z poháněcího bubnu. Dalším důvodem napínání jsou změny délky dopravního pásu vyvolané změnami teplot a protažením. Napínání dopravního pásu může být trvalé. K tomuto případu dochází, jestliže je dopravní pás napínán, i když nepracuje. Druhou možností je napnutí dopravního pásu jako součást procesu spouštění. napínák

SPSKS

napnutí napínákem a lanem polohy vratného bubnu, kotvení k betonovému základu šroub

napnutí dvojicí šroubů změnou polohy vratného bubnu

závaží napnutí gravitační silou změnou polohy vratného bubnu

závaží napnutí gravitační silou ve vratné větvi dopravníku

-54-

naviják napnutí napínacím bubnem na poháněcí stanici síla vyvozena hydraulicky nebo navijákem

2.1.2.7 PŘÍSLUŠENSTVÍ PÁSOVÝCH DOPRAVNÍKŮ Pásové dopravníky jsou vybaveny řadou technických zařízení a uzlů, které zajišťují jejich diagnostiku a bezporuchový provoz. Stírače jsou zařízení, která mají za úkol stabilně čistit povrch dopravního pásu, resp. jeho krycí vrstvu. Lepivé materiály někdy dokonce vyžadují tzv. obrácení dopravního pásu tak, aby se na dolní větvi válečkové tratě dotýkala válečků čistá strana dopravního pásu, která nepřijde do styku s dopravovaným materiálem. U posledních dvou druhů napínání je patrné, že špinavá strana dopravního pásu se dotýká povrchu napínacího bubnu a to způsobuje nalepování a hutnění nesetřeného materiálu a zvětšování průměrů napínacích bubnů. Stírače mohou být: - tangenciální, - hrablové, - vibrační, - vynášecí.

SPSKS

S vozy jsou zařízení, která se používají u dálkové pásové dopravy, kdy umožňují shoz materiálu. Jejich název je odvozen od tvaru smyčky, kterou vytvářejí na dopravníku. S vůz pojíždí nad středními díly pásového dopravníku po kolejnicích. U menších dopravních pásů se ke shazování materiálu používají pluhy a lišty. Pojezdná násypka je technologicky opak S vozu. Umožňuje sypat materiál na dopravní pás po celé jeho délce. Opět se pohybuje po kolejnicích na středních dílech. Násypka je pak vždy před vratným bubnem a je to místo, kde je materiál usměrněn tvarem bočnic. Dále má násypka zesílené válečky a menší jejich rozteč, protože zde dochází ke změně hybnosti a rázům od kusovitého materiálu.

2.2 AUTOMOBILOVÁ DOPRAVA Automobilová doprava představuje nejdynamičtěji rostoucí dopravní zařízení. Z hlediska technologie můžeme automobilovou dopravu dělit na : - technologickou, - dálkovou.

-55-

Technologická doprava představuje obvykle krátké trasy a cyklická doprava zajišťuje materiálový tok mezi jednotlivými operacemi. Tomu odpovídají i účelové komunikace z hlediska jejich konstrukce, stoupání, směrových oblouků apod. Dálková doprava představuje naopak dlouhé trasy proměnlivých trajektorií. Konstrukce automobilů je odlišná, protože trasy jsou po veřejných komunikacích. Z hlediska konstrukce podvozku a účelové modifikace pro transport nákladu lze automobily rozdělit na: - nákladní automobily, - dumpery.

2.2.1 NÁKLADNÍ AUTOMOBILY Nákladní automobily se vyrábějí v různých modifikacích a provedeních. Vedle konstrukčního uzpůsobení k transportu materiálu mohou nést jejich podvozky i různá technologická zařízení. Takovými jsou autojeřáby, domíchávače, autonakladače apod. Pojem nákladní automobil je ohraničen dopravovanou hmotností, která je větší než 1 500 kg. Pro transport materiálu je dělíme podle konstrukční úpravy užitkového prostoru a podle technologie jejich nakládky a vykládky na: - valníkové, - sklápěcí, - skříňové, - cisterny, - tahače přívěsů, - tahače návěsů. Valníkový automobil má nepohyblivou ložnou plochu, která je ohraničena odnímatelnými bočnicemi a čely. Tato konstrukce je vhodná pro přepravu paletizovaného nákladu, který se nakládá a vykládá vysokozdvižnými vozíky nebo jeřáby. Sklápěcí automobil disponuje korbou, která se dá sklápět na stranu nebo na zad. Z technologického pohledu se tyto nákladní automobily používají pro přepravu sypkých a kusovitých materiálů. Nakládka je provedena nakladačem nebo podavačem. Vykládka vysypáním na místo. Skříňové automobily mají uzavřený užitkový prostor opatřený dveřmi. Tyto skříně mohou být např. klimatizovány nebo může být v jejich prostoru udržována teplota pod bodem mrazu. Dopravovaný materiál je balený nebo paletizovaný. Cisternový automobil je konstruován pro přepravu kapalin nebo velmi jemných prášků. Nákladní prostor je tvořen příslušnou cisternou. Materiál se nakládá i skládá čerpadly a potrubím, případně speciálními technologiemi pro dopravu prášků. Tahače přívěsů jsou nákladní automobily, které jsou uzpůsobeny k připojování přívěsů. Přívěs je samostatný celek, který je bez vlastního pohonu a je tažen nákladním automobilem. Tahače návěsů jsou dopravní zařízení, která jsou přizpůsobena k přepravě návěsů. Návěs je transportní zařízení, které nemá vlastní pohon. Na tahač je navěšeno kulovým kloubem. Návěsy i přívěsy mohou být opět konstruovány pro přepravu materiálu s různými vlastnostmi. Mohou být otevřené, uzavřené, sklápěcí apod.

SPSKS

-56-

nákladní automobil valníkový

nákladní automobil sklápěcí

SPSKS

nákladní automobil skříňový

nákladní automobil cisternový

přívěs

návěs

tahač návěsů Obr. 57 Schéma nákladních automobilů

terénní nákladní automobil sklápěcí

-57-

Nákladní automobily jsou dále konstruovány s ohledem na typ komunikace, po které se pohybují na: - silniční, - terénní. Silniční nákladní automobily mají podvozek uzpůsobený pohybu po komunikacích. Základním požadavkem na komunikace je jejich zpevnění s určitou nosností, maximální stoupavost a poloměry směrových a výškových oblouků. Pneumatiky a převodovky respektují možnosti zpevněných komunikací. Terénní nákladní automobily mají podvozek přizpůsobený pohybu v terénu, kde se nepředpokládá zaručená únosnost, stoupání ani poloměr směrových oblouků. Jejich pneumatiky mají hlubší dezén a převodovky jsou konstruovány pro velké převodové poměry s více stupni a tzv. předřazením. Počet náprav může být 2 – 4. Kola se mohou montovat jako dvoumontáž. Tato opatření snižují tlak na pojezdnou pláň.

2.2.2 DUMPERY Dumpery jsou někdy nazývány sklápěče. Jsou to stroje podobné terénnímu provedení nákladních automobilů. Rozdíl je v konstrukci korby. Pokud je taková korba na podvozku terénního nákladního automobilu, nazývají se tyto hybridy dumpcary. Tyto stroje jsou technologicky určeny k transportu sypkých materiálů. Existuje celá řada konstrukcí od nosnosti několika metrických centů pro manipulaci s betonovými směsmi při jejich dopravě do bednění nebo do šachet pro vrtané piloty až po stroje o nosnosti několika stovek tun pro povrchové lomy. Sklápění koreb může být „dopředu“, kdy řidič vidí, kam sype materiál, protože korbu má „před sebou“. Častější variantou je sklápění dozadu. Pro korbu je charakteristický tvar písmene V. Obvykle je korba velmi široká a hluboká, ale také krátká. Nemusí to však být pravidlem. Konstrukce stroje odpovídá požadavkům na manévrovací potřeby a různorodost povrchu pojezdové pláně. Poloměry zatáčení jsou velmi malé až extrémně malé, kdy se kloubová konstrukce otočí na místě. Rozvor náprav je malý. Pohony jsou na všechna kola. Mechanizmus sklápění je velmi mohutný a bod sklápění je v blízkosti těžiště naplněné korby. Vyklopení je velmi rychlé a natočení korby je až 90°.

SPSKS

pohled řidiče

„lehký dumper“ sklápění před řidiče

pohled řidiče

„lehký dumper“ sklápění za řidiče

Obr. 58 Schéma lehkých dumperů

-58-

kabina

korba

hydraulika vyklápění

podvozek 2 x 2

hnací agregát

Obr. 59 Základní schéma dumperu

SPSKS dumper 2 x 2

dumpcar 6 x 6

obří dumper 2 x 2

dumper 6 x 6 s kloubem

dumper 6 x 6 s kloubem

obří dumper 2 x 2

Obr. 60 Fotografie modelů dumperů

-59-

2.2.3 POHONY NÁKLADNÍCH AUTOMOBILŮ A DUMPERŮ Hnací agregáty nákladních automobilů a dumperů jsou buď vznětové spalovací motory, nebo pro největší výkony spalovací turbíny. Pohonnou látkou je nafta. Spalovací turbíny se obvykle používají pro výkony větší než 1000 kW. Vývoj hnacích agregátů směřuje ke zvýšení jejich životnosti a ke snížení emisí. Zvláště je tento trend patrný u nákladních automobilů pro dálkovou dopravu. Tyto motory dnes dosahují životnosti až 750 000 kilometrů. Emise se omezují vedle katalyzátorů i dalšími technologiemi (močovina apod.). U damperů, kde jsou v těžkých podmínkách nutné vysoké výkony motorů, jsou spaliny problémem u povrchových lomů, např. na Sibiři, kde je jámové lomy obtížné větrat. Rozdíl v konstrukci podvozku a hnacích agregátů je mezi nákladními automobily a dumpery v několika rovinách: - počet hnacích náprav, - konstrukce podvozku, - přenos výkonu na hnací kola. Nákladní automobily mají hnací nápravy pouze na kolech, kde jsou při jejich naložení největší tlaky. Jsou to zadní nápravy nebo náprava. Terénní nákladní automobily mají požadavek na pohon všech kol a tedy přenos krouticího momentu či výkonu na všechny nápravy. U dumperů jsou vyjma nejmenších strojů vždy poháněna všechna kola. Pro schopnost každého stroje, který se pohybuje na kolech po libovolném terénu, je limitující konstrukce podvozku. Základní dělení podvozků je: - podvozky s tuhým rámem, - podvozky s páteřovým rámem.

SPSKS

tuhé nápravy rám

tuhý rám podvozku s pevnou nápravou 6 x 4

tuhý rám podvozku s pevnou nápravou 6 x 6

výkyvné poloosy

páteř

-60-

páteřový rám 6 x 6 Tatra - concept

páteřový rám 8 x 8 Tatra - concept

kloubový tuhý rám Obr. 61 Tabulka tuhých a páteřových rámů podvozků

Podvozky s tuhým rámem předpokládají tuhé nápravy. Počet hnaných náprav bývá různý u terénních a silničních strojů. Dampery mají zásadně tuhé nápravy v provedení 2 x 2 nebo 6 x 6. U silničních strojů nemá smyslu hnaná přední náprava. Páteřové podvozky - Tatra koncept jsou známé u značky Tatra. Nápravy jsou zde v podobě výkyvných poloos spojených s páteří. Kinematika obou podvozků je různá a obě koncepce mají své výhody i nevýhody. Přenos výkonu na hnací kola může být: - mechanický, - hydraulický, - elektrický.

SPSKS

Mechanický přenos výkonu na hnací kola je z hlediska četnosti nejčastější. Obecné schéma přenosu je zřejmé z obrázku. motor

diferenciál

náhon (kardanka)

hnací nápravy

převodovka

diferenciál

meziosový diferenciál

Obr. 62 Schéma mechanického přenosu výkonu na hnací kola

Mechanický přenos je relativně jednoduchý a je historicky nejstarší. Mechanická převodovka může být u novějších konstrukcí relativně složitá. U silničních strojů nečiní řazení jednotlivých stupňů zvláštní potíže. U terénních nákladních automobilů a dumperů ano. Je třeba mít na paměti, že řazení znamená odpojení hnacích kol od přenosu výkonu. Zejména při řazení „dolu“ okamžik přerušení znamená zpomalení nebo zastavení stroje. Rozjezd je pak

-61-

problematický a kola mají tendenci k prokluzu. Mechanické převodovky jsou proto konstruovány s předvolbami, kdy je řazení provedeno elektrickou spojkou a trvá velmi krátkou dobu. Dále je možné tyto převodovky kombinovat s hydrodynamickými měniči. Nejnověji existují mechanické převodovky, které řadí tzv. „pod zatížením“. Jsou to principiálně planetové převodovky a převod se ovládá soustavou brzd. Diferenciál (rozvodovka) slouží k rozdělení hnacího výkonu mezi hnací kola. Diferenciál má také tzv. uzávěrku, kdy jsou obě kola spojena a otáčí se synchronizovaně. Hnací kola mohou mít díky diferenciálu různé otáčky. Kdyby tomu tak nebylo, bylo by velmi obtížné stroj směrově ovládat. Při sepnutí uzávěrky funguje celá hnací náprava jako železniční podvozek. Meziosový diferenciál dělá totéž – rozděluje hnací výkon (krouticí moment a otáčky) mezi jednotlivé nápravy, nikoli kola. Obecně pak platí, že spalovací motor má na konstrukci převodovky jiný vliv než použití spalovací turbíny. Rozdíl je v průběhu momentu hnacích agregátů. Hydraulický a elektrický přenos výkonu je vhodný pro velké výkony - obvykle nad 1000 kW. Spalovací motor nebo častěji spalovací turbína pohánějí čerpadlo nebo alternátor. Mechanická energie se tak transformuje na energii elektrickou nebo energii kapaliny. Jak elektrický proud, tak proud oleje není problém rozvést do hnacích kol, která jsou opatřena buď rotačními hydromotory, nebo elektromotory. Jak elektrický proud, tak stlačený olej lze velmi dobře regulovat a řídit. Odpadají proto konstrukční uzly, jako jsou diferenciály, předlohy převodovek, měniče momentu apod. Regulace hnacích agregátů je plynulá a je možné ji programově řídit za použití jednoduchého počítače. Z hlediska teranomiky je takový pohon ideální pro pohyb v proměnlivém terénu. Pohon lze přizpůsobit různým režimům práce, např. sleduje prokluz apod. Schéma takového pohonu je patrné z obrázku.

SPSKS

motor (spalovací turbína) rotační hydromotory (elektromotory)

čerpadlo (alternátor)

rozvaděče

hydraulické (elektrické) rozvody

Obr. 63 Schéma hydraulického a elektrického přenosu výkonu na hnací kola

-62-

2.3 LANOVÁ DOPRAVA Lanová doprava je relativně starý systém řešení dopravy ve vodorovném nebo mírně šikmém směru. Její rozvoj se dramaticky urychlil po zvládnutí technologií spojených s výrobou ocelových lan. To se stalo v roce 1850, kdy byla zvládnuta technologie patentování oceli. Lanová doprava z technologického hlediska patří do systému jak kontinuální, tak cyklické dopravy. K jejím výhodám patří: - vysoká bezpečnost při dopravě, - environmentální bezpečnost. Nevýhodou lanové dopravy je pak: - rovinnost (přímost) dráhy ve svislé rovině, - nepružnost měnit směr a vykládku, - citlivost k extrémním klimatickým podmínkám. Existuje několik rovin, podle kterých lze lanové dráhy jako transportní zařízení rozdělit. Pro účely této učebnice budeme lanové dráhy dělit podle dopravovaného materiálu: - nákladní lanovky, - osobní lanovky. Podle druhu dopravy: - lanová dráha svázaná se zemí, - lanová dráha visutá (visící).

SPSKS

Podle druhu provozu na. - kyvadlovou, - oběžnou.

Podle počtu lan na: - jednolanové dráhy, - dvojlanové dráhy. Podle druhu spojení s lanem: - pevné spojení, - provozně odpojitelné spojení. Základní blokové schéma lanové dráhy je patrné z obrázku. nosné lano (lana)

poháněcí stanice

vratná stanice (napínání)

pojezdová dráha

tažné lano

uchopovací zařízení

-63-

Obr. 64 Blokové schéma lanové dráhy

Nákladní lanovky dopravují neživý náklad. Podle druhu neživého nákladu jsou konstruována uchopovací zařízení. Mezi nejznámější patří vyklápěcí kontejnery pro dopravu sypkých hmot nebo na kulatinu. Osobní lanovky dopravují osoby a uchopovacím zařízením je sedačka, kabina, osobní vozy nebo vlečná zařízení pro lyžaře. Lanové dráhy svázané se zemí jsou charakteristické tím, že vlastní lano zde plní pouze funkci tažného zařízení a vyvozuje tažnou sílu na uchopovací zařízení, např. osobní vůz. To však svojí hmotností spočívá na pojezdové dráze - nejčastěji kolejnicích. Tato konstrukce lanových drah vyžaduje stavbu pojezdové dráhy na povrchu země. Zasahuje tak do krajiny, kterou jako každá komunikace rozděluje. V členitém terénu může být nutné zemní těleso dráhy velmi nákladné. Trasa pojezdu nemusí být přímá, může být vedena ve směrových obloucích ovšem s velkými poloměry. Výhodou těchto drah je téměř neomezenost v hmotnosti transportovaného materiálu nebo osob. Podle obecného schématu (obr. 64) nemají tyto dráhy nosné lano. Visuté lanové dráhy nemají s ohledem na obecné schéma (obr. 64) pojezdovou dráhu. Uchopovací zařízení pojíždí buď po nosném laně, kdy je taženo tažným lanem, nebo tažné lano vykonává zároveň funkci lana nosného. V takovém případě chybí i nosné lano podle obr. 64.

SPSKS lanová dráha svázaná se zemí (osobní vůz)

lanová dráha visutá jednolanová (kabina)

lanová dráha visutá dvojlanová Obr. 65 Základní rozdělení lanových drah

lanová dráha visutá dvojlanová

Z obrázku 65 je patrno, že dvojlanové visuté dráhy mohou nosné lano používat jako nosný prvek pro nesení kladek, které podepírají tažné lano. V tomto případě je tažné lano zároveň lanem nosným, protože mezi jednotlivými zavěšenými kladkami zátěž uchopovacího prvku nesou. Nosné lano umožňuje u velkých rozpětí ve stovkách metrů podepírat druhé lano na libovolném počtu míst bez použití stožárů. Takové konstrukce se volí např. při překlenování jezer, kde je obtížné stavět stožáry.

-64-

Druhou variantou je nosné lano, které slouží jako pojezdová dráha. Druhé lano pak vykonává pouze funkci tažného prvku. Tato konstrukce je identická s konstrukcí kočky kabelového jeřábu bez zdvihu. Kyvadlová lanová dráha je konstruována tak, že transportované břemeno je dopravováno kyvadlově po jedné větvi lanové dráhy. Z hlediska použití tohoto řešení je zřejmé, že se jedná o cyklickou dopravu. Dráha svojí délkou prodlužuje délku cyklů. Konstrukce takové lanovky může být jak svázaná se zemí, tak visutá. Pokud se toto řešení použije ve stoupání, je možné kyvadlovou lanovou dráhu konstruovat s protizávažím nebo jedna větev hmotnostně kompenzuje druhou větev (lanová dráha na Petřín). Oběžné lanové dráhy jsou konstruovány tak, že uchopovací zařízení obíhá po obou větvích lanové dráhy, která je poháněna stejným směrem.

SPSKS

kyvadlová lanová dráha bez protizávaží

kyvadlová lanová dráha s protizávažím

kyvadlová lanová dráha s vyvažovacím břemenem v protilehlé větvi

-65-

oběžná lanová dráha Obr. 66 Tabulka schématického rozdělení lanových drah podle druhu provozu

Pevné spojení lana s uchopovacím zařízením je používané u lanovek svázaných se zemí i u lanovek visutých. Pevné spojení předurčuje použité uchopovací zařízení ve smyslu, bude to vůz, kabinka, sedačka kontejner apod. K lanu jsou spojeny svorkami, které jsou sice rozebíratelné (šrouby), nikoli však za chodu. Je nutné si uvědomit skutečnost, že pevné spojení předpokládá provádět nakládku a vykládku prakticky za chodu v cyklech, které jsou daných roztečemi umístěnými mezi uchopovacím zařízením. Nebo se v případě kyvadlové lanovky musí zastavit celé soustrojí. Odpojitelné uchopovací zařízení umožňuje za chodu, resp. pohybu lana, odpojit uchopovací zařízení, naložit jej nebo vyměnit za jiný typ a opět připojit k lanu. Odpojené uchopovací zařízení přenese svou zátěž na tzv. lanovkovou kolejnici a přemístí se tak do jakéhosi zásobníku, kde může delší dobu stát. Takových zásobníků může být víc s tím, že mohou nést např. jiný typ uchopovacího zařízení. Takto lze např. střídat sedačky s kontejnery na dopravu jízdních kol za sebou. Teoreticky lze nosné lano lanové dráhy zbavit všech uchopovacích prvků.

SPSKS „zásobník“

sjezd uchopovacího zařízení

nájezd uchopovacího zařízení

Obr. 67 Schéma stanice lanové dráhy s odpojitelnou čelistí

-66-

sjezd čelistí uchopovacího zařízení

fáze rozpojení čelistí

lano

lanovková kolejnice

Obr. 68 Schéma konstrukčního uzlu odpojení čelistí uchopovacího zařízení a sjetí na kolejnici zásobníku

2.3.1 POHONY LANOVÝCH DRAH Lanové dráhy mají vždy nakládací a vykládací stanici. V jedné z nich je umístěn pohon. Pohon je konstrukční uzel lanové dráhy, který zajišťuje přenos síly v tahu na tažné lano. Spouštění pohonu je programové, protože délky lanovek mají různou setrvačnost a platí přímá úměra, že čím větší setrvačné hmoty všech částí, které se spolu s tažným lanem pohybují, tím delší je nutné umožnit rozběh. Pohon musí být opatřen brzdou, která pracuje na stejném principu a se stejnou filozofii jako navijáky, např. jeřábů. V případě výpadku napájení motorů musí zabrzdit pohyb lana, aby nedošlo ke zpětnému pohybu.

SPSKS

hnací kladka

rám pohonu

napínání

převodovky (např. albox)

elektromotor s brzdou

Obr. 69 Schéma pohonu lanové dráhy s napínáním

Kladka poháněcí stanice musí být schopna přenést sílu tahu do tažného lana. Konstrukční řešení takové kladky vyžaduje spolehlivou hodnotu součinitele tření mezi drážkou kladky a lanem. Tento požadavek se řeší pogumováním vnitřku drážky. Dalším faktorem, který limituje přenos síly do tažného lana, je úhel opásání. Podle známé rovnice: FT ≥ Ft . eαf Pohon na obrázku 69 je pohonem nejjednodušším, protože hnací kladka má „jednu“ drážku. Je zřejmé, že úhel opásání je v takovém případě kolem hodnoty 180°. Takové řešení je nejjednodušší a nejčastěji užívané. Zvětšení úhlu opásání je možné za použití „dvojdrážkové“ nebo dokonce „trojdrážkové“ hnací kladky. Tažné lano se v těchto případech pohybuje ve šroubovitě provedené drážce hnací kladky za pomoci dalších kladek.

-67-

1 2

3 4

opásání na jednodrážkové hnací kladce

opásání na dvojdrážkové hnací kladce křížové

1

3

2

4

SPSKS

opásání na dvojdrážkové hnací kladce přímé opásání na trojdrážkové hnací kladce přímé Obr. 69 Schéma způsobů opásání tažného lana na poháněcí kladce

2.3.2 PODPĚRY VISUTÝCH LANOVÝCH DRAH Lana visutých lanových drah, ať již nosná nebo tažná, jsou nesena na soustavě podpěr, které určitým způsobem kopírují nebo respektují terén, kde je visutá dráha postavena. Jejich konstrukce jsou příhradové nebo modernější - plnostěnné nebo dokonce skořepinové. Výšky podpěr se mění s ohledem na niveletu tak, že při kopírování terénu osou lana nebo lan se na nich tato „zalamují“ v malých úhlech do 3° a kladných úhlech. Jsou možné i výjimky, ale mají za následek zvýšené namáhání lana. Výšky podpěr se mohou měnit, ale jejich hlavy jsou u všech podpěr stejné. Konstrukční materiál je nejčastěji ocel. Vzdálenost podpěr je dána terénními možnostmi a rozhoduje také o typu lanovky ve smyslu jednolanová a dvojlanová.

Obr. 70 Schéma podpěr visutých lanových drah v členitém terénu -68-

Obr. 71 Schéma konstrukcí podpěr visutých lanových drah

2.4 ŽELEZNIČNÍ (KOLEJOVÁ) DOPRAVA

SPSKS

Železniční doprava je cyklická doprava, která může být provozována jako technologická i dálková. Z hlediska technologie použití kolejové dopravy je nutné respektovat určitá omezení ve stoupání, která jsou výrazně menší než u ostatních typů vodorovné dopravy. Druhým omezením jsou poloměry směrových oblouků (poloměry zatáčení), které jsou výrazně vyšší než např. u dopravy nákladními automobily. Investice do vleček a železničních tratí jsou značné, proto volba tohoto typu dopravy vyžaduje splnění určitých ekonomických podmínek. Právě nutnost nivelizovat tzv. železniční svršek s velkými poloměry zatáčení a masivní konstrukcí je příčinou vysokých investic. Na straně druhé se kolejová doprava vyznačuje minimálními energetickými nároky na transport. Ten je způsoben jednak redukcí stoupání a minimálními hodnotami valivého odporu. Doprava je uskutečňována kolejovými vozy – vagóny, které lze v zásadě rozdělit na: - vozy osobní, - vozy nákladní. Vozy osobní lze dále dělit na osobní, lehátkové, lůžkové, restaurační, služební, poštovní a speciální. Konstrukčně se tyto vozy odlišují v odpružení a vybavenosti, např. samostatným elektrickým rozvodem apod. Vozy nákladní jsou konstruovány s ohledem na typ přepravovaných nákladů. Bývají dvounápravové nebo podvozkové, přičemž mají obvykle dvounápravové podvozky. Jejich konstrukce odpovídá nižším rychlostem a odpružení má nižší nároky než u osobních vozů. Nákladní vozy rozlišujeme: - zavřené nákladní vozy, - otevřené vysokostěnné nákladní vozy, - otevřené nízkostěnné nákladní vozy, - plošinové nákladní vozy, - výsypné nákladní vozy, - cisternové nákladní vozy,

-69-

-

speciální nákladní vozy (např. pro přepravu v hlubinné těžbě).

zavřený vůz dvounápravový

otevřený vysokostěnný nákladní vůz

otevřený nízkostěnný nákladní vůz

plošinový nákladní vůz

výsypný nákladní vůz

cisternový nákladní vůz

SPSKS

Obr. 72 Schéma konstrukcí základních nákladních vozů

2.4.1 KONSTRUKCE ŽELEZNIČNÍHO SVRŠKU Železniční svršek je konstrukce na zemním tělese, která tvoří jízdní dráhu kolejovým vozidlům. Jízdní dráha nejenom nese drážní vozidlo, ale také jej vede. Základními součástmi železničního svršku jsou koleje (kolejnice, výhybky, upevňovadla, pražce) a kolejové lože.

Obr. 73 Násyp a zářez jednokolejné trati v přímé koleji

-70-

Železniční svršek u dálkové kolejové dopravy je velmi složité stavební dílo. Ve směrových obloucích bývají kolejové lože, pražec a kolejnice skloněny. Je tomu tak proto, že konstrukce svršku musí zachycovat odstředivé síly projíždějících souprav. U vícekolejných tratí je nutné v obloucích měnit také rozteč tratí. Minimální poloměr směrového oblouku je 180 m a zvětšuje se s požadovanou rychlostí. Pro stoupání nebo klesání je maximum 35 ‰ (promile). U technologické dopravy se předpokládá příčný posun kolejiště s ohledem na těžbu. V takovém případě jsou pražce konstruovány jako ližiny, které lze posouvat stejnými technologiemi jako střední díly dálkové pásové dopravy. kolejnice pro přesun tratě

koleje

Obr. 74 Schéma kolejiště pro příčné posouvání u technologické dopravy

Technologie přesouvání je umístěna na těžkém dozeru. Na stroji je umístěno rameno, které nese hlavici. Ta se odvaluje po kolejnici pro přesun tratě, kterou nadzvedne a posune asi o 1 m ve směru šipky. Přejížděním dozeru se docílí postupného přesunu kolejiště.

SPSKS

2.4.2 ROZCHOD KOLEJÍ

Rozchod kolejí vyjadřuje vzdálenost mezi vnitřními hranami hlavy kolejnic. Není to tedy klasická rozteč, která udává vzdálenost os. Tato míra se měří 14 mm pod temenem hlavy kolejnice. Rozchod je dalším významným třídícím znakem železniční dopravy. Ve směrových obloucích je tento rozchod obvykle zvětšen, protože tak umožňuje lepší průchod podvozků. Technologická doprava má rozchody menší (úzké), protože se užívají v hlubinných dolech. Platí také, že menší rozchody umožňují menší poloměry směrových oblouků. Rozchody jsou: 1. normální rozchody - 1435 mm rozšířený v Evropě - 1372 mm Japonsko 2. široké rozchody - 1664 mm Portugalsko - 1600 mm Irsko, Brazílie, Austrálie - 1524 mm Rusko a země bývalého SSSR 3. úzké rozchody - 1200 mm Švýcarsko - 1067 mm kapský rozchod na jihu Afriky, Austrálie, Nový Zéland - 1000 mm úzkorozchodné dráhy ČR 4. rozchody průmyslových a polních drah - 610 mm vojenské dráhy - 600 mm polní průmyslové dráhy, kolejnice v hlubinné těžbě

-71-

- 450, 600, 750, 900 mm kolejnice v hlubinné těžbě

2.4.3 KOLEJNICE Kolejnic je více druhů a tyto se ještě dále rozlišují podle velikosti. Jsou to ocelové válcované součásti. Minimální pevnost oceli se uvádí 650 MPa. Po hlavách kolejnic se pohybují ocelová kola. Valivé tření ocel – ocel je základním předpokladem pro velmi malé hodnoty valivého tření.

Obr. 75 Příčné řezy kolejnic: širokopatní, žlábková, dvouhlavá

2.4.4 TAŽNÁ ZAŘÍZENÍ KOLEJOVÉ DOPRAVY Tažná zařízení kolejové dopravy mají za úkol vyvozovat tažnou sílu, která je potřeba k pohybu vagónových souprav po kolejích. Základním prostředkem k vyvozování tažné síly jsou lokomotivy. Tyto můžeme rozdělit podle rozchodů tratě. Další dělící rovinou je druh pohonu, který může být: - elektrický, - dieselový, - plynoturbínový.

SPSKS

Elektrický pohon u dálkové kolejové dopravy je možné členit podle napájecích soustav, které mohou být stejnosměrné nebo střídavé. Dále elektrické napájecí soustavy rozlišujeme podle napětí a frekvencí. Pro Evropu jsou nejběžnější: - 750 V ss - 15 kV 16,7 Hz - 3 kV ss - 1,5 kV ss - 25 kV 50 Hz Vedle uvedených elektrifikačních soustav existují ještě další s menší četností výskytu. Nejmodernější elektrické lokomotivy dnes dokáží pracovat ve více soustavách díky moderním polovodičovým měničům. Pohon lokomotivy spalovacím motorem se používá u neelektrifikovaných tratí. Přenos výkonu motoru se realizuje mechanicky, kdy se převodový poměr plynule mění v hydrodynamickém měniči. Modernější a lépe ovladatelné jsou však dieselelektrické pohony. Jejich popis je uveden např. u pohonu dumperů. Z technologického hlediska jsou tyto stroje používány k posunovacím pracím při řazení vagónů apod.

-72-

Řazení lokomotiv je obvykle na konci vlakové soupravy, přičemž lokomotiva je „vepředu“ soupravy. Zejména v zahraničí se dlouhé vlakové soupravy vybavují dvěma i více lokomotivami. Řízení lokomotiv v podobě synchronizace výkonů je poměrně složité. Lokomotivy pro technologickou dopravu, které se pohybují na kolejnicích s malým rozchodem, se mohou skládat ze dvou i tří samostatných soustrojí. Je to kompromis, kdy je nutná těžká čili dlouhá lokomotiva a poloměry směrových oblouků jsou malé. Hmotnost lokomotivy determinuje tažnou sílu v podobě smykového tření. Pro speciální technologické účely mohou být soupravy taženy namísto lokomotivami např. navijákem. Konstrukční uspořádání tak připomíná kyvadlovou lanovou dráhu bez protizávaží. Toto řešení se používá např. při nakládání vagónů sypkým materiálem, když je nutné přesně řídit rychlost pohybu soupravy, která musí synchronizovat plnění jednotlivých vagónů. 2.4.5 VYKLÁDKA A VYPRAZDŇOVÁNÍ VAGÓNŮ Železniční doprava umožňuje dopravovat na velké vzdálenosti velmi rozdílné náklady s rozměry, které odpovídají tzv. profilu trati. Vedle základních vozů (obr. 72) existují i vozy speciální, které slouží k transportu speciálních nákladů, jako jsou automobily, kapaliny, stlačené plyny, mražené výrobky apod. Technologie vykládky je také silně ovlivněna paletizací a kontejnerizací, díky čemuž lze řadu operací provádět velmi rychle a efektivně. Nejobtížnější je vykládka sypkých kusovitých hmot. Je tomu tak proto, že jejich objemy jsou velké a vykládkových míst je mnoho. Volba technologie vykládky závisí na mnoha faktorech. Sypké hmoty se z vagónů vyprazdňují: - dvoušnekovým vykladačem, - drapákem, - použitím výsypných vagónů, - výklopníky. Dvoušnekové vykladače patří mezi relativně staré technologie stejně jako mechanická lopata. Používají se při vykládce sypkých hmot z otevřených vysokostěnových vagónů. Dnes se spíše používá drapák, a to drapák dvoučelisťový. Výsypné vagóny jsou moderní technologií vykládky a používají se u velkých objemů dopravovaných hmot. Vykládací místo se může měnit s ohledem na délku tratě. Výklopníky jsou použitelné tam, kde je nutné na jednom místě vykládat desítky vagónů denně do zásobníků. Výklopníky mohou být podélné a příčné.

SPSKS

naplněný železniční vagón

šneky

pohon šneků posuv šneků

pásový dopravník

dvoušnekový vykladač

-73-

výsypný vagón

výsypný vagón

SPSKS schéma podélného vyklápění vagónu

schéma příčného vyklápění vagónu

Obr. 76 Schéma vykládky a vyklápění vagónů

2.5 STROJE PRO DOPRAVU ŘÍČNÍ A NÁMOŘNÍ Technologie dopravy po vodní hladině představuje ekologicky nejčistší způsob transportu materiálu. Podmínkou je splavná říční cesta nebo umělý kanál. Stavba umělých kanálů je investičně ještě náročnější, než je tomu u železniční trati. I pro tuto technologii dopravy platí, že ji lze rozdělit na dálkovou a technologickou. Technologická doprava souvisí s technologií těžby z vody. Zde představuje operaci doprava mezi vytěžením a dalším zpracováním a následnou expedicí. Fyzikální princip této dopravy spočívá na vztlaku, který je formulován Archimédovým zákonem. Bez relativně formulačně složitých definic lze konstatovat, že 1 m3 trupem lodi vytlačené vody unese těleso o hmotnosti 1000 kg. Je zřejmé, že vyrobit plováky nebo trup lodi, které vytlačí stovky a tisíce krychlových metrů vody, není zvláště složitý problém. Nosnost plovoucích transportních zařízení je proto největší ze všech.

-74-

Námořní doprava je především dopravou dálkovou. Námořní lodě jsou konstruovány obvykle jako větší a s větším ponorem. S ohledem na přepravovaný materiál mohou být členěny na lodě kontejnerové, tankery, lodě pro přepravu sypkých materiálů, trajekty apod. Říční doprava se vyznačuje omezeným ponorem s ohledem na splavnost řek, hodnota ponoru naplněné lodi nebo člunu je v rozmezí 1,3 – 2 m. Pokud má říční koryto nedostatek vody nebo větší hodnotu spádu, budují se pro splavnění jezy.

2.5.1 NÁKLADNÍ ČLUNY Nákladní čluny jsou transportní zařízení pro dopravu materiálu po vodě, které nemají vlastní pohon. Jsou, podobně jako např. železniční vagóny, tlačeny nebo vlečeny, tažným zařízením, které se nazývá remorkér. Z hlediska konstrukce můžeme nákladní čluny rozdělit na: - nákladní čluny s pevným dnem, - samovýsypné čluny, - samovykládací čluny. Nákladní čluny s pevným dnem se používají především v dálkové dopravě. Tyto mohou mít výjimečně i vlastní pohon, ale obvykle jsou tlačeny nebo vlečeny. Vlečení i tažení může probíhat s jedním nákladním člunem nebo je možné v sestavě. Tato skupina nákladních člunů má nejuniverzálnější použití, protože může přepravovat libovolný druh materiálu. Vykládka je u kontejnerů a paletizovaného materiálu prováděna přístavními jeřáby. U materiálů sypkých se vykládají obvykle drapákem nebo se u velkých objemů používá technologie vybírání speciálními kolesy, dokonce lze člun i obrátit v suchém doku.

SPSKS

Samovýsypné čluny se používají především v technologické dopravě, kde transportují plovoucími rypadly vytěžený materiál (štěrkopísek, písek, štěrk) na tzv. vodní skládku, která je pod vodní hladinou. Pohyb těchto člunů je zásadně vnější silou, kterou zajišťují remorkéry, ale pro velmi přesné polohování nebo synchronizaci pohybu se využívá i navijáků. Vykládka probíhá „do vody“ prostým otevřením dvojice vrat dna člunu. Tato se sama vztlakem následně zavřou. Konstrukce samovýsypného člunu je patrná z obrázku č. 78. Čluny se odlišují počtem sekcí výsypek, čímž se prodlužuje jejich délka.

ložný prostor násypky plovákové těleso

výsypná vrata (uzavřená a otevřená)

Obr. 77 Příčný průřez samovýsypného člunu

-75-

kormidlo

plovák člunu vystavený vztlaku

nákladový prostor

pacholata

otevírací vrata

sekce výsypek 14 – 18 m podle počtu sekcí

Obr. 78 Samovýsypný člun pro dopravu štěrků - vykládka do vody

Nosnost samovýsypných člunů je 100, 150 a 200 tun. Jedna sekce, resp. pár, odpovídá nosnosti 50 t. Těleso člunu je ocelové a svařované a výtlačný prostor je rozdělen do sekcí, které jsou vodotěsné. Každá výsypka má svoje výsypná dvoukřídlá vrata. Ta jsou dutá a po odjištění pojistky náklad svojí hmotností vrata otevře. Po vysypání se sama zavřou vztlakem a jejich poloha se zajistí. Existují i jiné konstrukce zavírání, protože zpětné uzavření obou křídel výsypných vrat je doprovázeno silným nárazem.

SPSKS

Samovykládací čluny jsou konstruovány s tím, že technologie dopravy vyžaduje dostat vytěžený štěrk z vody na volnou skládku, ovšem na zemi.

pohon - kormidlo

násypky

plováky

Obr. 79 Samovykládací člun

-76-

pásový dopravník

Tyto stroje mají vlastní pohon a nepotřebují remorkér. Trup stroje je v loďařské terminologii katamarán, kdy vztlak zajišťují dva trupy. Mezi jejich plováky je pod násypkami umístěn pásový dopravník. Jednotlivé sekce násypek se pozvolna vypouštějí na pohybující se dopravník. Přesyp dopravníku je vyveden na pevninu do násypky. Výpust je segmentové konstrukce. 2.5.2 KONSTRUKČNÍ UZLY NÁKLADNÍCH ČLUNŮ Plováky (trup lodi) jsou ocelové svařence z plechů. Trup může být jeden nebo dva. Uvnitř je rozdělen vodotěsnými přepážkami, které zvyšují bezpečnost v případě porušení těsnosti a zároveň zvyšují tuhost trupu. Jednotlivé sekce jsou přístupné kontrole pomocí utěsněných dvířek. přepážky

komory

hladina vody

SPSKS

Obr. 80 Trup samovýsypného člunu

Při transportu vytěženého materiálu musí být v rovnováze dvě síly – gravitační síla a síla vztlaku. Gravitační síla zahrnuje hmotnost celé konstrukce člunu spolu s hmotností přepravovaného materiálu. Síla vztlaku je dána součinem objemu vytlačené vody trupem, měrné hmotnosti vody a gravitačního zrychlení.

Fg = m . g

Fvz = V . ρvod . g

Při nakládání nebo vykládání člunu se mění hmotnost a při rovnováze sil je jedinou proměnnou objem vytlačené vody. Při těchto operacích se tedy mění objem vytlačené vody, což se projevuje změnou polohy čáry ponoru.

-77-

Pacholata jsou sloupky nebo soustavy sloupků, které slouží k uchycení lan ovíjením. Umisťují se na palubu trupů lodí, remorkérů, člunů a také na přístavní hráze a stěny plavebních komor. Podle účelu použití rozlišujeme pacholata: - vyvazovací, - vlečná, - manipulační. Konstrukčně jsou pro úvazy lanové kruhového průřezu a pro úvazy řetězové mají průřez čtvercový. Technologie manipulace plavidly vyžaduje možnost rychlého a operativního připevnění plavidel. Je třeba si uvědomit, že z pohledu zákona setrvačnosti jsou plavidla setrvačné hmoty o hmotnostech desítek až statisíců tun.

jednoduché pachole Obr. 81 Konstrukce pacholat

dvojité pachole

Pohon člunu se uplatňuje u samovykládacích člunů. S ohledem na konstrukci člunů je vhodné mít spalovací motor na palubě. Lodní šroub musí být za všech stavů pod vodní hladinou. Reverzace chodu je řešena otočením lodního šroubu o 180°. Tento pohon se nazývá Z propulzor.

SPSKS

lodní šroub v ochranném prstenci

kuželový převod

hnací agregát

spojka

záď plavidla

Obr. 82 Schéma pohonu Z propulzor

-78-

2.5.3 REMORKÉRY Remorkér je samostatné plavidlo s výkonnou hnací jednotkou, které je konstrukčně přizpůsobeno k vlečení nebo tažení nákladních člunů. Trup lodi je jednoduchý, ale existují i konstrukce katamaránu. Reverzace tažné síly se provádí speciální převodovkou, kde se požadované soukolí zapne spojkou.

Obr. 83 Fotografie tlačných remorkérů

2.6. ŠNEKOVÉ DOPRAVNÍKY

SPSKS

Šnekové dopravníky patří do skupiny kontinuální a zároveň technologické dopravy. Transportní vzdálenost je v řádu desítek metrů. Jsou určeny k dopravě sypkých hmot s menší zrnitostí, dále pak kašovitých látek a v některých případech i kapalin. Konstrukčně jsou velmi jednoduché a historicky se jedná o velmi starou konstrukci (Archimédův šroub). Fyzikální princip funkce požaduje pouze podmínku, aby součinitel tření materiálu o stěny žlabu byl větší než tření o povrch šneku. Vedle transportu materiálu jsou tato zařízení schopna i vysoké míry mísení nebo promíchávání. Stoupání šroubovice může být pravé nebo levé. Směr dopravy lze jednoduše měnit reverzací otáček. Šnek se pohybuje ve žlabu ve tvaru písmene U nebo i v trubce.

otáčivý pohyb šneku

postup materiálu

plná šnekovice

-79-

obvodová šnekovice

lopatková šnekovice

plná šnekovice

obvodová šnekovice

lopatková šnekovice

SPSKS

Obr. 84 Konstrukční uspořádání šneků šnekových dopravníků

Vedle funkce dopravy a promíchávání lze technologii šnekové dopravy využít i k jiným operacím. Některé jsou zřejmé z obrázku č.84.

doprava materiálu

rozdělení materiálového toku do dvou větví

spojení dvou materiálových toků do jednoho

Obr. 84 Možnosti šnekových dopravníků při uspořádání levo a pravotočivých šroubovic

-80-

2.6.1 KONSTRUKČNÍ UZLY ŠNEKOVÝCH DOPRAVNÍKŮ Nejdůležitější součástí šnekového dopravníku je šnek. Šnekovice jsou vyrobeny z ocelového plechu, kdy polotovar je mezikruží. Plné šnekovice se používají pro dopravu sypkých a jemně zrnitých nelepivých materiálů. Obvodové a lopatkové šnekovice opět vychází z polotovaru mezikruží. Hřídel šnekovice je nejčastěji trubka nebo i plný kruhový průřez. Žlab je konstrukční uzel šnekového dopravníku, ve kterém se otáčí šnek. Materiál koryta je ocelový plech, který může být obložen abrazivním materiálem, jako je pryž nebo speciální materiály.

excentrické uložení šneku

symetrické uložení šneku

šnek v trubce

Obr. 85 Schéma uložení šnekovice ve žlabu a trubce

SPSKS

Excentricita uložení šneku ve žlabu se používá v případě nebezpečí drcení zrn mezi stěnou žlabu a šnekem. Pohon šneku je zajištěn elektromotorem a převodovkou přes pojistnou spojku. Otáčky šneku se odlišují v závislosti na dopravovaném materiálu (viz tabulka). Výkon v objemových jednotkách za jednotku času je dán vztahem: π . D2 QV = ——— . s . ψ . n . cH [m3 . s-1], 4 kde: D [m] - průměr šnekovice, který se volí z řady 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630 mm, s [m] - stoupání šroubovice - obvykle s = 0,8 D, n [s-1] - otáčky šneku, ψ [-] - součinitel plnění (procentuální zaplnění průmětu plochy šnekovice materiálem), cH [-] - součinitel zohledňující úhel sklonu osy šnekového dopravníku. základní vlastnosti materiálu neabrazivní, lehký práškovitý až zrnitý materiál neabrazivní zrnitý a práškovitý abrazivní velmi abrazivní, hrubě kusovitý, lepivý

příklad materiálu uhelný prach, mouka, zrní, práškové vápno, granulovaná krmiva drobné uhlí, hrubozrnná sůl, cement a písek drobný koks, hrubozrnné vápno

-81-

n [s-1]

ψ[-]

2-4

0,45

1-2

0,3

0,2 - 1

0,15

2.7 POTRUBNÍ DOPRAVA (PNEUMATICKÁ A HYDRAULICKÁ) Pneumatická a hydraulická doprava slouží jako technologická kontinuální doprava, která slouží k transportu zrnitého sypkého materiálu. Nejpoužívanějším plynem pro pneumatickou dopravu je vzduch, pro hydraulickou je to voda. Fyzikální princip pro pohyb zrna v tekutině je založen na působení třech sil: - gravitační síla, - vztlak, - odpor proudění v tekutině. Poznámka: Pojem tekutina je zobecněním pojmu kapalina a plyn. Jejich společnou vlastností je viskozita a platnost Archimédova zákona. síla vztlaku Fvz = V . ρtek . g S . v2 . ρtek . cx síla odporu proudění Fo = —————— 2

proud tekutiny rychlostí „ v“

S

gravitační síla Fg = m . g = V . ρzr . g

SPSKS

Obr. 86 Schéma působení sil na zrno ponořené v proudící tekutině

Gravitační síla je síla, která působí na každé těleso o nenulové hmotnosti. Gravitační síla působí vždy směrem ke středu Země. Vypočítá se podle vztahu: Fg = m . g = V . ρzr . g, kde: m [kg] - hmotnost tělesa, V [m3] - objem tělesa, ρzr [kg.m-3] - měrná hmotnost zrna, g [m.s-2] - gravitační zrychlení, bere se hodnota 9,81 m.s-2. Vztlaková síla vychází z Archimédova zákona, kdy předpokládáme, že celé zrno (těleso) je ponořené v tekutině – neplave. Vektor vztlaku působí na ose gravitační síly, ale působí vždy opačně. Vztah pro výpočet vztlakové síly je dán: Fvz = V . ρtek . g, kde: ρtek [kg.m-3] - měrná hmotnost tekutiny pro vodu je 1000 kg.m-3, pro vzduch 1,36 kg.m-3. Síla odporu proudění v tekutině působí vždy ve směru vektoru proudící tekutiny a na jeho ose. Tento směr může být, na rozdíl od předcházejících vektorů, obecný. Tato síla je dána vztahem:

-82-

v2 . ρtek . cx Fo = ——————, 2 kde: S [m2] - průmět plochy zrna na rovinu kolmou na vektor proudění tekutiny, v [m.s-1] - rychlost proudění tekutiny, cx [-] - součinitel odporu proti proudění nalezne se v tabulkách. S.

Gravitační síla se nemůže měnit, pokud se těleso nepohybuje vysokou rychlostí. Součtem sil vztlaku a odporu proudění získáme výslednici, která určuje směr pohybu zrna.

Fvz = V . ρtek . g

S . v2 . ρtek . cx Fo = —————— 2

=0

=0

>0

>0

grafický součet vektorů

pohyb tělesa

těleso je ve vakuu a jedinou silou je síla gravitační a ve směru vektoru zrychlení klesá

SPSKS =0

těleso je ponořeno v tekutině, která neproudí a působí na něj pouze vztlaková síla. Těleso může plavat, může se vznášet a může klesat. Záleží pouze na výslednici dvou sil – gravitační síly vztlaku.

>0

Těleso je ponořeno v tekutině, která proudí např. kolmo k nositelkám vektorů gravitace a vztlaku. Výsledný pohyb je křivka, která má tečnu ve výslednici třech sil. Tento směr může být různý.

Obr. 87 Schéma pohybu zrna v závislosti na konstelaci gravitační síly, vztlakové síly a síly odporu proudění

Velkou výhodou této technologie dopravy je bezprašný provoz, snadné řízení a možnost kombinovat transport s jinými technologickými operacemi. Energeticky je však tento způsob dopravy velmi náročný. K pohybu částic jsou třeba vztlaková síla a síla odporu. Vztlaková síla je větší u vody, avšak řada transportovaných materiálů nesmí být namočena ani přijít do styku s vodou. Sílu odporu docílíme pohybem tekutiny v potrubí. Tekutinu uvedeme do

-83-

pohybu tlakovým spádem. Ten můžeme vyvolat sáním (tedy pod tlakem) nebo přetlakem (tedy vháněním tekutiny). Podle toho rozdělujeme tuto dopravu na: - podtlakovou, - přetlakovou, - kombinovanou. 2.7.1 PODTLAKOVÁ DOPRAVA Systém podtlakové dopravy se používá k dopravě zrnitých a sypkých materiálů z několika míst do místa jednoho. Zdrojem podtlaku je výkonná vývěva, která vytváří podtlak v celém systému. Při nasávání se tekutina pohybuje a unáší s sebou transportované částice. Je zjevné, že takový systém nemůže u pneumatické dopravy prášit, protože každá netěsnost umožňuje pouze směr proudění dovnitř potrubí. vstup materiálu

odvod vyčištěné tekutiny

násypky

zdroj podtlaku (vývěva, čerpadlo)

odlučovač

dávkovač

nasávání tekutiny

SPSKS dávkovač

směšovač

zásobník

výstup materiálu

Obr. 88 Schéma podtlakové dopravy

Materiál určený k transportu je uložen v násypkách. Z nich je dávkován dávkovačem, který nedovolí přisávání tekutiny z násypek. Regulované množství zrnitého materiálu se ve směšovači smíchá s tekutinou a takto vzniklá suspenze nebo dým se pohybuje potrubím na určené místo. Zde se dostává do odlučovače ve směru tečny k jeho kruhové nádobě. Odstředivou silou jsou těžší částice dopraveny k povrchu nádoby a zde klesají. Tekutina se odvádí z odlučovače čistá ven nebo znovu do oběhu. Přepravený materiál je opět dávkovačem přemístěn do zásobníku. I tento dávkovač musí udržet podtlak v odlučovači. Poznámka: Dávkovače jsou konstruovány jako turniketové a jsou zmenšeninou turniketů pro tzv. nafukovací sportovní haly.

-84-

2.7.2 PŘETLAKOVÁ DOPRAVA Přetlakové systémy dopravy se odlišují použitým tlakovým spádem na nízkotlaké, středotlaké a vysokotlaké. S ohledem na ztráty v potrubí lze konstatovat, že platí úměra – čím větší tlak tekutiny, tím větší dopravní vzdálenost. Z odborné literatury a provozu lze získat údaje o množství dopravované látky v závislosti na tlaku: - nízkotlaká doprava - 1 kg vzduchu dopraví 0,5 – 3 kg materiálu, - středotlaká doprava - 1 kg vzduchu dopraví 3 – 12 kg materiálu, - vysokotlaká doprava - 1 kg vzduchu dopraví 15 – 150 kg materiálu. odvod vyčištěné tekutiny

vstup materiálu

násypka

odlučovač

dávkovač

dávkovač

směšovač

SPSKS

zásobník

zdroj přetlaku (dmychadlo, čerpadlo)

výstup materiálu

Obr. 89 Schéma přetlakové dopravy

Přetlakový systém dopravy má vysoké nároky na těsnost dopravních cest, protože každá netěsnost má tlakový spád a ten sebou vynáší transportovaný materiál. Dávkovače mají stejnou funkci jako u podtlakové dopravy, pouze tlakový spád je opačný a zabraňují tedy vyfukování tekutiny.

2.7.3 KOMBINOVANÁ DOPRAVA Kombinace podtlakového a přetlakového systému dopravy vzniká prostým zařazením obou systémů za sebou. Zdroj podtlaku i přetlaku je z principu jedno technické zařízení, kterým mohou být dmychadla nebo čerpadla. Dávkovače u podtlakového systému fungují opačně než u podtlakového systému.

-85-

zdroj podtlaku a přetlaku vstup materiálu násypky

odlučovač

dávkovač

dávkovač

nasávání tekutiny směšovač

zásobník

výstup materiálu

SPSKS

Obr. 90 Schéma kombinované dopravy

Systémy dopravy na bázi vzduchu i vody jsou principiálně stejné. Rozdíly spočívají ve skutečnosti, že voda má větší měrnou hmotnost, a proto vykazuje vyšší vztlakovou sílu. Její rychlost proudění je však řádově nižší, než je tomu u vzduchu. Proudění vody lze realizovat nejenom v potrubí, ale také v otevřených žlabech nemusí být použito ani čerpadel, ale postačí výškový spád, který transformací potenciální energie na kinetickou dodá potřebnou rychlost. Takto lze dopravovat kaly a písky. Podle velikosti částic suspenze lze rozdělit směsi na tyto skupiny: - pravé roztoky s rozměry zrn do 1 µm, - plastické látky s rozměry zrn v rozsahu 1 – 40 µm, - přechodná oblast s rozměry zrn v rozsahu 0,15 – 1,5 mm - hrubé suspenze s rozměry zrn nad 1,5 mm

2.7.4 ČEŘICÍ ŽLABY Čeřicí žlaby jsou zvláštní skupinou pneumatické dopravy. S výhodou se takto dopravuje řada prachovitých materiálů, jako jsou cementy, vápna apod. Vlastní transport materiálu obstarává gravitace, protože tyto žlaby mají určitý sklon vůči vodorovné rovině. Fyzikální princip spočívá na jednoduchém stroji, jakým je nakloněná rovina. Pokud leží těleso na nakloněné rovině, lze jeho gravitační sílu rozložit na sílu kolmou k povrchu nakloněné roviny tzv. normální sílu. Tato síla zprostředkovává tření podle vztahu. FT = Fn . f

-86-

Druhou složkou je pak síla rovnoběžná s plochou nakloněné roviny. Tato tzv. tečná složka má snahu těleso posouvat po nakloněné rovině směrem gravitace, tedy dolů. Pokud je třecí síla větší něž tečná síla, těleso se nepohybuje. Pokud tečná síla dosáhne hodnoty síly třecí, začne se těleso pohybovat. FT tečná síla Ft = Fg . sinφ

φ normálová síla Fn = Fg . cosφ gravitační síla Fg = m . g

Obr. 91 Silové poměry tělesa na nakloněné rovině

Z obrázku 91 vyplývá, že při dané hodnotě součinitele tření „f“ při určitém naklonění, tedy dosažení jakési hodnoty úhlu naklonění roviny, dojde k uvolnění tělesa. Lze dokázat. že se tak stane podle rovnice: sinφ f = —— cos φ

SPSKS

Čeřicí žlaby však mění součinitel tření. Technické provedení spočívá v tom, že dno žlabu (a ve fyzikálním modelu nakloněná rovina) je vyrobeno z porézního materiálu, kterým proniká stlačený vzduch. Ten sníží součinitel tření o několik řádů. Bez proudění vzduchu jsou částice vystaveny suchému tření, tzv. Coulombovskému. Při průniku vzduchu se toto tření mění na tření v tekutině a navíc jsou částice odlehčeny odporem proti proudění. Výsledkem je pohyb částic po nakloněné rovině. Částice se tak pohybují i po velmi málo nakloněných žlabech. FT → 0 tečná síla Ft = Fg . sinφ

stlačený vzduch

φ normáloví síla Fn = Fg . cosφ gravitační síla Fg = m . g

Obr. 92 Silové poměry tělesa na nakloněné rovině při dramatickém poklesu součinitele tření

Technické provedení čeřicích žlabů je zřejmé z obrázku 93. Systém je složitější, protože tímto způsobem vzniká velmi vysoká prašnost nad čeřicím žlabem. Proto celý systém této

-87-

dopravy musí být uzavřený, technický vzduch filtrovaný na vstupu i výstupu a vzduch se používá v uzavřeném cyklu.

zásobník

sání přes filtr

dávkovač filtry výdechu zdroj stlačeného vzduchu

čeřící žlab

přetlak pod porézním dnem žlabu

zásobník

SPSKS

Obr. 93 Schéma činnosti čeříciho žlabu

2.8 OSTATNÍ DRUHY VODOROVNÉ DOPRAVY

Technologie dopravy některých specifických materiálů nebo materiálů ve zvláštních podmínkách si vynucuje i jiná řešení dopravy. S ohledem na studované obory lze do této skupiny zařadit tyto druhy: - doprava kapalných a plynných látek, - závěsná doprava, - hrnoucí dopravníky, - válečkové tratě, - dopravní skluzy, - vibrační dopravníky, - vzduchové polštáře. 2.8.1 DOPRAVA KAPALNÝCH A PLYNNÝCH LÁTEK Doprava plynných a kapalných látek může být opět technologická nebo dálková. Technologická řeší pouze transport mezi dvěma následujícími operacemi. Dálková doprava řeší transport na vetší nebo velké vzdálenosti. I zde můžeme hovořit o dopravě cyklické a kontinuální. Pro cyklickou dopravu se využívá cisteren, které lze dopravovat po dopravních cestách silničních, vodních a železničních. Kontinuální doprava je řešena potrubím. Prostředky cyklické dopravy jsou popsány v předchozích kapitolách. Pro dálkovou dopravu platí určité schéma. S ohledem na tlakové ztráty v dlouhém potrubí je nutné tyto produkty po

-88-

určité vzdálenosti znovu „natlakovat“, aby tlakový spád od stanice ke stanici stačil k pohybu kapaliny nebo plynu.

přečerpávací stanice n

zásobník příjemce

přečerpávací stanice 1

expediční zásobník

Obr. 93 Schéma činnosti transportu kapalin a plynů

Energetická náročnost této technologie dopravy je nižší než doprava jinými prostředky. Přesto je u plynů třeba pamatovat na skutečnost, že při stlačování (kompresi) vzniká s ohledem na velká množství transportovaného plynu teplo. To je třeba chápat jako ztracenou energii. Množství takto vniklého tepla u velkých kompresorových stanic je schopné zajistit teplo pro malé město. Tento způsob přepravy je dosti neoperativní z hlediska změny cíle transportu. Dnes se prosazuje operativnější přeprava plynu zkapalněného. Zkapalnění plynu je však energeticky mimořádně nákladné.

SPSKS

2.8.2 ZÁVĚSNÁ DOPRAVA Závěsná doprava je realizována závěsnými dopravníky. Jsou to rovinné nebo prostorové konstrukce pro technologickou dopravu kusového materiálu nebo speciálních palet, např. pro montáž. Mohou být jednodráhové, kdy jedna dráha nese a vede jak tažný prostředek, tak prostředek nosný. U dvoudráhových je každý prostředek veden zvlášť. Závěsná doprava se liší od visutých lanových drah tím, že zde lze snadno měnit směr ve vodorovné i svislé rovině. U lanovek lze toto pouze v rovině svislé. Závěsná doprava má nejširší použití při montáži zařízení hromadných výrob, např. v automobilovém průmyslu. V technologiích zpracování sypkých hmot jsou tyto přepravovány v nádobách s vyklápěním. Tento druh dopravy lze snadno automatizovat do výrobního taktu. Tažným prostředkem je obvykle řetěz. Pojezdová dráha bývá profil I nebo profil C.

2.8.3 HRNOUCÍ DOPRAVNÍKY Hrnoucí dopravníky jsou konstruovány pro vodorovnou nebo mírně skloněnou dopravu, ale jsou známé i konstrukce, které jsou schopny transportovat materiál svisle. Princip této dopravy spočívá v hrnutí hmot. Konzistence hrnutého materiálu je práškovitá nebo kusovitá, ale mohou hrnout i hmoty typu bahno, kaly, chlévská mrva apod. Podle způsobu práce je dělíme na: - hřeblové dopravníky, - redlery. -89-

Hřeblové dopravníky dopravují materiál pomocí unášečů, které jsou taženy nejčastěji pouzdrovými řetězy. Materiál se pohybuje v korytu určitého tvaru a tře se o jeho dno a boky, což způsobuje relativně velký odpor, který se projevuje vysokou energetickou náročností a opotřebením. unašeče

směr pohybu unašečů

žlab (nepohybuje se)

tažný řetěz nebo řetězy

přepravovaný materiál

podélný řez hřeblovým dopravníkem a způsob plnění prostor mezi hřebly

příčné průřezy hřeblových dopravníků

Obr. 93 Schéma hřeblových dopravníků

SPSKS

Redlery se od hřeblových dopravníků liší tím, že dopravovaný materiál má větší výšku než je výška unášečů. Materiál je pak unášen jako kontinuum ve spojité vrstvě. Žlab pak vyžaduje plné uzavření (z vrchu).

Obr. 94 Schéma podélného řezu redlerem

2.8.4 VÁLEČKOVÉ TRATĚ Válečkové tratě jsou z technologického pohledu zařízení, která umožňují transport a manipulaci (otáčení, přesměrování apod.) velmi hmotných břemen. Podmínkou pro jejich

-90-

manipulaci je povrch břemene, který musí být rovinou nebo paletizované břemeno. Praktické využití je v technologické dopravě. Fyzikální princip spočívá ve změně vodorovné nebo mírně nakloněné roviny se smykovým třením na tření valivé. Toho se dosahuje pomocí soustavy vhodně zařazených válečků, po kterých se břemeno pohybuje. Z konstrukčního hlediska válečkové tratě rozdělujeme do dvou skupin: -

gravitační tratě, poháněné tratě.

Gravitační tratě vyvolávají vodorovný pohyb mírným nakloněním nebo se břemena po vodorovné trati tlačí po nepoháněných válečcích. Poháněné tratě mají poháněné válečky, které přenášejí pohyb na břemena a tím je posouvají. Válečkové tratě mohou mít přímý směr nebo mohou mít směrové oblouky, ale některé konstrukce dovolují i odbočky z trati apod. Válečky jsou konstrukčně identické s válečky dálkové pásové dopravy, pro manipulaci břemeny s velkou hmotností jsou zesíleny. Vedle válečků se také mohou používat kladky. Poznámka: Kladka je terminus technicus pro součást, která vede lano, ale také to může být váleček, kterého délka je menší než průměr.

břemeno

válečky

SPSKS

schéma podélného řezu válečkovou tratí

směrový oblouk válečkové trati

křižovatka válečkové trati

Obr. 95 Schéma válečkové trati, řešení směrového oblouku a křižovatky

Gravitační válečkové tratě, pokud se konstrukčně zvolí sklon s úhlem φ = 1,5 - 5°, bývají opatřené zařízením, které břemeno dokáže zastavit. Konstrukčně se na místech dojezdu břemen instalují brzdové válečky. Brzdění má fyzikální princip suchého tření, hydraulický nebo elektrický. Z obrázku 95 je také patrné, že plocha, která se dotýká válečkové tratě, musí mít ve směru pohybu délku větší, než je rozteč dvou válečků. V místech směrového oblouku -91-

dochází k určitým prokluzům, a proto se namísto kuželových válečků mohou instalovat kladky. Poháněné tratě mají válečky s pohonem. Existují dvě konstrukční řešení, která přenášejí krouticí moment na válečky: - řetězem, - kuželovým soukolím. Kuželová soukolí se používají u těžkých provedení válečkových tratí např. ve válcovnách, kde se také velmi často mění směr otáček válečků a tím i břemen. Řetězový přenos je jednoduchý, ale je vhodný jen pro menší hmotnosti břemen. Tento pohon má určitou vůli způsobenou přenášením kroutícího momentu z válečku na váleček, což způsobuje při volných řetězech a dlouhých tratích asynchronní rozběh, který vyniká při reverzaci chodu, kdy se nejprve musí vymezit vůle.

řetěz

pohon

SPSKS řetězky

pohon

řetězový pohon válečkové trati

kuželové převody

pohon kuželovými převody

Obr. 96 Schéma konstrukčního řešení pohonů válečkových tratí

2.8.5 DOPRAVNÍ SKLUZY Dopravní skluzy využívají k transportu materiálu účinky gravitace. Z technologického hlediska se jedná o technologickou dopravu. Dopravovaný materiál může být kusovitý, ale také balený nebo patetizovaný. Pouze lepivé a křehké materiály jsou pro tuto dopravu vyloučeny. Z hlediska toku materiálu mohou být jak kontinuální, tak cyklické. Za určitých podmínek lze principů skluzů využít ke změně cyklické dopravy na kontinuální. Toho se využívá u podavačů. Konstrukčně jsou skluzy velmi jednoduché a fyzikálním principem je zde nakloněná rovina. Skluzy lze rozdělit podle tvaru dráhy, která může být: - přímá, - s oblouky, - ve tvaru šroubovice (tobogán). Mechanizmus tření na nakloněné rovině není příliš spolehlivý, proto skluzy bývají doplněny blokovacím nebo oddělovacím zařízením. Skluzy se v technologii dopravy snadno

-92-

kombinují s jiným typem dopravy. Nejčastěji je to s válečkovými tratěmi a pásovou dopravou. Třecí plocha skluzů umožňuje i jiné technologické operace, než je doprava. Patří sem odvodnění, odhlinění apod. Skluzy bývají také místem, kde se umísťují snímače pro řízení technologického procesu, jako jsou počítadla projitých kusů, váhy apod. Tobogány se používají tam, kde skluz zajišťuje dopravu s velkým rozdílem v niveletě a přimý skluz by zabral v půdorysné rovině velkou plochu.

2.8.6 VIBRAČNÍ DOPRAVNÍKY Vibrační dopravníky jsou transportní zařízení pro kontinuální technologickou dopravu sypkých a kusovitých materiálů. Fyzikální princip jejich funkce je založen na využití setrvačných sil na částice dopravovaného materiálu. Vibrační dopravník je žlab nebo trubka, které jsou uloženy na pružném základu. Kmitavý pohyb celého dopravníku může být složitý a podle kmitání se také tyto dopravníky rozdělují na: - pohyblivé dopravní žlaby, - třasadla, - dopravníky s mikrovrhem. Poznámka: Princip využití setrvačných sil lze vysvětlit na myšlenkovém postupu, ke kterému nám stačí běžná zkušenost. Na vodorovnou desku postavme sklenici s vodou, pod kterou vložíme např. papír dle obrázku.

SPSKS zrychlení

sklenice má nulové zrychlení hladina je vodorovná

malé zrychlení, sklenice se posouvá hladina naklání

velké zrychlení

zrychlení

větší zrychlení, sklenice se posouvá a přelije

hladina se nepohne a papír je vytržen z pod dna

-93-

Z uvedeného pokusu je možné zobecnit několik základních poznatků. Pokud posouváme papírovou podložku s malým zrychlením, sklenici po desce posouváme ve směru zrychlení a hladina vody se nakloní o nějaký úhel úměrný zrychlení přes funkci tangens. Při zvyšování zrychlení třecí síla udrží sklenici na papíře, ale voda se přelije přes okraj sklenice. Při dalším zvýšení zrychlení je setrvačná síla naplněné sklenice větší než třecí síla – sklenice se neposune a zůstává na místě, hladina vody se rovněž nepohne. Princip těchto dopravníků je tedy v tom, že na stranu, kudy má téci materiál se dopravník pohybuje s takovým zrychlením, které posune materiál o hodnotu zdvihu. V obráceném směru se zdvih uskuteční s takovým zrychlením, že materiál zůstane vlivem setrvačnosti na místě. Cyklus se takto opakuje. Za pozornost stojí skutečnost, že vektor zrychlení je vodorovný, stejně jako deska. Technické řešení dosažení asymetrických hodnot kmitání je prosté. Postačí užít klikového mechanizmu, jaký je známý ze spalovacích motorů nebo pístových kompresorů. Tento se však uloží excentricky. Zrychlení klikového mechanizmu se nedá vyjádřit vzorcem v tzv. uzavřeném tvaru, protože jde o součet nekonečné řady, ale pro účely této publikace postačí zrychlení chápat jako sinusoidu.

a [m .s-1]

čas t [s]

SPSKS HÚ

schéma symetrického klikového mechanizmu a průběh zrychlení v čase čas t [s]

a [m .s-1]

e čas t [s] HÚ

DÚ

schéma asymetrického klikového mechanizmu a průběh zrychlení v čase

Obr. 96 Srovnání klikových mechanizmů symetrického a asymetrického

-94-

2.8.6.1 POHYBLIVÉ DOPRAVNÍ ŽLABY Funkce pohyblivého dopravního žlabu je patrná z obrázku. Pohon je realizovaný excentrickým klikovým mechanizmem. Vlastní žlab má omezenou délku a navazuje tandemově na další pohyblivý dopravní žlab. Zrychlení ve směru dopravy dosahuje pouze takových hodnot, aby se přepravovaný materiál udržel třecí silou na povrchu žlabu. V opačném směru dosáhne klikový mechanizmus takové hodnoty zrychlení, že třecí síla je překonána setrvačností transportovaných částic. Opticky je matriál na žlabu „podtržen“.

směr postupu materiálu

zrychlení (materiál je „podtržen“)

zrychlení (materiál se posouvá)

žlab excentrický klikový mechanizmus

SPSKS

Obr. 97 Schéma činnosti pohyblivého dopravního žlabu

Otáčky excentrického klikového mechanizmu jsou n = 1 2 s-1. Zdvih 100 – 300 mm. Dopravní výkony se pohybují řádově ve stovkách m3 . h-1. Konstrukce pohyblivých dopravních žlabů je s výhodou používána pro dopravu silně abrazivních materiálů nebo materiálů s vysokou teplotou.

2.8.6.2 TŘASADLA Třasadla mají stejný fyzikální princip jako pohyblivé dopravní žlaby. Pouze uložení dopravního žlabu není na vedení s valivým třením, ale na výkyvných vzpěrách nebo častěji jednoduchých listových pružinách.

-95-

směr postupu materiálu

zrychlení (materiál je „podtržen“)

zrychlení (materiál se posouvá)

žlab

excentrický klikový mechanizmus

listové pružiny

Obr. 97 Schéma činnosti třasadla

2.8.6.3 DOPRAVNÍKY S MIKROVRHEM Dopravníky s mikrovrhem jsou nejčastěji používanými dopravníky, které pracují s vibracemi. Technologicky a ekonomicky jsou použitelné i na větší dopravní vzdálenosti. Vedle technologického aspektu dopravy mohou materiál také prosévat, zbavovat vody apod. Z hlediska energie a životnosti je zřejmé, že mikrovrh je výhodnější než překonávání tření. Fyzikální princip spočívá na orientaci budící síly tak, že dopravovaný materiál vykonává v rychlém sledu tzv. šikmý vrh.

SPSKS trajektorie mikrovrhů

žlab

generátor usměrněné vibrace

Obr. 98 Schéma činnosti dopravníku s mikrovrhem

Částice jsou odpoutány zrychlením od povrchu žlabu a pohybují se ve vrhu v žádaném směru. Obrácení vektoru budiče mění směr pohybu částic. Určitou nevýhodou těchto dopravníků je tixotropie některých materiálů. Lepivé materiály a materiály obsahující vodu, byť fyzikálně vázanou, mohou měnit svoje vlastnosti. Jako budič kmitů mohou být použity: - elektromagnetický budič, - dynamický budič, - klikový mechanizmus.

-96-

2.8.7 VZDUCHOVÉ POLŠTÁŘE Vzduchové polštáře jsou moderní technologií, která má řadu použití v konstrukci transportních zařízení. Nejznámější je pravděpodobně princip autonomních dopravních zařízení, která se nazývají vznášedla. Jsou to stroje, které se mohou pohybovat v terénu s libovolnou únosností, která má limit únosnosti vodní hladiny. Pro transport a technologickou manipulaci se však používá stlačený vzduch dodávaný soustavou potrubí a hadic ze vzduchového hospodářství. Fyzikální princip spočívá v působení tlaku vzduchu na povrch součástí, které se posouvají. V ideálním případě dojde k odtržení povrchu (ztráta kontaktu) a přestane existovat suché tření. Následná manipulace je snadná.

plošina T p=0

T

p>0 těsnící manžeta

Obr. 99 Schéma manipulace břemenem na vzduchovém polštáři

SPSKS

Z obrázku je patrné, že tato technologie manipulace je závislá na zvládnutí utěsnění prostoru pod plošinou těsnicí manžetou. Plochy, po kterých se břemena posouvají, musí být nejenom rovné, ale i hladké. Úniky stlačeného vzduchu jsou zdrojem prašnosti a hluku. Dále je nutné dbát na umístění břemene na plošině tak, aby těžiště břemene leželo na svislici procházející těžištěm plochy plošiny. Přetlak vzduchu pod manipulační plošinu není příliš velký. Nosnost plošiny je dána vztahem: F = p . S, kde: F [N] - gravitační síla břemene F = m . g p [Pa] - přetlak s [m2] - plocha manipulační plošiny. Ze vztahu je patrné, že nosnost plošin s technologií vzduchových polštářů je závislá na velikosti přetlaku a plochy plošiny. Pro přetlak jsou limitem schopnosti těsnění, pro plochu velikost manipulační plošiny ve vztahu k velikosti břemene. Obrázek č. 99 popisuje základní fyzikální princip, ale jsou možné i jiné konstrukce pro manipulaci na vzduchových polštářích. Zde se břemeno nepohybuje libovolným směrem, ale je vedeno zvláštním vedením, kde je utěsnění mnohem snadnější. Nosnost takových zařízení je pak značná.

-97-

3.0 STROJE A ZAŘÍZENÍ PRO TĚŽBU SYPKÝCH A ZRNITÝCH HMOT

zatížení hnacích agregátů [kW]

Hlavní skupinu strojů pro těžbu sypkých a zrnitých hmot tvoří rypadla. Technologicky tato skupina strojů a zařízení pracuje obecně v cyklu rozpojení - (naložení) transport – (uložení) vykládka. Z hlediska zátěže stroje nebo spotřeby energie je možné tento cyklus vyjádřit graficky jako závislost zatížení hnacích agregátů v čase.

SPSKS

rozpojení

naložení - transport

uložení - vykládka

čas [s]

Obr. 100 Průběh pracovního cyklu rypadla

Průběh zátěže hnacích agregátů pracovního cyklu rypadel vypovídá nejenom o potřebě energie, ale také o namáhání konstrukčních uzlů rypadla. První fáze rozpojování vyžaduje největší výkony a síly. Rozpojení horniny můžeme posuzovat buď podle normy ČSN 73 3050 zemní práce, která třídí horniny do sedmi tříd, nebo poněkud exaktnější, kdy posuzujeme rozpojitelnost měřením odporu proti rozpojení na 1 m délky rozpojovacího břitu v [kN . m-1]. Fáze rozpojení má v grafické podobě relativně ostré maximum, které náhle klesá. Tato fáze cyklu bývá energeticky tak náročná, že u některých strojů, jako jsou např. skrejpry, se řeší instalací dvou motorů, přičemž oba motory pracují pouze ve fázi rozpojování. Ta však musí trvat řádově déle než u rypadel. Transport je fáze, která se vyznačuje přibližně konstantní spotřebou energie a tím i zatěžujících sil. Tato fáze pracovního cyklu bývá delší. Rypadlo v této fázi dopravuje rozpojenou a také nabranou horninu k místu, kde dojde k vysypání horniny. Vykládka je poslední fáze technologického cyklu. Spotřeba energie klesá, čímž klesají i zátěžové síly na konstrukční uzly rypadla.

3.1 ROZDĚLENÍ RYPADEL Z technologického hlediska dělíme rypadla podle způsobu práce na: - cyklická, - kontinuální.

-98-

zatížení hnacích agregátů [kW]

Rypadla, která pracují opakovaným cyklem rozpojení – transport – vykládka, z hlediska zátěže a spotřeby energie pracují opakováním cyklu podle obr. 100. Jsou vhodná nebo vhodnější tam, kde navazuje také cyklická technologická doprava. U těchto konstrukcí není problém řídit výkon těžby a respektovat „takt“ technologické dopravy. Kontinuální rypadla pracují s ohledem na průběh pracovního cyklu podle obr. 100 tak, že tyto cykly se řadí v čase za sebe a cykly se překrývají. Energeticky pak vyžadují přibližně konstantní energii. Poslední fáze technologického cyklu vypadá, že vytěžená hornina kontinuálně „teče“.

SPSKS čas [s]

Obr. 101 Průběh pracovního cyklu kontinuálního rypadla

Zatížení stroje je s ohledem na graf obr. 100 „obálka maxim“ a stroj je tak vystavován v menší míře rázy. Kontinuální těžba má proto poněkud příznivější ukazatele spotřeby energie na jednotku vytěžené horniny. Podle podvozku, který zásadně ovlivňuje vztah mezi rypadlem jako strojem a těženým materiál, lze rypadla rozdělit na: - plovoucí rypadla, - rypadla s kolejovým podvozkem, - rypadla s kolovým podvozkem, - rypadla s housenicovým podvozkem, - rypadla s kráčivým podvozkem. Plovoucí rypadla mají pracovní části na pontonu, který plave po vodní hladině. Nadnášen je vztlakovou silou podle Archimédova zákona. Technologicky je užití plovoucího pontonu evidentní – používá se při těžbě z vody, kdy je těžený materiál pod vodní hladinou. Ostatní podvozky jsou určeny pro těžbu hornin. Rypadlo se pohybuje po zemi a nejčastěji je touto zemí právě těžená hornina. Použití podvozku musí být zvoleno s ohledem na několik základních faktorů. Nejvýznamnějším je únosnost pojezdové pláně, po které se má rypadlo při těžbě pohybovat. Druhým faktorem je požadavek na potřebu manévrování podvozku. Zda

-99-

kontaktní plocha

podvozek

rypadlo musí pojíždět nebo se přemísťovat na velké vzdálenosti. Přemístění může vyžadovat takové vzdálenosti, které vyžadují použití komunikací, jako jsou silnice nebo železnice. Únosnost pojezdové pláně se posuzuje tzv. kalifornským poměrem únosnosti CBR. Měření lze zjednodušeně interpretovat tak, že zejména zeminy jako pojezdové pláně potřebují rozložit zatížení podvozku tak, aby tlak nepřesáhl určitou mez. Zvláště rozbřídavé zeminy mají nízkou únosnost, stejně jako např. blátivé terény bažin apod. Podvozek je konstrukčně řešen jako kompromis mezi schopností manévrovat a schopností rozložit hmotnost pracujícího stroje na plochu, kterou pojezdová pláň unese. Srovnání podvozků s ohledem na plochu kontaktu podvozek – podloží ukazuje následující tabulka.

SPSKS kolový podvozek

housenicový podvozek

kráčivý podvozek

kontaktní plocha

podvozek

kolejový podvozek

-100-

Kolejový podvozek vyžaduje instalaci kolejiště na pojezdovou pláň. Není tedy podvozkem autonomním. Kolejové podvozky rypadel nevyžadují kolejiště podobné drážnímu kolejišti. Důvodem je skutečnost, že toto kolejiště se musí po čase posunou v příčném směru, jak naznačuje šipka. Takové kolejové lože proto není zavibrováno do štěrkového lože. Pražce jsou nahrazeny pontony, které jsou tvarem uzpůsobeny pro příčné posunutí (nemají tvar kvádru). Pohyb rypadla může být relativně rychlý, délka kolejových drah neomezená. Přesun kolejiště vyžaduje odstávku těžby a je to poměrně dlouhá operace. Takovéto podvozky jsou ekonomicky přijatelné za podmínek těžby rypadla v řádu desetiletí těžby. Přesunutí rypadla na jinou lokalitu nebo jen řez je možné pouze za předpokladu demontáže stroje. Délka šířka pražců nebo pontonů umožňuje použití i na pojezdové pláni s nízkou únosností. Kolový podvozek má kontaktní plochu nejmenší ze všech podvozků rypadel. Její tvar je „otiskem“ pneumatiky, který má tvar elipsy. Snížit měrné tlaky se dá mírně použitím dvoumontáže pneumatik. Pojezdová pláň proto musí být upravena do roviny a navíc mít vysokou únosnost i za podmínek smáčení¨např. deštěm. Pneumatiky však nesnesou zátěž velkých strojů, proto je tento podvozek použitelný u malých rypadel. Jeho výhodou je vysoká rychlost při pohybu a schopnost přemístění po komunikacích a upravených trasách, kde postačí splnit podmínku únosnosti a stability. Housenicový (pásový) podvozek má viditelně velkou kontaktní plochu s pojezdovou plání. Ta je dána roztečnou vzdáleností a šířkou článků obou housenic. Podvozek je autonomní, protože vyžaduje pouze přijatelně zarovnanou pojezdovou pláň, podobně jako podvozek kolový. Únosnost pojezdové pláně může být nízká, protože kontaktní tlaky jsou menší. Existují konstrukce housenicových podvozků, které lze na článcích pásu dodatečně rozšířit nebo největší housenicové podvozky mohou být zdvojené. U těchto podvozků záleží ještě na způsobu jejich ovládání ve směru pohybu. Ovládání smykem (jedna housenice se zabrzdí a druhá je v záběru a natáčí podvozek) vyžaduje poměr rozchodu a rozvoru turasů blízký hodnotě 1 (šířka a délka.otisku housenic se nesmí příliš odlišovat). Druhou možností je natáčení housenice hydraulicky. Obecně pro oba pohyby platí, že takový podvozek je sice otočitelný na místě, ale manévrování ve směru díky značným silám zkracuje životnost pásů. Kráčivý podvozek může mít několik konstrukcí. Jde o podvozek autonomní, který vyžaduje pouze přiměřeně zarovnanou pojezdovou pláň se sklonem, který garantuje stabilitu stroje. Únosnost podloží může být mimořádně nízká a mohou pracovat i v bahnitém terénu. Zvětšování kontaktních ploch není problém. Podvozek je však velmi náročný na ovládání a jeho pohyb není plynulý, ale realizuje se po krocích podobných chůzi člověka (kde jsou dvě kontaktní plochy, viz tabulka) nebo i složitější kroky při větším počtu kontaktních ploch.

SPSKS

Další dělení konstrukcí rypadel je podle rozpojovacího orgánu, který rozpojuje těženou horninu. Toto dělení je považováno za klíčové, proto se v technickém názvu objevuje jako adjektivum (korečkové, kolesové apod.). Podle pracovního nástroje se tedy rypadla dělí na: - kolesová (kontinuální), - korečková (kontinuální), - lopatová, - drapáková, - s vlečným korečkem, - hydraulické rozpojení. Rozpojovací orgán rozhoduje o tom, zda rypadlo pracuje cyklicky nebo kontinuálně, dále rozhoduje o mechanizmu rozpojení těžené horniny.

-101-

koleso

korečky

SPSKS

lopata hloubková

lopata výšková

drapák

vlečný koreček

-102-

3.2 PLOVOUCÍ RYPADLA Plovoucí rypadla jsou používána při těžbě štěrkopísků pod hladinou spodní vody. Vedle technologie dobývání se požívají k úpravám říčních koryt a jezer. Zde upravují reliéf a hloubku dna. Z hlediska fyzikálního principu rozpojování je lze dělit na mechanická, kdy těžená hornina je řezána břitem dobývacího zařízení. Druhou možností je rozpojení způsobené proudem vody. V tomto případě vznikají potřebné síl odporem proti proudění při obtékání těžených částic. Základním aspektem při volbě plovoucího rypadla je požadavek na hloubku pod hladinou, kde bude hornina těžena. Její velikost zásadním způsobem ovlivňuje konstrukci rozpojovacího zařízení. Při zvláště vysokých hloubkách, např. ze dna moří, je nutné konstruovat rypadla, která pracují pod vodní hladinou. Důvodem jsou velké hmotnosti transportních tras a vlastních rozpojovacích elementů. Rozdělení plovoucích rypadel se terminologicky shoduje s použitou konstrukcí rozpojovacího zařízení a je zřejmé z tabulky. 0 – 50 KOREČKOVÁ

hloubka těžby [m] 0 – 20 0 – 70 VLEČNÝ KOREČEK DRAPÁKOVÁ

0 – 35 SACÍ

SPSKS 3.2.1 PLOVOUCÍ KOREČKOVÁ RYPADLA Těžebním zařízením těchto rypadel jsou korečky. Jde o kontinuální těžbu, které musí odpovídat transportní trasy vytěženého materiálu. Tento druh rypadla je schopen těžby s největším rypným odporem při rozpojování těžené horniny. V podmínkách ČR jde o nejpoužívanější typ rypadel. Výkon těžby je řádově ve stovkách m3 . h-1. Způsob práce korečků na plovoucím rypadle a jejich vyprazdňování nad hladinou je zřejmé z tabulky na str. 102 a obrázku 102. Korečky jsou svařované kovové nádoby, které jsou perforací svého pláště uzpůsobeny k odvodu vody. Lem okrajů korečků je velmi namáhanou částí, protože přenáší veškeré účinky rozpojení, tj. odpor proti rozpojení, odpor proti vylomení a abrazi. Konstrukčně se tato část řeší vyměnitelnými částmi, otěruvzdorným materiálem, otěruvzdornými návary a zuby. Tvar korečků jako průměty plochy (silueta) lemu nádoby mají různý tvar s ohledem na těžený materiál, dále pak poměr šířky a délky. Pro sypké materiály mohou být korečky úzké a hluboké, pro přilnavý a lepivý materiál naopak úzké a mělké. Objem korečků je řádově ve stovkách litrů. Počet výsypů je v intervalu 10 – 30 min-1. Korečky jsou spojeny články řetězu, který je konstrukčním provedením analogií gallova řetězu. Po konstrukci těžební lafety se pohybují články řetězu po kladkách a vedení, které je konstrukčně podobné podvozkům kolejové dopravy.

-103-

Těžební lafeta je základním prvkem celého těžebního zařízení. Její délka je limitujícím faktorem pro hloubku, ze které je možné těžit. Lafeta je výkyvná ve svislém směru, kdy je s ní manipulováno pomocí vrátků a lan. Je to základní pohyb pro záběr do těžené horniny, který určuje hloubku záběru. Konstrukčně je lafeta řešena podobně jako u jeřábů jako příhradová (prutová) konstrukce, která vyniká nízkou hmotností. Druhou možností je plnostěnný nosník, který je rozdělen na vodotěsně oddělené sekce. Tato varianta se používá pro velké délky a využívá se zde vztlaku, kdy lze snížit namáhání plováku rypadla zatížením od těžebního zařízení. Pro výměnu a opravy lze vytlačením vody z komor zvednout celou lafetu do vodorovné polohy, ve které díky vztlaku plave.

vyprazdňování korečků

otočný čep

korečkový řetěz tažná větev těžební lafeta

SPSKS

rozpojování – nabírání korečků

naplněné korečky

směr manipulace lafetou (nahoru – dolů)

horní turas (hnací)

prověšení vratné větve

spodní turas (vratný) směr pohybu rypadla při těžbě

Obr. 102 Rozpojovací orgán korečkového plovoucího rypadla

Horní turas má obvykle čtyři zuby a je hnacím prvkem pro pohyb řetězu a korečků, který přenáší výkon v podobě krouticího momentu a úhlové rychlosti. Dolní turas má obvykle 5 zubů, je neustále pod vodní hladinou a korečky, které se po něm odvalují, jsou ve fázi rozpojování těžené horniny. V záběru při rozpojování je vždy několik korečků najednou. Konstrukce uložení a mazání dolního turasu je velmi náročná a jde o konstrukční uzel se zvýšeným výskytem poruch. Vratná větev je prověšená, protože krom své hmotnosti nepřenáší žádné síly. Průvěs zprostředkovaně tlumí nahodilé nárazy při změnách řezného odporu.

-104-

naviják

SPSKS

hloubka těžby

pochůzkové trasy

pohon s hnacím turasem

pásový (odkládací) dopravník

plovákové těleso

příčný reverzní dopravník

půdorys transportu materiálu reverzním příčným dopravníkem

kotevní a zvedací navijáky

přesyp z odkládacího dopravníku

těžební lafeta korečkový řetěz

přesyp z korečkového řetězu

Obr. 103 Základní schéma plovoucího korečkového rypadla s vyznačením transportních tras

-105-

spodní (vratný) turas korečky v záběru

Pohon rozpojovacího orgánu korečkových rypadel sestává z elektromotoru, převodovky a řemenového převodu. Konstrukčně jsou možné i jiné varianty. Pohon má za úkol přenášet na hnací turas výkon ve formě krouticího momentu a příslušné úhlové rychlosti, tedy otáček. Tento výkon musí být dostatečný. Pro bezpečnou funkci celého zařízení je však také nutné, aby pohon tlumil rázy vzniklé při rozpojování a v případě přetížení řetězu, způsobeného např. závalem rozpojovacího orgánu a také přerušil dodávku energie, např. proklouznutím nebo vypnutím. Konstrukčně lze tyto nároky na pohon realizovat kombinací převodovky s řemenovým převodem klínovými řemeny nebo použitím pojistné spojky. Nejmodernější konstrukce pak používají rotační hydromotory, u kterých lze přímo naprogramovat chování při přetížení. Přenos výkonu na hnací turas se také realizuje tzv. „dělením silového pole“. Prakticky to znamená, že výkon je přenášen na oba konce hřídele nikoli na jeden, jako je tomu u většiny technických zařízení. Nejužívanější konstrukce pohonu korečkového rypadla je na obrázku 104. hnací turas

ozubené kolo

SPSKS pastorek ložiska

řemenice

elektromotor

Obr. 104 Základní schéma pohonu hnacího turasu plovoucího korečkového rypadla

Příčný reverzní dopravník pracuje tak, že osa pohybu materiálu je kolmá na osu pohybu materiálu na korečku (případně odkládacím dopravníku). Účelem je dostat těžený materiál na bok plováku, kde je transportován dálkovou dopravou, tedy nakládán do dopravních člunů nebo na plovoucí pásovou dopravu. Reverzace, tedy změna směru pohybu (doprava nebo doleva), slouží ke změně hmotnostního toku při výměně naplněného člunu za nenaplněný, který se přikurtuje k druhému boku plováku. Kinematika těžebního zařízení korečkových rypadel je jednoduchá. Výložník je pomocí navijáků nebo jiných prostředků naklápěn ve svislé rovině rovnoběžné s podélnou osou plováku. Naklápění slouží k regulaci hloubky těžby a dále technologicky slouží: - transportní poloha (maximálně zvednutá slouží k prohlídkám a opravám těžebního zařízení), - poloha pro opravy (výška zdvihu je menší podle druhu opravy), -106-

-

pracovní polohy nouzová poloha

SPSKS

kočka

transportní poloha

-

klidná poloha (po ukončení těžby), poloha nouzová (vzniká uvolněním hmotnosti těžebního zařízení z navijáku – stojící se opře o dno, tím se mění zátěž plováku se všemi následky), pracovní poloha (v této poloze probíhá těžba, která má širší rozsah).

Obr. 105 Polohy (kinematika) těžebního zařízení plovoucích korečkových rypadel

Korečkový řetěz z hlediska konstrukčního uspořádání je patrný z obrázku č. 106. Spojení článků řetězu je zajištěno čepy. To jsou další velmi namáhané součásti, protože pracují ve vodě, jsou velmi špatně mazatelné a pohyb je kývavý, což znamená, že jde o součásti se zkrácenou životností. kladnice

Obr. 106 Konstrukce korečkového řetězu

-107-

koreček

3.2.2 PLOVOUCÍ DRAPÁKOVÁ RYPADLA Plovoucí drapáková rypadla, stejně jako ostatní těžební stroje používající k rozpojení a nabrání těžené horniny drapák, jsou cyklická. Těžený materiál však lze vhodným technickým zařízením změnit na kontinuální pro účely dopravy. Drapák je rozpojovací zařízení, které je pod vodní hladinu spouštěno na lanech. Takové řešení umožňuje těžbu z velmi velkých hloubek. S přibývající hloubkou se však prodlužuje pracovní cyklus. Drapák jako výchozí těžební zařízení může být ovládán několika způsoby, které znamenají stupně volnosti: - drapákové rypadlo s pojízdnou kočkou na portálu, - drapákové rypadlo se sklopným výložníkem, - drapákové rypadlo s otočným výložníkem. Jistou improvizací je umístění pozemního rypadla na plovák, které však nelze považovat za samostatnou a integrovanou konstrukci. drapákové rypadlo s pojízdnou kočkou na portálu

Drapák je spouštěn a vytahován středovým otvorem v tělese plováku. Vrátek vyzvedne naplněný drapák, kočka se posune ve směru podélné osy plováku, následuje otevření drapáku. Konstrukčně velmi jednoduché, velká výška portálu má vliv na stabilitu plováku.

SPSKS drapákové rypadlo se sklopným výložníkem

Drapák je spouštěn a vytahován středovým otvorem v tělese plováku. Posunutí ve směru osy plováku je zajištěno výložníkem, který změní polohový úhel (elevaci). Konstrukčně jednoduché zařízení, vykazuje menší hmotnosti ve velkých výškách, které mají vliv na stabilitu plováku.

-108-

drapákové rypadlo s otočným výložníkem

Drapák je spouštěn a vytahován středovým otvorem v tělese plováku. Těžby i vysypání však může provádět i na bocích plováku. Posunutí ve směru osy jeřábového výložníku je zajištěno otočným výložníkem, který změní polohový úhel (elevaci) a může měnit i úhel výložníku s podélnou osou plováku. Konstrukčně složitější zařízení, vykazuje menší hmotnosti ve velkých výškách, které mají vliv na stabilitu plováku. Při těžbě na bocích plováku se výrazně mění stabilita celého rypadla vlivem změny polohy těžiště vztlaku! Technologicky se tyto konstrukce používají při těžbě na březích, kde těleso plováku znemožňuje pro drapák dosažení okraje vodní plochy.

Základním konstrukčním uzlem plovoucích drapákových rypadel je drapák. Slouží k rozpojování a transportu materiálu ve svislé ose. Jeho nádoba je tvořena pohyblivými čelistmi. Protože drapák jako konstrukční uzel má obecnější použití než pouze u plovoucích rypadel, existuje více jeho konstrukcí. Podle počtu čelistí existují drapáky: - dvoučelisťové (pro těžbu hornin, překládání sypkých materiálů apod.), - vícečelisťové (nejčastěji pětičelisťové, pro hloubení hlubokých jam, pro pilotáž, manipulace a změny objemu materiálů na šrotišti apod.).

SPSKS

Dalším třídícím znakem konstrukcí drapáků je způsob ovládání jejich spouštění a otvírání. Podle toho dělíme drapáky na: - dvoulanové (používají se pro těžbu z velkých hloubek), - jednolanové, - motorické (ovládání otevírání a zavírání je umístěno v konstrukci drapáku a je elektrické nebo hydraulické). Pro těžbu zvláště z vody jsou používány výhradně dvoučelisťové drapáky ovládané dvěma lany. Objemy drapáků jsou v řádu desetin až jednotek m3. Lemy nádob drapáku jsou podobně jako u všech ostatních pracovních částí opatřeny otěruvzdorným materiálem, otěruvzdornými návary nebo rozpojovacími zuby. Vlastní nádoby mohou být konstruovány z plechu, perforovaných (děrovaných) plechů, z prutů sestavených do roštů. Každá technologie vyžaduje jinou konstrukci, která zohledňuje požadavky, jako jsou odvod vody z těženého materiálu, předtřídění od drobných frakcí apod. Drapáky spouštěné na dvou lanech dovolují těžbu z velkých hloubek. Hloubka je zde výškový rozdíl mezi polohou, kde drapák rozpojuje těženou horninu a místem, kde je drapák vyprázdněn. Ocelové lano je prostředek, který umožňuje největší hloubky těžby. Prakticky se používá v řádu desítek metrů, ale jsou případy, kdy hloubka těžby může přesahovat i kilometr. Funkce otevírání, zavírání a svislého pohybu drapáku se dvěma lany je patrná z tabulky.

-109-

naviják přídržného lana stojí

naviják zavíracího lana navíjí

naviják přídržného lana odvíjí

naviják zavíracího lana odvíjí

spouštění drapáku

stop

zavírání (plnění) drapáku

zdvih naplněného drapáku

naviják přídržného lana navíjí

naviják zavíracího lana stojí

naviják přídržného lana navíjí

naviják zavíracího lana navíjí

SPSKS

stop

otevírání (vyprazdňování) drapáku

Ovládání drapáku dvěma lany je realizováno dvěma navijáky. Základní konstrukce navijáku jsou na obrázku č. 27 na str. 25. Konstrukčně jsou tyto navijáky stejné, jako jsou u jeřábů na ovládání zdvihu nebo polohování jejich ramen a výložníku. Modernější konstrukce -110-

mají navíjecí bubny poháněné rotačními hydromotory, které snadno zvládají úlohu nejenom pohonu navíjecího bubnu, ale také jeho brzdy. Přiškrcení tlakového oleje nebo uzavření lze řídit elektricky a ovládat počítačovou jednotkou. Pro ovládání drapáku v algoritmu spouštění otevřeného drapáku – uzavření drapáku – zvedání drapáku – otevření drapáku, postačí střídat navijáky. Jeden vždy buď lano navíjí, nebo spouští pod zatížením a druhý se toliko bez zatížení přizpůsobuje délkou odvinutého lana. Pouze v okamžiku, kdy si navijáky vyměňují role „zátěž – nezátěž“, se čelisti zavírají a otevírají. Tak se děje při rozpojování a nabírání pod hladinou a při vykládce nad hladinou.

celkový pohled na záď rypadla

detail drapáku před otevřením nad výsypkou

pohled na navijáky a jejich pohon

celkový pohled na transportní trasu (plovoucí PD)

SPSKS

Obr. 107 Fotografie drapákového plovoucího rypadla

Poznámka: Existují i konstrukce drapákových plovoucích rypadel, v nichž se kočka s navijáky pohybuje po portálu. Osa portálu je však spojnicí mezi dvěma plováky. Opticky tento typ rypadla vypadá jako katamarán v terminologii stavby lodí, kde jsou oba plováky relativně daleko od sebe. Tato konstrukce sice dává technologům nové možnosti způsobu těžby z vody, ale pro řízení a ovládání je takových strojů v praxi málo a jsou užívány pro speciální užití. Délka portálu prodlužuje dobu trvání pracovního cyklu a ve srovnání s drapákovým portálovým rypadlem je při klasické těžbě méně výkonný.

-111-

3.2.3 PLOVOUCÍ SACÍ RYPADLA Plovoucí sací rypadla využívají pro fázi rozpojení a transport materiálu jiného fyzikálního principu. Při mechanickém rozpojení na těžený materiál přímo působí mechanickou silou břit nástroje (lopaty, korečku, drapáku). Sací rypadlo využívá efektu silového působení na tělesa v proudu tekutiny, v tomto případě vody. Celý fyzikální princip je zřejmý z kapitoly hydraulická doprava (obr. 86 str. 82). K rozpojení a transportu vytěženého materiálu je tedy třeba vyvolat silné proudění vody. Toho se dosahuje výkonným těžebním čerpadlem. Tento typ plovoucího rypadla těží kontinuálně a obvykle i dálková doprava je kontinuální. Celé těžební zařízení je zřejmé z obrázku č. 108.

lano zdvihu

výtlačné potrubí

sací roura ve výložníku

SPSKS

výtlačná větev

zdvih výložníku ve svislé rovině

lapač nadměrných kusů

sání

čerpadlo

sací větev

Obr. 108 Základní schéma těžebního zařízení plovoucího sacího rypadla

Sací roura je prostá trubka, která je z důvodů tuhosti v ohybu připevněna na nosnou konstrukci výložníku. Ten je schopen měnit ve svislé rovině polohový úhel stejně jako výložník u korečkového rypadla. Pohyb konce trubky ovládá hloubku, z jaké těžíme. Proud vody s unášenou těženou horninou postupuje potrubím do lapače nadměrných kusů. Zde se zpomalí rychlost proudění a tím klesne do zásobníku každý nadměrný kus, který by neprošel čerpadlem. Ve směru proudění vody a horniny se nachází výkonné radiální čerpadlo. Jeho konstrukce je podobná čerpadlům, která se nazývají kalová. Na výstupu z čerpadla se směs dostává do výtlačné větve potrubí, které navazuje na dálkovou dopravu vytěženého materiálu. Ze silových poměrů srovnání mechanického a hydraulického rozpojování je zřejmé, že proudění vody za podmínky únosných a bezpečných rychlostí znamená pro tuto technologii omezení na těžbu drobnějších frakcí - navíc dobře rozpojitelných. Při těžbě drobnějších frakcí, které jsou spojeny materiálem s velkou soudržností, jakými jsou např. časté jíly, existují konstrukce, které zvyšují rozpojitelnost i u této technologie těžby. První možností je spojení hydraulické těžby prouděním nasávané vody s mechanickou frézou, která mechanicky rozrušuje usazenou horninu. Jde o jednoduché zařízení, které na konci sací roury rotuje a jeho zuby vytrhávají zrna z měkké a houževnaté masy. Druhá a používanější varianta využívá dynamický účinek proudu vody v opačném směru, než je sání. Tento proud se vyznačuje řádově menším množstvím vody, ale řádově vyšší

-112-

sací roura

rozrušovaní fréza

sání

tryska (trysky)

rotace

sací roura

rozrušení (rozplavení)

rychlostí proudění. Takové technické řešení se nazývá tryska a v širším významu ejektor. Protože kinetická energie roste s druhou mocninou rychlosti, je tato metoda velmi účinná.

vodní paprsek

přívod tlakové vody

sání rozrušovaní fréza - mechanické rozrušení

tryska – hydrodynamické rozrušení

Obr. 109 Schéma rozrušení těžené horniny u sacích rypadel

SPSKS

Rozrušovaní fréza je válcovité těleso, které je opatřeno zuby nebo speciálními noži. Tvar frézovaného materiálu se podobá mezikruží a ovlivňuje sací poměry. Mechanické rozrušování umožňuje těžbu hrubších frakcí a rozrušit lze takto i relativně pevné a pojivo. Ejektor může být konstruován ve více variantách. Na obrázku č. 109 je použit jeden ejektor, který je navíc umístěn relativně blízko osy sacího potrubí. Takové řešení je sice konstrukčně jednoduché, ale ejektor je namáhán otěrem, protože je vystaven statisticky vysokému počtu srážek s těženými zrny. Proudění vody z ejektoru má opačný smysl než proudění těženého materiálu v místech, kde jsou největší rychlosti, a to snižuje účinnost. Další možností je použití většího množství ejektorů po obvodu sací roury. Poslední, konstrukčně poměrně dost složitou variantou, je náhrada ejektoru obvodovou spárou. Poměry proudění zde velmi příznivě ovlivňují výkon těžby. Konstrukčně nejvíce exponovaným uzlem sacích rypadel je radiální odstředivé čerpadlo. Jeho konstrukce je náročná proto, že nečerpá pouze vodu, ale i heterogenní směs vody a kameniva. Ta vyvolává na lopatkách a spirálové skříni nárazy a silnou abrazi. Oběhové kolo musí mít lopatky, které udělují čerpané směsi rychlost. Lopatky mohou být uzavřené mezi kotouči (tvoří s nimi jeden celek), takže oběhové kolo je tvořeno kanálky. Taková konstrukce šetří významně spirálovou skříň a součást s krátkodobou životností je oběhové kolo. Druhou možností je, že lopatky jsou uzavřeny kotoučem jenom z jedné strany. Skříň je namáhána ve zvýšené míře obrazí v otevřené části. Poslední možností je oběžné kolo, kde jsou lopatky otevřené. Tato konstrukce předpokládá zvýšené zatížení obrazí u spirálové skříně. Otázka, která konstrukce je nejlepší, není správně položená, protože každá konstrukce má své výhody a nevýhody vztažené k těženému materiálu.

-113-

oběhové kolo sání čerpadla

výtlak čerpadla

spirálová skříň

uzavřené

polozavřené

otevřené

Obr. 110 Schéma konstrukce radiálního (odstředivého) čerpadla

Silueta sacího rypadla není příliš odlišná od ostatních druhů plovoucích rypadel. kotevní pilota

strojovna

zvedací naviják pracovní naviják

SPSKS výtlačné potrubí

sací roura ve výložníku

rozrušovací fréza

Obr. 111 Schéma konstrukce plovoucího sacího rypadla

3.2.4 OBECNĚJŠÍ KONSTRUKČNÍ UZLY PLOVOUCÍCH RYPADEL Základní odlišnost konstrukcí plovoucích rypadel spočívá v konstrukci dobývacího zařízení. To má však vliv na další konstrukční uzly, které s ním souvisejí. Mezi takové uzly patří všechno, co se podílí na transportu vytěženého materiálu po opuštění dobývacího zařízení a na jeho úpravách. Takovými uzly mohou být pásové dopravníky, třídiče, dehydrátory, tlaková potrubí, dálková doprava apod. Všechny tyto uzly jsou samostatnými kapitolami učebnice. Především dálková doprava může mít několik variant. Lze použít dopravu čluny, plovoucí pásové dopravníky a plovoucí potrubím. Konstrukce dálkové dopravy předurčuje úpravu těženého materiálu. Nákladní čluny a pásová doprava vyžaduje

-114-

zbavení těženého materiálu vody, protože její transport znamená energetické ztráty. Doprava potrubím naopak vyžaduje vodu apod. Nejobecnější konstrukční uzly má každé plovoucí rypadlo a odlišnosti ve vztahu k dobývacímu zařízení jsou minimální.

3.2.4.1 NAVIJÁKY Navijáky jsou provedením stejné jako navijáky jeřábů. Konstrukční řešení navijáků je na obrázku č. 27 této učebnice. Dvoulanové provedení navijáků se častěji používá pro manipulaci korečkovým výložníkem a sací rourou. Jednolanové navijáky se na plovoucích rypadlech používají pro spouštění a uzavírání drapáků, pro ovládání polohy plovoucího rypadla a tzv. vyvazování člunů. Technologie těžby plovoucími (především kontinuálními) rypadly vyžaduje přesný pohyb celého stroje po vodní hladině. Tento pohyb překonává řezné odpory a je třeba mít na paměti, že u tohoto způsobu těžby není vizuální kontrola (rozpojování probíhá naslepo). Těžba může být technologicky prováděna způsobem: - příkopovým (rypadlo se pohybuje dopředu), - trychtýřovém (rypadlo stojí na místě), - vějířovém (rypadlo stojí na místě, ale vyklání se do stran).

SPSKS 3 2 1 12 3 4 5 6 7 →

těžba příkopovým způsobem

těžba trychtýřovým způsobem

těžba vějířovým způsobem

Obr. 112 Schéma vedení plovoucího rypadla pomocí kotvení

Z hlediska stavby a provozu strojů se jednotlivé technologie těžby odlišují od způsobu řízení pohybu plovoucího rypadla. Tento pohyb vyžaduje relativně velké síly, které jsou reakcí na rypné odpory. Dále vyžaduje vysokou přesnost vedení po hladině. Červené čáry v tabulce na obr. 112 jsou schématicky naznačené kotvy. Pohyb plovoucího rypadla je výslednicí navíjení a odvíjení lan navijáků. Např. dopředný pohyb vzniká navíjením předního

-115-

a odvíjením zadního lana za navíjení nebo odvíjení bočních lan. Pro těžbu technologií vějířové těžby je výhodnější plovák rypadla fixovat pilotou ke dnu. Řízení stroje vyžaduje i při dnešních možnostech použití GPS a výpočetní techniky zkušenost operátorů stroje. Navijáky tedy musí pracovat přesně a musí být schopny jemné manipulace, která je srovnatelná s navijáky těžních věží při těžbě ropy a zemního plynu. Vlastní kotva je čtyřramenného provedení a způsob fixace na břehu nebo pod hladinou je záležitost technologie. Pokud je dálková doprava vytěženého materiálu řešena cyklickou dopravou samovýsypnými nebo samovykládacími čluny, je nutné pro plnění jejich nákladového prostoru tyto „potahovat“ podél trupu plováku rypadla. Reverzní pásový dopravník nebo násypka sype vytěžený materiál na bok plováku. samovýsypný člun

reverzní pásový dopravník

směr posunu člunu

naviják plovák rypadla

SPSKS Obr. 113 Schéma konstrukcí vedení nákladních člunů potahovacími navijáky

3.2.4.2 PLOVÁKY Plovoucí rypadla nesou těžební zařízení na plovácích. Plováky jsou podvozky svého druhu. Princip plování je odvozen od vztlaku podle Archimédova zákona. S ohledem na stabilitu celého rypadla je konstrukce plováku podobná v lodní terminologii tzv. katamaránu. To znamená, že plovák sestává ze dvou trupů. V mezeře mezi nimi pracuje těžební zařízení. Veškeré síly a vibrace způsobené sílami rypného odporu se tak přenášení do podélné osy plováků a plovák je tak stabilní. Zátěž na plováky je však proměnlivá také v souvislosti s opravami výložníku, který je nutné zvednout do polohy, kdy se výrazně mění těžiště celého plovoucího rypadla a při vynoření některých částí výložníku přestává působit vztlaková síla. Základní tvar plováků je patrný z obrázku č. 114. Plováky jsou svařence z plechu, který tvoří uzavřený nosník tvaru kvádru. Pro zvýšení tuhosti a bezpečnosti je uvnitř rozdělen na několik sekcí vodotěsnými přepážkami z plechu. Každý takový prostor je přístupný ke kontrole. V případě proražení se zaplaví jen část tělesa plováku a je dost času na provedení zabezpečení. Stabilita stroje na vodní hladině souvisí se vztahem těžiště celého rypadla a těžiště vztlaku. Toto však přesahuje koncepci učebnice.

-116-

komory oddělené přepážkami

spojení plováků

plováky (trupy)

Obr. 114 Schéma konstrukce plováku plovoucího rypadla

3.2.4.3 POHONY PLOVOUCÍCH RYPADEL Pohony všech agregátů plovoucích rypadel jsou asynchronní elektromotory, které jsou velmi spolehlivé a dnes i dobře regulovatelné. Důvod pro jejich použití je jednoduchost jejich instalace, spolehlivost a využití typizovaných konstrukcí z jiných strojů. Základní rozdíl je v tom, zda je plovoucí rypadlo napojeno na rozvodnou síť kabelem nebo je generátor poháněn spalovacím motorem přímo na plovoucím rypadle. Přívod elektrické energie kabelem vyžaduje řadu opatření, protože rypadlo se pohybuje po hladině a každé lano nebo kabel znamená pro technologii a řízení určitý problém. Ten zvláště vyniká, pokud je doprava vytěženého materiálu realizována čluny, které musí poměrně dost složitě manévrovat na hladině. Provozní náklady na odběr elektrické energie ze sítě jsou vždy nižší než prostřednictvím generátoru hnaného spalovacím motorem. Pohon dieselelektrický sice nevyžaduje řešení manipulace kabelem, ale je provozně nákladnější. Vývoj hnacích agregátů nevylučuje ani hydrostatické motory, kde lze poměrně jednoduchými prostředky programově řídit parametry pohonu a jednoduché programy zvládnou i optimalizaci práce celého stroje. Pohony jsou sestaveny obecně z hnacího elektromotoru, spojky, brzdy a převodovky. Jejich úkolem je dodat hnanému agregátu potřebný výkon, který je součinem krouticího momentu a úhlové rychlosti, resp. otáček. Elektromotor má podle počtu pólů 50, 25 a 12,5 s-1. Převodovka tyto otáčky redukuje na otáčky nižší. Spojka spojuje elektromotor zpravidla s převodovkou, ale jsou i konstrukce pohonu, kde je další spojka mezi výstupním hřídelem a hnaným agregátem. Brzda se používá tam, kde je nutné zabránit zpětnému chodu při zastavení nebo náhle poruše. Brzda je podobně jako u navijáků mimo provoz při jejich práci, při vypnutí se zapíná. Spojka má obvykle za úkol ještě tlumit rázy při spuštění nebo přetížení. Neposledním požadavkem na konstrukci pohonu může být i řešení přetížení nad bezpečnou hodnotu a zabránění poškození hnaného agregátu. U hydraulických motorů je programování krouticího momentu, otáček, rozběhu a zastavení jednoduché, protože postačí elektromechanicky ovládat průtok a tlak. U elektromechanických pohonů se používají pružné spojky, pojistné spojky, prokluzové spojky. Někdy postačí mezi převodovku a hnaný agregát dát klínové řemeny, které řeší tlumení a přetížení zároveň.

SPSKS

-117-

3. 3 KOLESOVÁ RYPADLA Kolesová rypadla jsou v praxi používána především při lomovém dobývání ložisek uhlí a těžbu skrývky. Jsou to rypadla pracující kontinuálně. Jejich nasazení je možné jen v případě koncentrované těžby, kde jsou těženy největší objemy hornin. Zpravidla pracují s kontinuální dálkovou pásovou dopravou. Mají vysokou schopnost dobývání i obtížně rozpojitelných hornin, předčí je pouze korečková rypadla. Hranicí pro jejich rozpojovací sílu je hodnota 120 kN.m-1. Pokud je tato hodnota překročena, technologie těžby předepisuje plošnou „nátřesnou střelbu“. Jejich technologickou výhodou je zejména u moderních konstrukcí schopnost selektivní těžby. Základním znakem kolesových rypadel je dobývací zařízení, kterým je koleso (str. 102). Jde o kotouč, který je po obvodu osazen korečky, jež se vyprazdňují bočním skluzem. Kolesa mohou být z hlediska jejich kinematiky (smyslu otáčení): - kolesa pro horní záběr, - kolesa pro spodní záběr. Toto rozdělení je jistým ekvivalentem pro hloubkovou a výškovou lopatu u lopatových rypadel. Jde o to, že korečková rypadla mohou těžit horninu nad i pod úrovní pojezdové pláně. Této skutečnosti musí odpovídat i konstrukce kolesa. Korečky jsou otočeny obráceně. Stejná je i situace u korečkových rypadel. Pouze korečková plovoucí rypadla z principu těží vždy spodním záběrem.

SPSKS koleso pro horní záběr

koleso pro spodní záběr

Obr. 115 Schéma kolesa pro horní a dolní záběr

3.3.1 KONSTRUKCE KOLES Důležitým členícím znakem konstrukce kolesa je konstrukce korečků, které pak dělíme na: - kolesa komorová, - kolesa polokomorová (dvojkomorová), - kolesa bezkomorová. Komorová kolesa mají rozdělené vlastní koleso na 6 – 8 komor a každá komora má svůj koreček. U kolesových rypadel nelze vysypat koreček jeho obrácením „dnem vzhůru“ ani otevřením dna. Výsyp musí směřovat axiálně (podél osy). V pravoúhlém promítání lze velmi

-118-

obtížně srozumitelně nakreslit toto uspořádání. Lze to pouze v axonometrickém provedení. Koleso pro horní záběr (obr. 116) nabere těženou horninu a vynáší ji směrem vzhůru. V určité poloze se zemina začne sesouvat po skluzu komory „do strany“ na dopravní pás nebo shazovací váleček.

dvojkomorové koleso pro horní záběr koreček skluzová plocha

komora (komory)

jednokomorové koleso pro horní záběr

SPSKS koleso bezkomorové koleso pro horní záběr

schéma osového řezu kolesem

Obr. 116 Schéma konstrukce koles v axonometrické kresbě

Kolesa polokomorová (dvojkomorová) byla konstruována proto, že komorová kolesa nemohou mít velký počet korečků, komory by byly úzké a docházelo by k jejich ucpávání těženou horninou. Pokud je vhodné mít více korečků na kolese, přiřadí se dvěma korečkům jedna komora. Takto lze zdvojnásobit počet korečků a komora má dostatečné rozměry.

3.3.2 KONSTRUKCE VÝLOŽNÍKU Z pohledu kinematiky kolesových rypadel lze tato rozdělit na: - kolesová rypadla s výsuvným výložníkem, - kolesová rypadla bez výsuvného výložníku. Toto rozdělení má zásadní vliv na technologii těžby. Výsuv je konstrukčně řešen jako teleskopická příhradová konstrukce, která je vysouvaná lanovým převodem, kdy mění svoji

-119-

délku. Tato konstrukce je identická u výložníkových jeřábů na kolovém podvozku, kdy je nutné pro transport výložník zkrátit na únosnou mez. Z obrázku 117 je patrné, že těžba libovolnou technologií se provádí snadněji s výsuvným výložníkem, který disponuje větší plochou k odtěžení. Otáčení nástavby mají obě konstrukce stejné. Kolesové rypadlo s výložníkem bez výsuvu musí manévrovat podvozkem a to je zdlouhavá operace, kterou není možné provést kontinuálně s těžbou.

výložník bez výsuvu

výložník s výsuvem

Obr. 117 Schéma kinematiky kolesového rypadla podle konstrukce výložníku

SPSKS

3.3.3 KONSTRUKCE PODVOZKŮ

Na obrázku 118 je nakresleno jednoduché schéma kolesového rypadla na housenicovém podvozku. Tato rypadla lze také rozdělit podle použitého podvozku. S ohledem na mimořádné rozměry stroje a hmotnosti v řádu tisíců tun padají do úvahy pouze dva typy podvozků: - housenicové, - kráčivé. Housenicové podvozky mohou být ve vztahu k hmotnosti kolesového rypadla housenice jednoduché, zdvojené a čtyřnásobné. Stabilita těchto rypadel s ohledem na jejich výšku a hmotnost vyžaduje pojezdovou pláň upravenou do roviny s povoleným maximálním sklonem. Celý stroj se opírá o pojezdovou pláň ve třech bodech. Je tomu tak proto, že rovina (pojezdová pláň) je z pohledu matematiky definována třemi body (klouby upnutí housenic). Tyto body tvoří rovnostranný trojúhelník a v jeho těžišti se nachází osa rotace celé nástavby stroje. Řízení podvozku smykem, jak je známé u dozerů, zde nepadá v úvahu, protože vzdálenosti těchto bodů jsou v desítkách metrů. Housenicové podvozky se proto natáčí hydraulickým mechanizmem, podobně jako se natáčí řídící kola automobilu. Schéma uspořádání housenic a podvozku při pojezdu podél porubní fronty je patrné z obrázku 119.

-120-

lana zdvihu výložníku

věž horní stavba

zdvih kolesa

otáčení rypadla na podvozku

SPSKS

koleso

otoč výložník

Obr. 118 Schéma jedné z konstrukcí kolesového rypadla

-121-

dopravní cesty

podvozky

most

zdvojené housenice

směr pojezdu rypadla

jednoduché housenice

SPSKS čtyřnásobné housenice

kombinované uspořádání

Obr. 119 Schéma konstrukcí housenicových podvozků kolesových rypadel

3.3.4 DOPRAVNÍ CESTY KOLESOVÝCH RYPADEL Korečková rypadla, jako většina dobývacích strojů, jsou vybavena dopravními cestami, které transportují kontinuálně těženou horninu k dálkové dopravě. Dopravní cesty musí respektovat konstelaci (vzájemné postavení) jednotlivých částí kolesového rypadla. Kinematika celého rypadla totiž umožňuje v půdorysném pohledu měnit polohu výložníku a mostu. Tento pohyb se podobá pohybu hodinových ručiček analogových hodinek. Rozměry výložníku i mostu dosahují desítek metrů a dopravní trasa musí být schopna přepravit s rezervou veškerý vytěžený materiál. Jako dopravní trasa se využívá systém pásových dopravníků. Na obrázku 118 jsou tyto trasy označeny barevně pro větší přehlednost. V půdorysném pohledu vypadají tyto trasy podle obrázku 120. Častější varianta je použití pásových dopravníků, které na sebe navazují prostřednictvím přesypů. Při pohybu mostu a výložníku kolem svislé osy rypadla se pouze mění úhel, který má být tupý. Druhou variantou je použití kruhového dopravníku, ve kterém je pohyb materiálu identický pohybu motorových vozidel po kruhovém objezdu, kde se mění poloha výjezdu.

-122-

kruhový dopravník

dopravní cesty přímými dopravníky

dopravní cesty s kruhovým dopravníkem

Obr. 120 Schéma konstrukcí dopravních cest na kolesovém rypadle

SPSKS

3.3.5 POHONY KOLES A OSTATNÍCH AGREGÁTŮ

Dobývání kolesovými rypadly se používá u nejvýkonnějších technologických celků. Z konstrukce kolesových rypadel je zřejmé, že potřebné výkony na samotném kolese dosahují řádu megavat. Pohon samotného kolesa je možný pouze z jedné strany, protože na straně druhé jsou konstrukční uzly, které zajišťují transport vytěženého materiálu. Stávající pohony lze rozdělit na dva druhy: - jednoduchý pohon, - parciální pohon. Jednoduchý pohon kolesa znamená, že je použito jednoho elektromotoru a jedné kuželočelní převodovky. Parciální pohon předpokládá použití více jednoduchých pohonů „za sebou“. Výhody a nevýhody obou řešení přesahují tuto učebnici. Součástí pohonu je i pojistná spojka, která při prudkém nárůstu řezného odporu proklouzne a znemožní tak přenos rázu do výložníku. Tím pádem i problémy se stabilitou celého stroje. Vedle pohonu kolesa, které je těžícím zařízením, jsou dalšími pohony agregáty určené k natáčení nástavby rypadla, pojezdu podvozků, navíjedel výložníku, dopravních cest apod. Hnacím agregátem jsou asynchronní elektromotory. Konstrukčně jsou uspořádány vždy stejně: motor, spojka, převodovka, brzda. Napájecí napětí těchto motorů je 6 kV a energie je přiváděna pomocí kabelu, který je dopravován na tzv. kabelových vozech. Jsou to cívky s navinutým kabelem, které se pohybují na housenicových podvozcích nezávisle spolu s postupem rypadla.

-123-

3.4 KOREČKOVÁ RYPADLA Korečková rypadla patří do skupiny rypadel, která těží horninu kontinuálně. Výkony těchto rypadel jsou srovnatelné a řezný odpor může dosahovat hodnoty až 150 kN.m-1, čímž překonávají i kolesová rypadla. Technologicky jsou využívána při skrývkových pracích, těžbě písku, štěrkopísku a hlín. Jejich výhodou je relativní snadnost provádět selektivní těžbu, která je v našich geologických podmínkách žádoucí. Rozpojovacím orgánem je zde korečkový řetěz, který je konstrukčně velmi podobný jako u korečkových plovoucích rypadel. Technologie těžby může být vedena výškovým a hloubkovým řezem (těží výš, než je pojezdová pláň, a těží níže, než je pojezdová pláň). Častěji je těžba prováděna hloubkovým řezem. Obě technologie vyžadují vlastní konstrukci rozpojovacího orgánu, který má obráceně korečky, stejně jako je tomu u koles. Postup rypadla je frontálním (nejčastější), blokovým i poloblokovým způsobem. Technologii těžby odpovídá podvozek: - frontální způsob – kolejový podvozek, - blokový způsob – housenicový nebo kráčivý podvozek, - poloblokový – housenicový nebo kráčivý podvozek.

3.4.1 KOREČKOVÝ ŘETĚZ Korečkový řetěz je konstrukčně podobný korečkovému řetězu plovoucích rypadel, ale je poněkud složitější. Vlastní korečkový řetěz je ve vztahu k nosnému prvku – výložníku buď: - s volným řetězem, - vedeným řetězem.

SPSKS

Rozdíl konstrukcí je v tom, že volné řetězy dovolují ve směru gravitace jistý průvěs řetězu i korečkům. Je tomu tak vždy u plovoucích rypadel. Vedený řetěz neumožňuje průvěs a korečkový řetěz je veden po dráze výložníku.

vedený korečkový řetěz

volný korečkový řetěz

Obr. 121 Schéma konstrukcí korečkového řetězu pro hloubkový řez

-124-

vyprázdnění korečku

vyprázdnění korečku

Korečkové řetězy pozemních korečkových rypadel se odlišují od korečkových řetězů plovoucích korečkových rypadel a korečkových elevátorů obr. 42 a 43. Korečková rypadla mají opticky obrácené korečky jako dobývací konstrukční uzel. Důsledkem obrácení korečků je nutné změnit způsob jejich vyprazdňování. Zatímco u korečkových elevátorů a plovoucích rypadel je koreček vyprázdněn „přes okraj nádoby“, u korečkových rypadel je nutné koreček vyprázdnit otevřením dna nádoby korečku. Způsob vyprazdňování je tak podobný kolesovým rypadlům.

SPSKS

vyprazdňování korečků dnem rypadel - hloubkový i výškový řez

korečkových

vyprazdňování korečků elevátorů a plovoucích korečkových rypadel

Obr. 122 Schéma rozdílů vyprazdňování korečků

3.4.2 VÝLOŽNÍKY KOREČKOVÝCH RYPADEL Výložníky korečkových rypadel pro povrchovou těžbu jsou poněkud složitějších konstrukcí, než je tomu u plovoucích korečkových rypadel. Zatímco u plovoucích korečkových rypadel je výložník tuhá konstrukce, která se naklápí ve svislé rovině kolem kloubu, výložníky pozemních rypadel mohou mít více kloubů. Pohyb výložníku umožňuje nejenom změnu polohy, ale také tvaru. Vícekloubové výložníky umožňují selektivní těžbu. Výložník může mít kloubově uloženou část, která se nazývá zarovnávač. Technologicky slouží k zarovnání plochy, protože plocha řezu se následně stává pojezdovou plání. Ta musí splňovat určitá kriteria únosnosti a rovinosti. Je zřejmé, že ovládání vícekloubových výložníků vyžaduje více navijáků a jejich vzájemnou koordinaci při jeho polohování.

-125-

ramena výložníku se zarovnavačem

ramena výložníku bez zarovnavače

kinematika pohybu výložníku korečkového rypadla při hloubkovém dobývání

ramena výložníku bez zarovnavače

kinematika pohybu výložníku korečkového rypadla při výškovém dobývání

SPSKS

Obr. 123 Tabulka kinematiky při hloubkovém a výškovém dobývání korečkovými rypadly

-126-

navijáky

výložník s dopravním pásem otočná nástavba

výložník s korečkovým řetězem

podvozek

zarovnavač

Obr. 124 Schéma jedné z konstrukcí korečkového rypadla

SPSKS

3.4.3 DOPRAVNÍ CESTY

Dopravní cesty jsou řešeny výhradně skládáním přímých úseků pásové dopravy. Výložník se může otáčet kolem osy v určitém intervalu, čímž technologicky eliminuje vzdálenost dálkové pásové dopravy, která je nejčastějším prostředkem transportu vytěženého materiálu. Existují i konstrukce korečkových rypadel, které nemají vykládací výložník a vytěžený materiál je veden výsypkou mezi podpěry podvozku, kde se sype přímo na dopravník dálkové pásové dopravy nebo na železniční dopravní prostředky.

3.4.4 POHONY DOBÝVACÍHO ZAŘÍZENÍ A OSTATNÍCH AGREGÁTŮ Pohon korečkového řetězu je v zásadě stejné konstrukce, jako je tomu u plovoucích korečkových rypadel. Jde tedy o pohon asynchronním motorem. Ostatní agregáty, jako jsou navijáky, otoč, dopravní cesty, hnací ústrojí podvozků apod., jsou rovněž poháněny asynchronními elektromotory.

-127-

3.5 LOPATOVÁ RYPADLA Lopatová rypadla jsou cyklicky pracující dobývací stroje. Pracovní cyklus cyklicky pracujícího rypadla, které rozpojuje a transportuje materiál mechanicky, je na obrázku č. 100. Rypadla pracující kontinuálně mají principiálně vyšší výkony v těžbě, protože pracovní cyklus se překrývá. Lopatová rypadla proto mají s ohledem na objem dobývacího zařízení – lopaty menší výkon. Jejich technologickou výhodou je nejvyšší schopnost selektivní těžby, s ohledem na jejich menší hmotnost větší manévrovací schopnosti a určitá univerzálnost použití i k jiným technologiím, než je dobývání. Další technologickou výhodou je možnost pracovat při větších sklonech pojezdové pláně (až 12°). Je tomu tak díky nižší výšce těžiště strojů. Od lopatových nakladačů se lopatová rypadla odlišují pouze robustnější konstrukcí dílů dobývacího zařízení a četnějším použitím housenicových podvozků. Technologicky jsou lopatová rypadla používána jako těžební zařízení, ale jsou používána i jako zařízení na odtěžování, selektivní těžbu v obtížných geologických podmínkách a jako pomocná mechanizace v povrchových lomech. Rozpojovací schopnosti jsou vyšší než u kolesových a korečkových rypadel a jsou zvýšeny vyšším stupněm volnosti dobývacího zařízení – lopaty. Těžit proto mohou i pevné horniny nebo horniny rozpojené nátřesnou střelbou. V zahraničí se pro velké výkony konstruují lopatová rypadla obřích rozměrů, ale údaje o nákladech na jejich provoz chybí. Z technologického hlediska se nasazují tam, kde se využívá vnitřních výsypek, kdy se rypadlo otočí a za sebe ukládá netěženou horninu. Při větších přepravních vzdálenostech je u velkých objemů lopat problém převést cyklickou těžbu na kontinuální dopravu. Také proudové nárazy do sítě při zatížení v jednotlivých fázích pracovního cyklu jsou problematické. Podle objemu lopaty dělíme lopatová rypadla na: -

SPSKS

malá s objemem lopaty do 0,75 m3, střední s objemem lopaty do 4 m3, velká s objemem lopaty nad 4 m3.

Poznámka: Největší lopatová rypadla mají v ČR objem lopaty 7 – 8 m3, což je při přepočtu na krychli velikost hrany asi 2m. V zahraničí pracují lopatová rypadla s objemem lopaty až 50 m3. Velikost hrany krychle je tak 3,68 m. Dalším třídícím znakem lopatových rypadel je konstrukce podvozku, podle kterého je dělíme na: -

housenicové (jsou nejčastější), kráčivé (pro málo únosné terény), kolové (malá rypadla).

Pro použití podvozku platí stejná kriteria jako u ostatních rypadel. Rozhodující je kompromis mezi únosností předpokládaného terénu, potřebou manévrování a hmotností stroje. Ovládání celého mechanizmu lopaty (obecně výložník, násada, topor) je dalším členicím znakem lopatových rypadel. Může být: -

lanové (mechanické), hydraulické.

-128-

Ovládání lany je v poměrech střední Evropy relativně vzácné a naprosto zde dominují lineární hydromorory. Ovšem u obřích rypadel nebo strojů, které pracují v arktických podmínkách extrémně nízkých teplot, se jeví lanové pohony a jejich ovládání navijáky jako spolehlivější řešení. Podobně jako ostatní rypadla mohou i lopatová rypadla těžit ve výškovém řezu, kdy je dobývaná hornina v řezu, který je výš než pojezdová pláň. Těžit mohou i v hloubkovém řezu, kdy je tomu naopak. Rozdíl v konstrukci lopatového rypadla je pouze v použité lopatě (případně ve způsobu jejího vyprazdňování). Podobně je tomu také u korečkových a kolesových rypadel.

SPSKS

s výškovou lopatou

housenicový podvozek

s hloubkovou lopatou

kolový podvozek

Obr. 125 Schéma variant konstrukcí mechanických lopatových rypadel

-129-

s drapákem

kráčivý podvozek

s výškovou lopatou

s hloubkovou lopatou

s drapákem

SPSKS housenicový podvozek

kolový podvozek

kráčivý podvozek

Obr. 125 Schéma variant konstrukcí hydraulických lopatových rypadel

3.5.1 KINEMATIKA ROZPOJOVACÍCH ORGÁNŮ Už z obrázků 124 a 125 je zřejmé, že kinematika lopatových rypadel umožňuje výhodně dosahovat poloh lopaty k dobývání výškovému i hloubkovému. Veškeré typy lopat, případně dalších nástrojů, jsou polohovatelné mechanizmem. Počet jeho kývavých prvků může být 1 – 3. Varianty jsou tedy, postupujeme-li od rámu stroje (otočné nástavby) výložník – lopata; výložník – násada – lopata; výložník – násada – topor – lopata. Konstrukce mechanizmu je stavebnicová. To znamená, že lze jednotlivé části sestavovat v libovolnou kombinaci. Síť na obr. 126, která má počátek na půdorysu průmětu podvozku, je v kartézské soustavě. Slouží k výběru rypadla pro technologické účely dobývání. Určuje např. dosažitelnou výšku a hloubku dobývání, velikost kroku pro pojezd rypadla apod.

-130-

9 8 7

násada

5

6

výložník

topor

2

3

4

otočná nástavba strojovna

1

hloubková lopata

0

SPSKS

-3

-2

-1

podvozek

6

5

4

3

2

1

0

Obr. 126 Schéma lopatového rypadla s hloubkovou lopatou se sítí pro kinematiku mechanizmu

Na obrázku 127 jsou neskenována základní rypadla s jejich kinematikou pracovní části. Každá konstelace a velikost pracovního mechanizmu znamená určitou kinematiku. Podle nomogramů lze vybrat vhodné rypadlo s ohledem na způsob těžby. Zvláště tato potřeba vyniká v případě požadavků na selektivní těžbu. Nomogramy poskytují i informaci o fázi práce lopatových rypadel výsyp s ohledem na způsob transportu vytěženého materiálu. Vedle mechanizmů složených z vyjmenovaných částí existují i mechanizmy, u kterých lze měnit délku výložníku nebo násady, které mohou být teleskopické. Konstrukčně se jedná o svařované plnostěnné nosníky, výjimečně o nosníky příhradové.

-131-

kinematika drapáku - tříprvkový mechanizmus

kinematika hloubkové mechanizmus

lopaty

-

dvouprvkový

SPSKS kinematika hloubkové mechanizmus

lopaty

-

tříprvkový

kinematika výškové mechanizmus

lopaty

-

dvouprvkový

Obr. 127 Příklady kinematiky základních lopat lopatových rypadel

3.5.2 PODVOZKY LOPATOVÝCH RYPADEL Konstrukce podvozků lopatových rypadel je poněkud jiná, než byla konstrukce podvozků kolesových a korečkových rypadel, ač terminologicky jsou shodné. Rozdíl je především v jejich ovládání, které je z velké části předurčené technologií těžby, která může být bloková nebo frontální. Hmotnost lopatových rypadel je řádově menší než u rypadel kolesových nebo korečkových, kde hmotnosti dosahují řádově tisíce tun. Odlišnost je v ovládání podvozků. Housenicové podvozky obřích rypadel z obrázku 119 jsou ovládány ve směru pohybu

-132-

mechanizmem, který je otáčí kolem osy. U lopatových rypadel se k ovládání směru využívá jiného principu. Tímto principem je smyk. Smyk představuje složený pohyb housenic s tím, že jedna housenice se zabrzdí (částečně nebo úplně) a druhá se pohybuje. Výsledkem je otáčivý pohyb. Stejně lze ovládat i kolové podvozky za určitých předpokladů. Kráčivé podvozky jsou na ovládání relativně nejsložitější, protože pohyb je ovládán soustavou lineárních hydromotorů, které je nutné přesně řídit. Takové řízení dnes realizuje výhradně počítač. Pro značnou složitost konstrukce a ovládání se pro účely této publikace omezíme na přirovnání, že pohyb je z pohledu biomechaniky podobný chůzi krabů .

směr natáčení podvozku

brzděná kola

směr natáčení podvozku

brzděná housenice

housenice v záběru ovládání směru pojezdu housenicového podvozku

kola v záběru ovládání směru pojezdu kolového podvozku

Obr. 128 Princip ovládání podvozků lopatových rypadel

SPSKS

Ovládání směru pojezdu kolových podvozků musí splňovat podmínku malé rozdílnosti mezi rozchodem a rozvorem kol. I za ideálních podmínek dochází při smyku k těžkému namáhání dezénu pneumatik a otěru. Kolové podvozky mohou mít tzv. dvoumontáž. Další variantou je použití ochranných sítí na pneumatiky. Ovládání směru pohybu smykem je „opticky“ velmi zajímavé, protože stroj lze otočit na místě bez respektování poloměru otáčení. Toto se však děje za enormního namáhání brzděných částí, které jsou vystaveny otěru a tečným silám. Důvodem, proč se u velkých lopatových rypadel nepoužívá k ovládání směru pojezdu natáčení kol, je vysoká hmotnost a z toho vyplývající namáhání náprav a případných kloubů. Pouze malá rypadla je možné instalovat otočí na podvozky terénních nákladních automobilů.

3.5.3 LOPATY A OSTATNÍ NÁSTROJE LOPATOVÝCH RYPADEL Konstrukce lopatových rypadel je ukázkovým příkladem unifikace a stavebnicové filozofie. Jednotlivé stroje lze skládat do konfigurací podvozků, mechanizmů dobývání, ale také pracovních nástrojů. Technologie těžby lopatovými rypadly se posouvá k rozpojování stále pevnějších hornin. Důvodem tohoto posunu je environmentální snaha omezovat použití trhacích prací. Dalším aspektem rozvoje speciálních nástrojů je snaha o využití tzv. R – matriálů. To jsou uměle vyrobené materiály, které se získávají demolicí staveb. Mezi tyto patří všechny typy betonů (prostý, železový, předpjatý, asfaltový), keramické materiály apod. Vedle pracovních nástrojů uvedených na obrázku 129 existují i nástroje, jako jsou drticí kleště, koule k rozbíjení, kotoučové pily, rotační třídiče, čelisťové drtiče apod.

-133-

vyklápěcí lopata

rýhovací lopata

nakládací lopata

hloubková lopata

SPSKS

impaktor (bourací kladivo)

elektromagnet

vícečelisťový drapák

dvoučelisťový drapák

vrták

Obr. 129 Pracovní nástroje lopatových rypadel

Pro rozpojování, jakožto nejobtížnější fázi pracovního cyklu lopatových rypadel, je velmi důležitým konstrukčním uzlem břit nástroje, který těženou horninu rozpojuje. Jde o součást,

-134-

která má zkrácenou dobu životnosti. Je vystavena vysokým tlakům, ohybům a abrazi. Břit lopaty musí být konstrukčně uzpůsoben hornině a geologickým podmínkám těžby. Pro snadno rozpojitelné materiály může být břit hladký. Pro materiály tvrdé a pevné se břit osazuje různými typy zubů. Ty zvyšují kontaktní tlak na těženou horninu, která v důsledku své křehkosti praská. Výběr tvaru a materiálu zubů je záležitost spíše empirická (zkušenostní) než exaktní. Materiály zubů jsou vyráběny z otěruvzdorných ocelí na bázi Hadfieldovy oceli. Vynikají vysokou houževnatostí a tvrdostí povrchu. Zajímavou informací je skutečnost, že díky abrazi povrch materiálu zubů tvrdne, protože mění strukturu. Samotná Hadfieldova ocel je díky vysokému podílu manganu v roli legurovacího prvku diamagnetická. V případě vylomení zubu tedy hrozí nebezpečí, že se dostane do technologie zpracování a úpravnictví. Většinu typů zubů lopatových rypadel lze nalézt i na břitech kolesových a korečkových rypadel a obecně i jiných rozpojovacích nástrojů (dozery, vrtáky apod.). Důležitým konstrukčním uzlem je také připojování zubů k břitu rozpojovacího nástroje. Terminus technicus součást se zkrácenou životností znamená, že součást se vyměňuje relativně často na rozdíl od součásti, na kterou se připojuje nebo je s ní ve funkci. Existuje celá řada technologií spojení zubu s břitem, nejčastějšími jsou: - přivaření svarem elektrickým obloukem, - montáž spojovacími šrouby, - bajonetový spoj.

SPSKS Obr. 130 Tvary zubů na břitech rozpojovacích nástrojů

Konstrukční provedení lopat podle obrázku 129 ukazuje, že lopata je mimořádně namáhaná součást, která musí vyhovovat mnohdy protichůdným požadavkům. Největší problémy u konstrukcí lopat dobývacích strojů jsou velké síly, které namáhají nádobu lopaty, která je svařovaná. Dalším problémem je silné namáhání otěrem nejenom na břitu, ale otěrem jsou namáhány i boky lopaty a materiál za břitem. Problematická je také konstrukce lopat, které dobývají materiál, jenž se vyznačuje lepivostí a problematizuje část cyklu, kdy se nádoba lopaty vyprazdňuje. Řešení je v konstrukčním materiálu, kdy se hledá vhodná ocel pro abrazivní prostředí, která je však obrobitelná na standardních strojích. Druhou filozofií konstrukce lopat je cyklické prodlužování její životnosti montáží otěruvzdorných ploch na exponované části nebo navařování housenek svarů z elektrod z otěruvzdorných materiálů.

3.5.4 POHONY LOPATOVÝCH RYPADEL Lopatová rypadla mohou být poháněna vznětovým spalovacím motorem nebo elektrickými pohony. Hranice použití obou typů motorů je dána velikostí rypadel. Velká rypadla mají vždy elektrický pohon a menší možnost pohonu spalovacím motorem není pevná. Ekonomika provozu v některých obdobích posunuje elektrický pohon i k menším strojům. Pohony jednotlivých uzlů mohou být kombinované. Mezi základní uzly, které mají pohony patří:

-135-

-

pohony pojezdu, pohony otoče, pohony navijáků, pohony mechanizmu lopaty.

U pojezdu se může uplatňovat pohon elektrický, který je sestaven z elektromotoru, spojky a převodovky. Další možností je použití rotačního hydromotoru. Pohony navijáků mohou být mechanické nebo hydraulické, přičemž se využívá k pohonu navíjecích bubnů rotačních hydromotorů. Pohony mechanizmů lopat mohou být lanové nebo hydraulické, kdy se používá lineárních hydromotorů. Mechanické pohony se dnes využívají převážně v extrémních podmínkách těžby, kdy extrémním faktorem je nízká teplota. Provoz hydrauliky za teplot pod – 30 °C je problematický. Většina lopatových rypadel je v našich zeměpisných šířkách poháněna hydromotory. A to buď rotačními, nebo lineárními. Čerpadla jsou poháněna buď spalovacím motorem, nebo elektromotory. Výhodou kombinace elektromotor a hydraulický pohon je možnost velmi jemného řízení a programování pro řídící procesory.

3.6 RYPADLA S VLEČNÝM KOREČKEM - DRAGLINE Rypadla s vlečným korečkem se někdy zařazují do skupiny lopatových rypadel. Mechanizmus rozpojování a kinematika pohybu lopaty je však natolik odlišná, že většina odborné literatury se přiklání k samostatnému popisu. Technologicky se tento typ rypadel využívá při dobývání hornin jako hlavní dobývací stroj. Rozpojitelnost hornin je od I. – IV. třídu, což je poněkud exaktněji do 110 kN.m-1. Při těžbě nadloží se s velkou výhodou rypadel s vlečným korečkem používá při odkládání na vnitřní výsypku. Odpadají tak dopravní cesty. Dragline pracují při těžbě zásadně v bloku, frontální těžba by byla obtížná a neefektivní. Dále zásadně těží hloubkovým způsobem. Materiál je tedy těžen pod úrovní pojezdové pláně. Základní výhodou těchto rypadel je mimořádně dlouhý výložník. Kinematika s mimořádně velkou vodorovnou odlehlostí předurčuje tento druh rypadel i k jiným účelům. Těmi může být čištění vodotečí a vodních děl, speciální těžba z vody, technologie dávkování z vějířových skládek apod. Velikost vlečných korečků může dosahovat až k řádu desítek m3. Největší objem autor nalezl v Rusku, a to 90 m3 , což odpovídá hraně krychle asi 4,47 m. Podvozky rypadel s vlečným korečkem jsou omezeny na: - housenicový, - kráčivý.

SPSKS

Kinematika pohybu vlečného korečku závisí na ovládání dvou navijáků lan. Lano zdvihu je navíjeno přes kladku na konci výložníku. Druhým ovládacím lanem je tažné lano, kterým se koreček vleče v záběru. Kombinace pohybu obou lan a jejich „odmotání“ určují polohu vlečného korečku. Posledním lanem je lano, které ovládá polohu výložníku. Jednotlivé fáze polohy vlečného korečku jsou zřejmé z obrázku 132.

-136-

navijáky

ovládací lana

výložník lano zdvihu

tažné lano

vlečný koreček

Obr. 131 Schéma rypadla s vlečným korečkem

SPSKS zatížené lano spouštění korečku zaboření břitu do „do záběru“ těžené horniny

odlehčené lano plnění vlečného korečku tažením v záběru

vyprazdňování korečku

Obr. 132 Schéma pracovních fází vlečného korečku

3.6.1 KONSTRUKCE VLEČNÉHO KOREČKU Pro konstrukci vlečného korečku platí stejné zásady jako pro hloubkové lopaty. Jejich specifikem jsou úpony lana zdvihu a tažného lana. Polohování prázdného i naplněného vlečného korečku vyžaduje zvládnutí změny polohy těžiště a koordinaci pohybu a zatížení obou lan.

-137-

3.7 HYDROMONITORY Hydromonitory jsou v odborné literatuře zařazovány obecně do hydraulického dobývání. Existují technologie v oblasti těžby ropy a zemního plynu, kde se používá technologií, které statickým tlakem rozrušují horninu. Hydromonitory však mají fyzikální princip hydrodynamický. Ten spočívá v rozrušování hornin kinetickou energií vodního paprsku. Takto lze těžit horniny od I. do III. třídy těžitelnosti. Dále je zde omezena velikost zrna na asi 40 mm. Použití hydromonitorů omezuje použití technologické a dálkové dopravy vytěžené horniny na žlaby a potrubí. Podmínkou použití této technologie je rozplavitelnost těžené horniny. Z hlediska mechaniky zemin to znamená dosažení meze tekutosti. Těžba je omezena na výškovou těžbu a blokově. K pochopení fyzikálního principu nechť slouží rozbor Bernouliho rovnice. p1 w22 p2 w12 —— + h1 + —— = — + h2 + —— + ζ 2g ρ .g 2g ρ .g Tato rovnice popisuje, kterak se tlak vody (tedy energie tlaku) mění na energii kinetickou (pohybu). Pokud zanedbáme ztráty ζ a rozdíl výšek h1 a h2, lze rovnici redukovat na: w12 p1 —— + —— = 2g ρ .g

w22 p2 —— + —— 2g ρ .g

SPSKS

Do hydromonitoru přivádíme vodu pod vysokým tlakem p1 velmi nízkou rychlostí w1 v řádu jednotek m.s-1 na výstupu z trysky získáváme téměř nulový tlak p2 a vysokou rychlost w2. Kinetická energie je obecně dána vztahem: 2

m. w Ek = ——— 2 Platí tedy, že kinetická energie vodního paprsku je úměrná množství vody a druhé mocnině rychlosti, kterou proudí. Konstrukce hydromonitoru je relativně jednoduchá a je patrná z obrázku. kulový kloub

přívod tlakové vody

tryska

trouba proud vody s vysokou rychlostí

Obr. 133 Schéma hydromonitoru

-138-

Celé zařízení může být semistabilní, což znamená, že se ukotví na rámu k pevnému podloží nebo může být dopravováno na jednoduchém podvozku. Z konstrukce je patrné, že jde o jednoduché zařízení, které má malou hmotnost. Trouba je otočná ve spojení kolen ve vodorovné rovině a v kulovém kloubu lze trysku směřovat ve svislé rovině. Hnacím agregátem je asynchronní elektromotor nebo spalovací motor s čerpadlem. Obecnou snahou je vody použít také k dopravě materiálů skluzy a potrubím. Voda se následně recykluje k opětovnému použití k čerpání do hydromonitoru.

4.0 VRTACÍ STROJE Vrtací stroje jsou stroje a zařízení, která realizují technologii vrtání. Jde o technologii, která v materiálu vytvoří otvory několika tvarů s různými rozměry v poměrně dosti širokém rozsahu. Tyto technologie se velmi rychle rozvíjejí, protože mají řadu fyzikálních možností rozvoje. Pro pochopení např. technologie řezání má omezený rozvoj produktivity práce vývojem abrazivních materiálů, protože obraze je významným fyzikálním principem uplatňovaným při řezání. U vrtání je fyzikálních principů více, např. energie rázu, kontaktní napětí, tepelné gradienty apod. Tvary otvorů, kterých se v praxi těžby a zpracování hornin užívá, jsou zřejmé z obrázku 134.

SPSKS kruhový otvor (plný profil)

mezikruží

speciální otvor

Obr. 134 Schéma tvaru otvorů technologií vrtání

Vedle tvarů průřezů otvorů je důležitý jejich rozměr a hloubka otvoru. Rozměry otvoru, jehož hlavním parametrem je průměr, mohou být od setin mm do několika metrů. V oblasti těžby a zpracování hornin se rozsah průměrů u malých průměrů redukuje o otvory pro speciální užití, které se provádějí do minerálů. Pro otvory v řádu metrů se rozsah redukuje o technologie a vrtací stroje určené k vrtání tunelů, pilot, milánských stěn apod. Hloubka vrtaných otvorů může být v řádu desetin mm až po 10 km u průzkumných vrtů. Je zjevné, že takovýto obrovský rozsah hloubek vyžaduje širokou škálu konstrukcí a využití mnoha fyzikálních principů. Aspekt základních rozměrů vrtů, tedy jejich průměr a hloubka, souvisí s cílem vrtu. Technologové projektují vrty k mnoha účelům, které lze různě dělit. Podle toho mohou být vrty průzkumné, odvětrávací, odvodňovací, pozorovací, pro různé druhy trhacích prací, pro těžbu plynů a kapalin, pro získání polotovaru válcovitého tvaru apod. Z hlediska stavby a provozu strojů lze způsoby rozpojování hornin technologiemi vrtání rozdělit podle následujícího schématu tabulky na obr. 135. Pro spojení fyzikálního principu rozpojení při vrtání a jeho vhodnosti je tabulka doplněna určitým rámcem použití.

-139-

rotačně příklepné s použitím úderů o nižší frekvenci, ale vysoké energii úderů

s dláty diskovými

s dláty zubovými

plazmové

Rotačně nárazové (vibrační) s použitím úderů o energii úderů vyšší až vysoké frekvenci a nízké energie úderů

vibrační

vysokofrekvenční a nízkofrekvenční indukční kontaktní metoda ultrafrekvenční metody

infra kmitání vyvozované hydraulickými rezonátory

ultrasonocké a sonické vibrace

ostatní vodní paprsek

laser

chemické metody

SPSKS s dláty roubíkovými

příklepové

v horninách středně tvrdých – korunky a dláta s břitem ze SK

v horninách měkkých listová dláta

nárazové

v horninách tvrdých a velmi tvrdých – korunky a dláta s diamanty

vrubové

ZPŮSOBY ROZPOJOVÁNÍ HORNIN PŘI VRTÁNÍ FYZIKÁLNÍ MECHANICKÉ rotační kombino- termické elektrokombino-vané termické třískové obrusné valivé vané vysokoelektrofrekvenční hydraulické indukční metody plamenové metoda

Obr. 134 Rozdělení základních fyzikálních principů uplatňovaných ve vrtání

Toto rozdělení není úplné, protože vrtání umožňuje rozvoj nebo alespoň vývoj dalších fyzikálních metod, které svedou rozrušit vrtaný materiál. Pro úplnost lze některé alespoň vyjmenovat: - vrtání nárazy kuliček (kinetická energie rázu), - implozivní vrtání (imploze je opakem exploze), - explozivní vrtání ( mikrovýbuchy na čele vrtu), - erozivní vrtání (urychlení některých erozivních procesů na čele vrtu), - nukleární vrtání (projektil rozžhavený jadernou reakcí taví vrtaný materiál a projektil se ponořuje), - vrtání mikrovlnami, - vrtání jiskrou.

-140-

4.1 TEORETICKÉ ZÁKLADY ROZPOJOVÁNÍ HORNIN PŘI VRTÁNÍ 4.1.1 MECHANICKÉ ROZPOJOVÁNÍ HORNIN Potenciál rozvoje výkonů strojů, které slouží k technologiím vrtání, je v tom, že zde lze uplatnit řadu fyzikálních principů, kterých navíc může najednou působit víc. Pro vrtání hornin je třeba mít na paměti skutečnost, že rozpojení hornin je spojeno s napětím. Pro všechny horniny platí vztah mezi napětím a poměrnou deformací dle obr. 135. σ [MPa] TAH

ε [-]

TLAK

SPSKS

Obr. 135 Diagram napětí – poměrné prodloužení pro horniny

Z uvedeného diagramu je zřejmé, že horniny jsou křehké materiály, což znamená, že po dosažení určité hodnoty napětí je překonána jejich pevnost a zkušební vzorky se rozpadají na více kusů, tedy ztrácí konzistenci. Horniny se tedy nedají na rozdíl od některých jiných materiálů deformovat. Dále je zřejmé, že napětí v tahu může být pro dosažení mezního stavu pevnosti 3 – 10 x menší než napětí v tlaku. Pro použití horniny k nosným účelům musí být namáhány výhradně tlakovým napětím. Pro rozpojení horniny je vhodnější a energeticky účinněji využít tahových napětí. Vyvolat napětí v tahu u drceného zrna nebo na čelbě vrtu lze. Postačí vědomí, že např. ohyb je kombinací tahu a tlaku. Jsou i jiné metody, jak způsobit alespoň lokálně tahová napětí, která materiál rozruší. Pro mechanické rozpojování horniny při vrtání jsou k dispozici tyto základní mechanizmy: - abraze (otěr) materiálu, - řezání materiálu, - drcení tlakem, - drcení nárazem. Abraze má fyzikální základ v otěru zrna, které je tvrdší o plochu, do které relativním pohybem vytvoří vryp. Generováním velkého množství vrypů dochází k úbytku materiálu zrna, ale k řádově většímu úbytku materiálu, který je vrtán. Limity tohoto fyzikálního principu jsou v omezených tlacích, které snese z hlediska pevnosti zrno, a vznikem vysokých teplot zapříčiněných třením, která ohrožují krystalické nebo chemické vazby zrna. Např. diamant jako nejtvrdší minerál snese teplotu do 700 °C a pak sublimuje (vypaří se). Teplota

-141-

souvisí nejenom s tlakem, ale také s rychlostí relativního pohybu. Tento princip je využíván u abrazivních metod vrtání na jádro, ale také u vodního paprsku s přídavkem abraziva, kterým je korund nebo druh pyropu. Zrna mohou být na pracovní ploše nástroje (vrtáku, resp. korunky) buď pevně uchycena v nějaké matrix, nebo mohou být přiváděna chladicí tekutinou v podobě volných zrn, jako je tomu u broušení. Tento fyzikální princip zjevně dovoluje použití metody na tvrdé a velmi tvrdé materiály. Pro měkké materiály bude sice spolehlivě vrtat, ale ekonomicky to budou velmi nákladné díry. Řezání materiálu je proces, při němž řezný nástroj ve tvaru klínu vniká do materiálu a odřezává třísku. Tento princip je známý z obrábění kovů. Vznikají zde tahová napětí, která oddělují třísku od obráběné plochy. Tříska může být plynulá u materiálů houževnatých nebo je drobivá u materiálu křehkých. Ze schématu je zřejmé, že tento způsob rozpojování vyžaduje velké přítlačné síly zvláště u křehkých a tvrdých materiálů, protože řezné odpory mají tendenci řezný klín vytlačit. Drcení tlakem je fyzikální princip, kdy do vrtaného nebo obecně obráběného povrchu křehkého materiálů statickým tlakem vtlačujeme těleso nebo zrna z tvrdšího a pevnějšího materiálu. Vlivem kontaktních tlaků v blízkém okolí vtisku vznikají tahová napětí a deformace. Materiál lokálně praská a tvoří se úlomky. Kontaktních tlaků se při vrtání využívá u valivého vrtání. Obecně lze v technické praxi tento princip také obrátit a zarovnávat nebo tvarovat, např. brusné kotouče kladkami. Drcení materiálu nárazem je složitý fyzikální proces. Samotný náraz jako srážka dvou povrchů je obtížně popsatelný proces. Pokusné ověřování však ukazuje, že energie rázu obecně přináší jevy, které lze použít pro rozpojování materiálu. Poznámka: Pro snazší osvojení rázových jevů učiňme myšlenkový pokus. Mějme hřebík a pokusme se jej dostat do plného dřeva prostým tlakem. S největší pravděpodobností se hřebík ohne vzpěrem. Zkušenost však ukazuje, že nárazy kladivem hřebík úspěšně zatlučou do dřeva. Ze zkušenosti by nikoho neočekával, že hřebík lze zatlouci do betonu, ale pomocí nastřelovací pistole, která řádově zkracuje impulz a zvyšuje energii nárazu, to problém není.

SPSKS

Existují jisté teorie drcení materiálu nárazem nebo rázem, ale neposkytují dostatek vysvětlujících jevů. To však nebrání užití nárazu, který bývá nazýván pro jeho cyklické opakování příklepem. U rozvoje klasických technologií rozpojování materiálu při vrtání se ukazuje, že vývoj se znatelně ubírá směrem ke zvyšování energie rázu a vývinu materiálů, které vydrží opakované namáhání rázem s vysokou energií. pojivo nebo nosná (disperzní) kapalina

drobivá tříska

zrna rozpojování ve vrtu abrazí

řezný klín (nástroj) rozpojování ve vrtu řezáním

-142-

rozpojování ve vrtu statickým tlakem

odletující materiál

vrtací korunka

ráz (příklep)

odletující materiál

statický tlak

napjatost v křehkém materiálu

tělo nástroje

rozpojování ve vrtu rázem (příklepem)

Obr. 136 Schéma základních mechanických principů rozpojování materiálu ve vrtu

4.1.2 NEMECHANICKÉ (FYZIKÁLNÍ) ROZPOJOVÁNÍ HORNIN Řada fyzikálních jevů může být za určitých podmínek využita pro drobení materiálu na čelbě vrtu. Praktické využití nemechanických metod představuje relativně malý podíl měřený např. metráží všech vrtů. Nicméně se podíl vrtů provedených těmito metodami zvyšuje. Konstrukce většiny nástrojů pro tyto metody vrtání přesahuje rámec této učebnice. Nejstarší nemechanickou technologií a také v praxi nejpoužívanější je termické vrtání. Toto lze rozdělit na dvě skupiny: - tavné, - tryskové.

SPSKS

Tavné vrtání předpokládá spalování paliva s vysokou výhřevností, která přesahuje paliva na bázi ropy a uhlovodíků. Teplo horninu roztaví do kapalného skupenství. V odborné literatuře lze zjistit, jakou teplotu a energii musíme které hornině dodat. Většina hornin se do tekutého stavu dostane ohřátím na 1400 °C, ale např. vápenec potřebuje 2200 °C. Energetická účinnost takového procesu je v řádu jednotek % a je tedy velmi nízká. Je třeba si uvědomit, že změna skupenství neznamená pouze ohřev horniny na teplotu tavení, ale také dodání latentního tepla tavení. Dále se podle tepelné vodivosti horniny část tepla odvádí do okolí čelby vrtu, což opět zvyšuje ztráty. Poněkud exotickým způsobem tavného vrtání byl experiment, kdy zdrojem tepla byl malý atomový reaktor na bázi plutonia, který zahříval na vysokou teplotu wolframovou hlavici. Ta kontaktním sdílením tepla ohřívala horninu na vysokou teplotu a tavila své okolí. Díky jakémusi plováku se celá hlavice v tavenině ponořovala ve směru gravitace. Nad vrtacím zařízením tavenina opět ztuhla. Za několik měsíců se takové zařízení může ponořit o deset kilometrů, protože potenciál zdroje tepla (plutonia) je obrovský ve srovnání s exotermickými chemickými reakcemi. Výsledkem vrtu není vyvrtaný otvor, ale ponořená hlavice s reaktorem. Tavné vrtání se proto v praxi téměř nepoužívá.

-143-

Tryskové vrtání využívá principu spalování paliva (uhlovodíku) a okysličovadla kyslíku nebo vzduchu. Plamen z trysek vystupuje nadzvukovou rychlostí a kromě vysoké teploty působí na čelbě vrtu i mechanicky. Většina hornin je špatným vodičem tepla, proto dochází k praskání materiálu vlivem vzniku tahových a smykových napětí. Tento způsob vrtání je sice ekonomicky nákladný, ale pro některé vrty se používá. Je relativně vhodný pro horniny s vysokým obsahem Si2O4 křemene. Poznámka: Pro vysvětlení mechanizmu rozpojování při ohřevu bez tavení nechť poslouží určitý myšlenkový postup. Mějme tři pruty z materiálu, který vykazuje podobné vlastnosti, jako jsou na diagramu tah (tlak) – poměrné prodloužení (poměrné zkrácení) obr. 135. Tyto jsou spojeny příčníky. přívod tepla - ohřev

SPSKS přívod tepla - ohřev

l

∆l

Obr. 136 Princip mechanizmu rozpojování nerovnoměrným ohřevem nebo tepelným šokem

Teplo je přivedeno do krajních prutů, které měly původně délku „l“. Při zvýšení teploty se krajní pruty prodlouží podle známého vztahu o délku: ∆l = l0 . (1 + α.∆T) O toto prodloužení se krajní pruty snaží natáhnout prostřední prut, který nebyl ohříván. Ten je při dosažení meze pevnosti přetržen tahem. Vrtání ultrazvukem je technologie, která využívá frekvence kmitů vyšší než 20 kHz. Kmity jsou vyvozovány na principu magnetostrikce, kdy se vlivem magnetického pole mění nepatrně rozměry speciálních plechů. Toto kmitání vyvozuje mikronárazy nástroje na čelbu vrtu. Navíc v prostředí výplachové kapaliny vzniká jev, který se v hydrodynamice nazývá kavitace a je podobný implozím. Účinnost a výkony takého vrtání jsou velmi malé, ale lze takto vrtat díry libovolného tvaru, protože nástroj nemusí rotovat.

-144-

Vrtání vodním paprskem je fyzikálně identický princip s technologií řezání vodním paprskem. Kapalina (voda) je vystavena vysokému tlaku, který je podle Bernoulliho rovnice transformován na kinetickou energii tenkého paprsku o vysoké rychlosti, která je násobkem rychlosti zvuku ve vzduchu. Účinnost této technologie se zvyšuje „přisáním“ abraziva. Kinetická energie vody rozrušuje horninu a případné abrazivo ve vysoké rychlosti odírá čelbu vrtu. Vrtání s použitím trhavin (explozivní vrtání) využívá malých výbuchů spouštěných náložek na čelbu vrtu. Konstrukce těchto náloží může mít i kumulativní účinky. Technologie je to experimentálně ověřovaná v hlubokých vrtech a ve velmi tvrdých materiálech. Pro méně hluboké vrty je neekonomická. Vrtání implozí je fyzikální opak explozivního vrtání. Do vrtu jsou cyklicky spouštěny kapsle, které jsou duté a evakuované. Ve velkých hloubkách a při velkých tlacích v nich tak vznikají imploze podobné kavitaci. Tyto rozrušují horninu na čelbě vrtu. Vrtání laserem fyzikální princip spočívá v koncentraci světla o vysoké energii na nepatrnou plochu vrtaného materiálu. Tepelný šok však materiál neohřívá ani netaví, ale vypařuje. K vypaření materiálu je třeba o řád vyšší energie než k roztavení. Účinnost vrtání laserem je velmi nízká. Výhodou je možnost vrtat do libovolně tvrdých materiálů. Problém je při vrtání materiálů, které obsahují minerály, které vedou světlo (jsou průsvitné nebo průhledné). Existují i další principy, které jsou popsány v učebnici Speciální technologie.

SPSKS

4.2 MECHANICKÉ VRTÁNÍ - PRINCIPY

Vrtací stroje a technologie vrtání jsou velmi používané technologie v hornických činnostech a činnostech prováděných hornickým způsobem. Potřeba provádění vrtů je velmi stará a sahá do samých počátků hornické činnosti. Potřebu vrtat horniny zvýšilo použití černého prachu a obecněji trhacích prací. Vrtání umožňuje, na rozdíl od jiných technologií dělení hornin, účinně kombinovat výchozí fyzikální principy. Výkonnost vrtacích strojů se za desetiletí vývoje dramaticky zvýšila. Toto navýšení z energetického hlediska znamená schopnost zvýšit distribuci energie na čelbu vrtu, kde je nutné horninu rozrušit a odstranit. Dále se zvýšila energetická účinnost, kdy vývoj potlačil ztráty. Konstrukčně tento vývoj představuje nové materiály na vrtacích korunkách, které mají lepší užitné vlastnosti jako je tvrdost a houževnatost pracovních částí nástrojů. Dalším aspektem je posun od pneumatiky k hydraulice, zvýšení pracovního tlaku v tekutinách a tendence k hloubkovému příklepu beze ztrát rázové energie v soutyčí apod. Základní dělení technologií vrtání z pohledu konstrukce vrtaček je v kinematice nástroje, podle tohoto kritéria dělíme vrtání na: -

úderové, rotační, kombinované.

Úderové vrtání pracuje na principu drcení horniny rázem a lze jej dále dělit na: - nárazové, - příklepné.

-145-

Nárazové vrtaní a vrtačky využívají pouze kinetické energie pohybu vrtáku, který dopadne na čelbu vrtu a drtí vrtaný materiál. Kinetickou energii lze vrtáku dodat v gravitačním poli jeho vyzdvižením do určité výšky a puštění volným pádem. Je zřejmé, že touto jednoduchou technologií lze vrtat pouze hloubkové vrty, které mají svislou osu ve směru gravitačního zrychlení. Vrty, které musí mít jiný směr osy, by vyžadovaly nárazy ve formě příklepu. Obecně je tato technologie pro vrtání křehkých hornin již zastaralá a nepoužívá se. Existuje však technologie prorážení otvorů v zeminách a měkkých a porézních horninách, kde nástroj proráží otvor bez odejmutí materiálu. Objem díry je napěchován do jejího okolí. Takto lze prorážet svislé díry, které slouží pro vrtané piloty. Nástroj pro každý náraz odskakuje od čelby vrtu. Příklepné vrtání vyjadřuje rozdíl mezi nárazem a příklepem. Úder u příklepného vrtání je vyvozován nikoli pohybem celého vrtáku, ale soutyčí přenáší energii rázu dodanou úderníkem. Ekvivalent tohoto mechanizmu pro ruční vrtání je v úderech paličky na nástroj. Dále příklepné vrtání vyžaduje přímý kontakt pracovní části nástroje (vrtací korunky) s čelbou vrtu (nástroj nesmí být při příklepu nad čelbou vrtu, část energie by se spotřebovala na pohyb celé hmoty nástroje). Příklep je z fyzikálního hlediska vlnovým jevem. Rotační vrtání z pohledu kinematiky představuje hlavní pohyb nástroje, kterým je rotace Podle fyzikálního principu rozpojování, kdy je uplatněno rozpojování horniny řezné, abrazivní a statickým tlakem, lze toto rozdělit na: - řezné vrtání, - abrazivní vrtání, - valivé vrtání.

SPSKS

Řezné vrtání kombinuje rotaci nástroje s nástrojem, který rozpojuje horninu na čelbě vrtu řezáním. Takto lze vrtat díry do hornin s maximální tvrdostí podle Morseho stupnice 3, tedy kalcitu. Nástroj v podobě vrtací korunky a soutyčí vyžaduje pro udržení stability třísky velmi velké osové síly (přítlak). U svislých děr k vyvinutí tak velkých přítlakových sil nestačí ani hmotnost celého vrtacího stroje. U vrtů v jiných směrech je problém vytvoření velkých přítlaků ještě složitější. Při vrtání hlubokých děr soutyčí nevydrží osové síly a je namáháno vzpěrem. Řezného vrtání lze s úspěchem použít pro vrtání velkopůměrových vrtů v zeminách, pro vrtání studní, milánských stěn nebo pilot. Abrazivní vrtání kombinuje rotační pohyb s rozpojováním obrazí. Jde o nejstarší technologii vrtání kamene, která byla prokazatelně užívána v pravěku. Abrazivo může být ve formě pracovní části v podobě tělísek, sintrovaných zrn nebo dispergovaných zrn k chladící a vyplachovací kapalině. Abrazivní vrtání se používá tam, kde potřebujeme získat jádro. To je u ušlechtilé kamenické výroby a u průzkumných vrtů. Průřez díry vrtané obrazí je mezikruží. Je to proto, že v ose vrtáku a případné plné díry je nulová obvodová rychlost pohybu abrazivních částic, proto materiál horniny není a nemůže být rozpojován. Valivé vrtání využívá kombinaci rotačního pohybu a rozpojování prostým tlakem. Vrtací korunka je složitá, ve srovnání s ostatními konstrukcemi vrtacích korunek. Korunka je osazena 3 – 5 někdy i více valivými tělísky. Ty díky velmi malým kontaktním plochám s čelbou vrtu vytvářejí vysoké tlaky na horninu. Tyto pak vyvolávají lokální napětí resp. napjatost, která materiál horniny drtí. Z hlediska kinematiky pohybu valivých tělísek i zde vzniká problém v blízkosti osy vrtu, kde je nulová obvodová rychlost. Toto se odstraňuje vyosením jednotlivých os otáčení valivých tělísek od osy vrtu. Toto vrtání je využíváno u hlubokých a velmi hlubokých vrtů do středně tvrdých a tvrdých materiálů, např. při těžbě ropy a zemního plynu.

-146-

Kombinované vrtání znamená kombinaci kinematiky pohybu vrtáku, tedy rotační pohyb a pohyb přímočaře vratný. Podle toho, který pohyb je považován za hlavní, je rozdělujeme na: -

rotačně příklepné, příklepně rotační.

Poznámka: Hlavní pohyb je ten, který spotřebovává pro vrtání více energie. Do této skupiny patří ještě rotačně vibrační vrtání.

pohon rotace

úderník vrták

vrták

vrták

vrták

úderník

rotační motor

U příklepně rotačního pohybu neprobíhá rotační pohyb plynule, ale jedná se o skokovitá natočení vrtací korunky mez jednotlivými rázy úderníku, kdy je korunka odlehčena.

SPSKS nárazové vrtání

příklepné vrtání

rotační vrtání

kombinované vrtání

Obr. 137 Principy vrtání podle kinematiky vrtáků

Vedle kinematiky (obr. 137) lze vrtání posuzovat i z hlediska dynamiky, tedy průběhu sil v čase. Z obrázku 138 je patrné, jak jednotlivé principy vrtání rozpojování kombinují účinky silového působení. Pokud je v odborné literatuře zmínka o vibračním vrtání, je průběh sil stejný, pouze účinky špiček rázů mají menší hodnoty maxima sil. Zvláště je třeba upozornit na skutečnost, že příklepné a rotačně příklepné, tedy kombinované, vrtání vyžaduje za každých okolností konstantní složku přítlaku, která nedovolí pracovní části vrtací korunky vzdálit se od čelby vrtu. Tento přítlak není obvykle problém vytvořit při vrtání svislých děr, kde postačí hmotnost vrtacího stroje nebo přítlak lafety. Při vrtání děr v jiném úhlu ve vztahu k vektoru gravitace to problém je, zvláště pokud má vrt být hluboký a sestava vrtáku má velkou hmotnost. Naopak u velmi hlubokých vrtů, např. geologických nebo pro těžbu nafty a zemního plynu, je hmotnost sestavy vrtáku tak velká, že je nutné navijákem udržovat přítlak v optimálních mezích pro funkci nástroje vrtací korunky.

-147-

průběh osové síly při vrtání

průběh krouticího momentu při vrtání Mk [Nm]

nárazové vrtání

F [N]

čas t [s]

čas t [s]

příklepné vrtání

příklep

F [N] Mk [Nm]

SPSKS

přítlak

čas t [s]

Mk [Nm]

rotační vrtání

F [N]

čas t [s]

čas t [s]

čas t [s]

kombinované vrtání

příklep

F [N] Mk [Nm]

přítlak čas t [s]

čas t [s]

Obr. 138 Dynamika – průběh osové síly a krouticího momentu při jednotlivých druzích vrtání

-148-

4.2.1 KONSTRUKCE VRTACÍCH KORUNEK PRO MECHANICKÉ VRTÁNÍ Korunka je nejexponovanější část vrtacího zařízení. Od jejich parametrů jsou odvozeny veškeré výkonové ukazatele a možnosti technologie vrtání. Vrtací korunka je také konstrukční uzel, který má zkrácenou životnost. Pro technologický proces je velmi důležité, jak dlouho dokáže pracovat, protože její výměna, kromě finanční zátěže, znamená také časově dlouhou operaci, zvláště pokud se jedná o velmi hluboké vrty. Konstrukce vrtacích korunek v sobě logicky zahrnuje fyzikální princip rozpojování horniny na čelbě vrtu a také dynamiku vrtání. VRTACÍ KORUNKY PRO ROTAČNĚ PŘÍKLEPNÉ VRTÁNÍ

SPSKS jednobřitá korunka

roubíková korunka

dvojbřitá korunka pravoúhlá

VRTACÍ KORUNKY PRO ROTAČNÍ VRTÁNÍ

vrtací korunka materiály

na

měkké

vrtací korunka na velmi měkké materiály

-149-

vrtací korunka materiály

na

tvrdší

valivá tělíska pro valivé vrtání

Obr. 138 Základní konstrukce vrtacích korunek a valivých tělísek

Z obrázků 137 a 138 je zřejmé, že opticky zde chybí korunka pro abrazivní vrtání. To je z hlediska kinematiky vrtání rotační, protože nástroj se otáčí se statickým přítlakem. Abrazivní vrtáky jako konstrukční uzel však nemají korunku, ale abrazivní materiál je součásti vrtáku v těchto formách: - je přiváděn mezi třecí plochy tělesa vrtáků (trubky) v podobě suspenze, - abrazivní materiál ve formě tělísek je na tělese vrtáku připájen nebo upevněn šroubem, - abrazivní materiál je na tělese vrtáku v podobě sintru („přiškvařená zrna“).

SPSKS

Protože nakreslení korunky nebo obecně pracovní části vrtáku v pravoúhlém promítání neposkytuje dostatek informací a použití axonometrického zobrazení nebo zobrazení v perspektivě vyžaduje nákladný SW, jsou použity fotografie některých druhů korunek a pracovních částí abrazivních vrtáků. Z fotografie korunky pro valivé vrtání je zřejmé, že tato může mít i jiná valivá tělíska, jak vyplývá z obrázku č. 138. Základním parametrem vrtací korunky je (kromě konstrukčního předurčení k technologii vrtání) její průměr. Ten je u většiny vrtacích korunek udáván v mm, ale např. pro vrtání těžebních vrtů v oblasti těžby nafty a zemního plynu se udává v palcích.

roubíková vrtací korunka

jednobřitá vrtací korunka

-150-

trubkový vrták s abrazivními tělísky

monoblok (vrták nemá výměnnou korunku)

SPSKS vrtací korunka s valivými roubíkovými dláty

trubkový vrták se sintrovaným abrazivem

Obr. 139 Fotografie některých typů vrtacích korunek a řezné části vrtáku pro abrazivní vrtání

Vrtací korunka je nejexponovanější část nástrojů – vrtáků a také vrtacích strojů. To věcně znamená, že její životnost je nejkratší, musí se po opotřebení vyměňovat a v některých případech ostřit. Výměna korunky znamená u hlubokých vrtů dlouhé operace, během nichž vrtací stroj nevrtá. Veškerý vývoj v technologii vrtání při zvyšování jeho parametrů je limitován právě tímto konstrukčním uzlem. Těleso vrtací korunky se vyrábí z oceli, a to nejčastěji kováním. S ohledem na snadnou a rychlou vyměnitelnost na vrtací tyči mají vrtací korunky válcový nebo kuželový otvor. U vrtacích korunek pro rotační řezné vrtání se vyskytuje stopka. Vrtací korunky pro valivé vrtání mají kuželovou stopku s kuželovým lichoběžníkovým závitem. Stopka se vyskytuje i u vrtacích korunek pro rotačně příklepné vrtání, kde je použito ponorné kladivo. Těleso vrtací korunky má integrovány otvory, které slouží k výplachu vrtu. Orientace těchto otvorů usměrňuje proud vyplachovací tekutiny nebo suspenze. S ohledem na orientaci těchto otvorů existují konstrukce těles, které jsou vhodné pro vodorovné nebo svislé vrtání. Pokud je vrták konstruován tak, že nemá vyměnitelnou vrtací korunku, což je případ monobloku pro kruhové díry a většiny vrtáků pro vrtání děr ve tvaru mezikruží, je obecnou snahou konstruktérů předpokládat vyměnitelnost nebo renovovatelnost těchto částí.

-151-

Vývoj vrtací techniky je limitován vývojem v oblasti materiálového inženýrství. Jsou to vlastnosti materiálu rozpojovací části, které umožňují přenést do prostoru, kde dochází k rozpojování vrtané horniny, energii. Mechanizmus přenosu, resp. distribuce energie, je dán principem vrtání. Jde o interakci mezi vrtanou horninou a nástrojem. Pro vrtané horniny se měří technologická vlastnost – vrtatelnost. Tato se měří a jako každá technologická zkouška poskytuje určité omezené informace. Princip této zkoušky spočívá v měření hloubky, kterou vyvrtá standardizované rotačně příklepné kladivo s jednobřitou korunkou o ø 36 mm za minutu. Pro srozumitelnost jsou tyto výsledky rozděleny do pěti skupin (velmi špatná, špatná, střední, dobrá, velmi dobrá) a dvanácti tříd označovaných římskými číslicemi (I velmi špatná - XII velmi dobrá). Pro potřeby technologů má vrtatelnost význam v tom, že lze nalézt určité koeficienty, které umožňují přepočet rychlosti vrtání na jiné typy vrtače a jiné vrtací korunky. Takto lze v únosných mezích řídit technologii vrtání v praxi. Tato zkouška však nemá vypovídací hodnotu ve vztahu k jiným způsobům vrtání, jako je řezné, abrazivní a valivé. Je zřejmé, že použitý materiál na rozpojení vrtané horniny musí být volen s ohledem na fyzikální princip rozpojení materiálu. S ohledem na schémata procesu rozpojování na obr. č. 136 lze formulovat požadavky na materiál takto: 1. Abrazivní vrtání je prosté rázu a energie potřebná k rozpojení se distribuuje ve formě relativního pohybu vrtáku ve vztahu k vrtané hornině za určitého přítlaku. Přítlak je limitován křehkostí zrn, která snesou pouze omezené hodnoty tlaku. U spékaných materiálů přejímá pevnost v tlaku „neabrazivní“ komponenta slinutiny. Zrna abraziva musí proto vykazovat maximální tvrdost a tato technologie se musí vypořádat pouze s jejich obvyklou křehkostí a odvodem velkého množství tepla, které vzniká třením při vzniku vrypu. Zrna pak mohou být vázána v podobě slinutiny ve tvaru tělísek, dále mohou být na čelbě vrtu ve formě sintrovaných zrn nebo volně ve formě suspenze v kapalině. Další vývoj této technologie je proto možný s vývojem materiálů s větší houževnatostí, kdy je možné zvyšovat tlak. Druhou variantou je vývoj materiálů s vyšší tepelnou odolností, kdy je možné zvyšovat rychlost relativního pohybu spojený s účinným chlazením, tedy odvodem tepla. Tato technologie dovoluje použití křehkých abrazivních materiálů od diamantu, přes slinuté karbidy a keramiku, až po bílou litinu, která je vlastně karbidem železa. Slibným materiálem je kubický nitrid bóru, který je tvrdostí blízký diamantu, ale snese teplotu až 1 700 °C, přičemž diamant sublimuje při teplotě kolem 700 °C. 2. Řezné vrtání vyžaduje velmi vysoké hodnoty osové síly. Materiály, které jsou v kontaktu s vrtanou horninou, proto musí být vedle tvrdosti ještě mimořádně houževnaté. Vysoká tvrdost a zároveň houževnatost jsou do značné míry protichůdné vlastnosti. V praxi se pro vrtání hornin používají slinuté karbidy na bázi TiC + WC + Co. Tyto snášení vysoké tlaky a teplo vzniklé třením při dobrém chlazení je relativně dobře odveditelné. Vývoj materiálů směřuje k vyšším hodnotám statického tlaku a konstrukčně k jiným mechanizmům vývinu tlaku na čelbu vrtu. Zjednodušeně řečeno dlouhý vrták není schopen přenést tak vysoké hodnoty tlaku, protože je namáhán vzpěrem a ve vyvrtaném otvoru vybočí a tře vrtné tyče o stěny vrtu. Další limitou velikosti osové síly je hmotnost vrtacího stroje u svislých vrtů. 3. Vrtání statickým tlakem – valivé, vyžaduje materiály, které snášejí vysoké hodnoty v tlaku a jsou tvrdé. Rozpojení vrtaného materiálu má fyzikální podstatu jinou, nedochází zde ke vzniku vrypu. To proto, že relativní pohyb mezi vrtanou horninou a dlátem nástroje má nulovou rychlost. Dláto je toliko zatlačováno do horniny, namísto vrypu vzniká otlak. Tato technologie se vyznačuje menším třením, což má za následek menší ztráty vznikem tepla. Vyhovujícím materiálem jsou slinuté

SPSKS

-152-

karbidy. Osový tlak, který je opět značný, vzniká obvykle hmotností soutyčí sestavené konstelace vrtáku a jeho hodnota se řídí spíše odlehčováním vrtací soustavy na navijáku. Je tomu tak proto, že tato technologie se používá u velmi hlubokých vrtů. Vývoj materiálu je odvozen od zvyšování houževnatosti a pevnosti v tlaku. 4. Vrtání rotačně příklepné vyžaduje dláta z materiálů, které jsou tvrdé a zároveň mají vysokou vrubovou houževnatost. Vrubová houževnatost je mechanická vlastnost materiálu, která se neměří statickým tlakem, ale rázem. Energie se přenáší na břit dláta rázem a na čelbě nevznikají vrypy, nýbrž otlaky. Od valivého dláta se toto vrtání odlišuje pouze průběhem sil. Pro tuto technologii jsou vhodné slinuté karbidy, u nichž se požaduje trochu odlišná forma houževnatosti. Vývoj materiálu je odvozen od zvyšování vrubové houževnatosti a pevnosti v tlaku. Ztráty energie přeměnou na teplo jsou zde menší.

4.2.2 KONSTRUKCE VRTÁKU Vrták je základním nástrojem pro technologii vrtání. S výjimkou krátkých vrtáků (monolitů) je jejich délka proměnná a skládají se do potřebné délky nastavováním pomocí vrtacích tyčí. Délky vrtacích tyčí jsou standardizovány podle vrtacího stroje. Konstrukce vrtacích tyčí je kompromisem. Platí, že čím je delší vrtací tyč, tím menší jsou ztrátové časy při spojování a rozpojování. Na druhé straně platí, že dlouhé vrtací tyče vyžadují vysoké vrtné věže, velké zdvihy navijáku a dlouhé dráhy lafet. Vrták je tedy skládaný nástroj, který mění svoji délku v závislosti na hloubce vrtu po ekvidistantních krocích. Je třeba mít na mysli i technologii vrtání. Vrtáky se sestavují nejenom při hloubení vrtů, ale i při vytahování vrtáku po ukončení vrtu nebo výměně vrtacích korunek, kdy se postupně rozebírají vrtací tyče. Nejobecnější schéma sestaveného vrtáku je na obrázku č. 140.

SPSKS

stopka - unašeč

sestava vrtacích tyčí

vrtací zařízení korunka ponorné kladivo turbína

Obr. 140 Obecné schéma sestavy vrtáku

Vrtáky, které se z principu nesestavují, protože požadavky na hloubku vrtané díry jsou v řádu metrů, mají obdobnou konstrukci. Takovými vrtáky jsou trubkové a šroubovicové. Jejich obecné schéma je na obrázku č. 141.

-153-

vrtací zařízení korunka

tělo vrtáku

stopka - unašeč

Obr. 141 Obecné schéma vrtáku monobloku se šroubovicí

Unašeč je část vrtáku, která je spojena s pohonem vrtacího stroje. Jde o konstrukci, která zajišťuje přenos obecně krouticího momentu a osové sily bez ohledu na skutečnost, zda jde o přenos statický nebo dynamický (rázy). Unašeč může integrovat osazení, které zajišťuje osovou polohu. Může být konstrukčně řešen několika způsoby: - morse kužel, který přenáší osovou sílu a krouticí moment třením v kuželu. Takový unašeč se používá u korunových vrtáků pro díry ve tvaru mezikruží, - čtyřhranný unašeč, kdy prizma ve tvaru čtverce přenáší krouticí moment. Osová síla může být vyvozována hmotností vrtáku (vrty pro těžbu ropy a zemního plynu), - šestihranný unašeč, kdy prizma ve tvaru šestihranu přenáší krouticí moment i osovou sílu staticky nebo v rázech, - unašeč pro rychloupínání je drážkovaný hřídel se zvláštním vybráním, slouží k rychlému upínání pro rotačně příklepné vrtání pro ruční nářadí, - válcový unašeč má tvar válce a upíná se sevřením v čelistech vrtačky, je použitelný pro ruční nářadí do ø 16 mm.

SPSKS

kuželový

čtyřhranný

šestihranný

rychloupínač

válcový

Obr. 142 Základní tvary unašečů

KONSTRUKCE VRTACÍCH TYČÍ Vrtací tyče prodlužují těleso vrtáku podle požadované hloubky vrtu. Vkládají se nejčastěji mezi unašeč a vrtací korunku. Konstrukce vrtací tyče má tyto úkoly: - prodlužovat délku vrtáku, - přivádět nebo odvádět vyplachovací tekutinu, - přenášet rotační pohyb od unášeče na vrtací korunku, - přenášet rázy příklepu v případě technologií, kde se vyskytuje příklep, - zprostředkovává osovou sílu, která drží pracovní část vrtací korunky v kontaktu s čelbou vrtu, - u dlouhých sestav slouží k udržování osové síly na přijatelné hodnotě.

-154-

Z technologie sestavování (do záběru) a rozebírání (při vytahování) konstrukce je důležitý způsob spojování tyčí. Toto musí být spolehlivé a rychlé. Nejčastějším způsobem je spojování závitem. Jde o kuželový závit buď trapézový, nebo oblý. Kuželový závit je volen proto, že při sestavování má sníženou citlivost na souosost spojovaných částí. Závit musí být dotažen s vysokou přesností na určitý moment. Délky vrtacích tyčí jsou dány použitím. Snahou pro technology je mít k dispozici tyče s maximální možnou délkou, protože operace sestavování a rozebírání spoje jde na úkor výkonu vrtání. Pro manipulaci s tyčemi je délka limitována možnostmi kinematiky vrtacího stroje a prostorem, kde se pohybuje. Nejdelší sestavy jsou u vrtů pro těžbu ropy a zemního plynu, při kterých se používají až 18 metrů dlouhé tyče. Odvod nebo přívod vyplachovací tekutiny vyžaduje provedení tyče s dutinou. Průřezy tyčí jsou dle obrázku.

vrtací tyč – trubka kruhového průřezu

vrtací tyč – trubka šestihran

SPSKS

Obr. 143 Základní průřezy vrtacích tyčí

Je zřejmé, že technologie montáže a demontáže spojů se liší u tyčí kruhového a šestihranného průřezu. Přenos rotačního pohybu soutyčím může mít logicky v případě spojení závitem pouze jeden směr. Pokud se nejedná o rotačně řeznou technologii vrtání, nejsou krouticí momenty příliš velké. Určitá potíž nastává při vrtání hlubokých děr v řádu kilometrů. Zde je nutné měřit deformaci krutem – zkroucení. Přenos rázu v případě užití technologie rotačně příklepného nebo příklepně rotačního vrtání vyžaduje spolehlivé spoje vrtacích tyčí. Ráz má do značné míry vlnový charakter a vyžaduje u materiálu trubek nízkou míru útlumu. Pro snadnější rozlišení jsou to materiály, které při úderu hlasitě a dlouho zní, např. zvon. Energie rázu se ztrácí s druhou mocninou vzdálenosti mezi zdrojem rázu – úderníku a pracovní částí vrtné korunky. Technologové někdy doporučují nepoužívat tzv. vnější příklep pro větší hloubky než 10 m. Pro zlepšení energetické účinnosti vrtání je pak lepší nasadit ponorná kladiva. Zde úderník vytváří ráz přímo na vrtací korunku. Nevýhodou této technologie jsou omezené rozměry úderníku, protože jeho průměr musí být menší než je průměr vrtané díry. Takový úderník principiálně nelze za rozumných podmínek zrychlit na vysokou rychlost. Pokud je nákladově výhodnější vrtat s nižší energetickou účinností díry rychleji, ponechává se vnější příklep. Osová síla je pro různé technologie vrtání jiná. Nejvyšší vyžaduje valivé vrtání a rotační vrtání. V obou případech musí osová síla překonávat odpor vrtaného materiálu, který se drtí. U abrazivního vrtání má přítlačná síla hodnoty, které jsou optimální pro účinnou abrazi. Pro vrtání s příklepem postačí síla, která pouze drží pracovní část vrtací korunky v dotyku čelby vrtu. Pro vrtání svislých děr v rozsahu elevace nahoru až vodorovně předpokládá konstrukce vrtacího stroje zařízení, které je schopno vedle překonání gravitační složky hmotnosti celého sestaveného vrtáku ještě potřebnou sílu „navíc“. U svislých vrtů do velkých hloubek je nutné

-155-

od externího přítlaku přejít postupně k nadlehčování, protože vrtací tyče mohou mít hmotnost v řádu stovek tun. Taková gravitační síla by zničila vrtací korunku. Technicky je toto řešeno saněmi nebo navijáky.

4.3 ZAŘÍZENÍ PRO VYPLACHOVÁNÍ VRTU Vyplachování vrtu z technologického hlediska neřeší pouze jistou čistotu v prostoru vrtací korunky a tělesa vrtáků. Podle technologie vrtání, směru osy díry ve vztahu ke gravitačnímu poli, druhu vrtané horniny a geologických a hydrogeologických podmínek existuje několik základních řešení výplachu. Vrtat lze i bez výplachu. Podmínkou je, že osa vrtu umožňuje odvádět rozmělněný materiál gravitací. Minimální sklon osy musí vyhovovat podmínce nakloněné roviny se třením. Materiály takto vrtané musí být dobře rozpojitelné – mít dobrou vrtatelnost. Prakticky to znamená, že korunka se nebude přehřívat a není důvod proplachem odvádět vrtáním vzniklé teplo. Bez výplachu lze vrtat i mělké díry s osou ve čtvrtém kvadrantu, kdy se pohybují elevační úhly mezi vodorovnou polohou a svislou směrem dolů. Materiál může být vynášen plynulou rotací pomocí šneku, přičemž se uplatňuje mechanizmus stejný jako u šnekových dopravníků. Vrták je konstruovaný jako šroubovice. Z technologického hlediska lze takto vrtat rotačně řeznou technologií houževnaté materiály, které tvoří plynulou nebo drobivou třísku, např. hlíny. Ve svislé poloze směrem dolu je hloubka vrtu omezena, protože tření odříznuté třísky a povrchu šroubovice způsobuje ucpávání prostor mezi závity šneku. Částečně lze toto řešit vytahováním vrtáku a jeho očistěním. Za bezvýplachové řešení lze považovat i cyklické vybírání produktů vrtání, které technologové nazývají lžicování. Jedná se o mechanické nabrání drtě a vyzvednutí z vrtané díry.

SPSKS φ

tg φ > f

gravitační výplach a podmínka tření

šroubovicový vrták

Obr. 144 Vrtání bez výplachu a jeho podmínky

-156-

Při vrtání s výplachem se za výplach považuje kontinuální vynášení produktů vrtání z vrtané díry. Z technologického hlediska výplach musí řešit i jiné aspekty použité technologie vrtání, těmi mohou být: - čistění čelby vrtu od produktů vrtání, kdy pracovní část vrtáku musí být v silovém kontaktu s neporušenou horninou, - chlazení částí nástroje, které jsou namáhány třením a v jeho důsledku vzniklým teplem, jenž může některé materiály degradovat, - čistění nástroje, - spolupráce vyplachovací tekutiny při rozpojování vrtané horniny, - kompenzace případných výronů, např. plynů v zemské kůře, hydrostatickým tlakem - ochrana stěn vrtu proti jejich borcení, případně nalepování transportovaných částic, - vyplachovací tekutina může být poháněcím médiem pro pohon vrtacích turbín, hydraulických přibíráků, řezačů pažnic na bočních jádrováků, - vyplachovací tekutina může být transportním prostředkem pro dopravu potřebných chemických látek do vrtu. Výplach je z pohledu fyzikálního tekutina, kterou může tvořit plyn (vzduch), kapaliny s rozličnými vlastnostmi nebo pěny. Ve vlastním vrtu může tato tekutina: - necirkulovat, - cirkulovat částečně, - cirkulovat. Podle směru průtoku při cirkulaci výplachů rozlišujeme. - výplach přímý, - výplach nepřímý.

SPSKS

přímý výplach (vnitřní)

nepřímý výplach (vnější)

Obr. 145 Schéma přímého a nepřímého výplachu

-157-

Fyzikální princip výplachu je identický s principem pneumatické a hydraulické dopravy. Částice vzniklé procesem vrtání jsou vystaveny působení tekutiny. síla vztlaku Fvz = V . ρtek . g S . v2 . ρtek . cx síla odporu proudění Fo = —————— 2

S

gravitační síla Fg = m . g = V . ρzr . g

proud tekutiny rychlostí „ v“

Obr. 146 Schéma působení sil při proudění výplachu

SPSKS

Z obrázku je patrné, že každá částice je při svém vzniku vystavena působení třech sil: - gravitační síla působí vždy stejným směrem (dolů) a její velikost je úměrná součinu objemu částice, její měrné hmotnosti a gravitačnímu zrychlení, - vztlaková síla je úměrná součinu objemu částice, měrné hmotnosti vyplachovací tekutiny a gravitačního zrychlení, - síla odporu proti proudění je úměrná ploše průmětu zrna kolmé na vektor rychlosti proudění, druhé mocnině rychlosti proudění, měrné hmotnosti vyplachovací tekutiny a tzv. součiniteli odporu proti proudění. Pro realizaci výplachu je nutné splnit podmínku, že síly, které směřují proti směru gravitace, musí být větší než gravitační síla. V takovém případě jsou částice unášeny mimo vrtací korunku. Z rozboru vztahů je zřejmé, že pokud použijeme jako vyplachovací tekutinu vzduch, který má nízkou měrnou hmotnost ρ = 1,36 kg.m-3, musíme schopnost vynášet produkty vrtání kompenzovat vysokou rychlostí proudění vzduchu. Pro hluboké a velmi hluboké vrty se proto používají kapaliny s velkou měrnou hmotností, u nichž je účinek transportu závislý na vztlakové síle. V těchto tekutinách hornina prostě plave. Udržet potřebnou rychlost proudění vyplachovacích tekutin může být při velkých hloubkách vrtů problém. Obecné blokové schéma technického řešení výplachu je zřejmé z obrázku 147.

-158-

zdroj tlaku (kompresor, čerpadlo)

vrták

vrtací korunka

přívod tekutiny do vrtáku

odvod tekutiny s produkty vrtání

doplnění ztrát vyplachovací tekutiny

vyčištěná vyplachovací tekutina

odsávání separační zařízení

odvod odseparovaného produktu vrtání

Obr. 147 Schéma obecného řešení výplachu

SPSKS

Kompresory nebo čerpadla jsou popsány v jiných učebnicích daného předmětu. Přívod vyplachovací tekutiny je realizován vysokotlakými hadicemi. Podle použitého přímého nebo nepřímého výplachu proudí tekutina do korunky, kde nastává obrat proudu a vyplavení produktů vrtání. Odsávání v koruně vrtu je realizováno vývěvami nebo čerpadlem. K následné separaci lze použít cyklónů v případě použití tekutiny - vzduch. Dalšími možnostmi jsou vibrační síta v případě použití disperzních kapalin nebo koloidních roztoků. Environmentální bezpečnost vyžaduje opětovné použití co největšího podílu vyčištěné vyplachovací tekutiny.

4.4 TECHNICKÉ ŘEŠENÍ PŘÍKLEPU PŘI VRTÁNÍ K názornému vysvětlení fyzikální podstaty realizace příklepu a jeho účinku postačí určitý myšlenkový pokus. Každý někdy zatloukal hřebík do běžného dřeva. Pokud bychom chtěli statickou silou hřebík do dřeva zatlačit, pravděpodobně se to nepovede, protože hřebík se díky namáhání vzpěrem ohne. Proč údery kladivem hřebík zatlučeme i do relativně tvrdého dřeva a za pomocí výmetné prachové nálože lze hřebík zatlouci i do betonu nebo dokonce oceli? Myšlenkovým pokusem lze s jistou mírou zjednodušení vysvětlit tento jev takto. Mějme k dispozici hřebík, který je přiložen ke zkušebnímu dřevu. Na hlavičku hřebíku dopadá úderník z výšky h o hmotnosti 1 kg. Nyní si představme, že úderník při stále stejné hmotnosti vyrobíme z několika materiálů, např. dřevo, pryž, ocel, kalená ocel.

-159-

ocel

h

pryž

m = 1 kg

m = 1 kg

m = 1 kg

m = 1 kg

h

h

dřevo

h

kalená ocel

Obr. 148 Schéma vlastností rázu

Je zjevné, že kinetickou energii budou mít všechny úderníky (kladiva) stejnou, přičemž je jasné, že nejrychleji (na nejmenší počet úderů) bude zatlučen hřebík s úderníkem, který bude mít čelo z kalené oceli a nejvíce úderů bude třeba v případě použití pryže. Vysvětlení je v jisté modifikaci jednoho Newtonova zákona: F=m.a

SPSKS

Za zrychlení lze dosadit podíl rychlosti a času a po úpravě dostaneme vztah: F.t=m.v Pravá část rovnice se nazývá impuls síly a levá hybnost hmoty. Nechť je hodnota pravé strany numericky číslo 12. Pak na pravé straně jsou možné tyto varianty součinu z množiny přirozených čísel: 1 . 12 = 12 2 . 6 = 12 3 . 4 = 12 4 . 3 = 12 6 . 2 = 12 12 . 1 = 12 První součin znamená, že máme malou hodnotu síly a působíme touto silou dlouhou dobu. Poslední součin znamená, že máme velkou působící sílu a doba její působnosti musí být krátká. Účinek na změnu hybnosti je však v obou případech stejný. Úder, fyzikálně ráz, je o velkých silách v mimořádně krátkém čase. Uvedenou kombinaci součinu nyní rozšiřme na desetinná čísla a vidíme, že: 120 . 0,1 = 12 1200 . 0,01 = 12

-160-

12000 . 0,001 = 12 120000 . 0,0001 = 12 Je zjevné, že při rázu je důležité být při dané energii schopen tuto transformovat v maximálně krátkém čase. Pokud se vrátíme k myšlenkovému modelu je zjevné, že při kontaktu úderníku z pryže se kontaktní plocha prohne, což trvá relativně dlouhou dobu, a dochází také ke zmaření kinetické energie deformací. U kaleného povrchu úderníku je deformace o několik řádů menší, proto trvá o několik řádů kratší dobu a síla je pak o několik řádů větší. Při výbuchu prachové náložky jsou časy transformace kinetické energie ještě kratší. Účinek rázu je pak využíván v podobě příklepu pro drcení vrtaných hornin na čelbě vrtu. Ráz má z fyzikálního hlediska vlnový charakter, což mj. znamená, že se šíří rychlostí zvuku v daném materiálu apod. Poznámka: Nelze si neodpustit jistou analogii rázu a výbuchu nebo detonace. Kdybychom v trhavině spálili palivo a okysličovadlo pomalou chemickou reakcí, budeme docela překvapeni skutečností, že z kilogramu získáme velmi málo tepelné energie, kdybych takto ohřívali např. vodu. Pokud však tutéž chemickou reakci paliva a okysličovadla dokážeme realizovat v extrémně krátké době, dočkáme se výbuchu. Technické řešení generování opakovaných rázů je zřejmé z tabulky. Ta ukazuje jednotlivé fáze pohybu úderníku, který je pístem ve válci uváděném do přímočarého vratného pohybu stlačenou tekutinou. Pro zjednodušení je použit model generování rázu u jednoduššího zařízení, kterým je sbíjecí kladivo.

SPSKS

destička rozváděcího ventilu

komůrka ventilu

úderník - píst

stopka unašeče vrtáku

výfukový otvor

přepouštěcí kanálky

Obr. 149 Schéma zařízení pro generování rázů u příklepného vrtání

-161-

tlaková tekutina

do zařízení byl vpuštěn vzduch o tlaku „p“, píst o hmotnosti „m“ se začíná pohybovat se zrychlením S.p a = —— , kde S je plocha pístu m

SPSKS hrana pístu ještě zakrývá výfukový otvor, do této polohy je píst zrychlován stlačeným vzduchem, pod pístem dochází ke stlačování vzduchu, který měl původně pouze atmosférický tlak

-162-

výfuk nad úderníkem

stlačená tekutina opouští prostor nad pístem a klesá tlak, píst naráží na stopku vrtáku a předává mu kinetickou energii v podobě rázu. Prostor pod pístem stlačil vzduch na tlak vyšší než je atmosférický, ten přemístí destičku ventilu a stlačený vzduch vyplní prostor pod pístem. Síla vzniklá tlakem na plochu pístu zrychluje píst opačným směrem výfuk pod úderníkem

SPSKS píst otevírá (odkrývá) výfukový otvor, a tak vzduchu klesá v krátkém čase na hodnotu atmosférického tlaku, pohyb pístu je zabrzděn, protože přetlak v komůrce ventilu zatlačil jeho destičku. Celý cyklus se opakuje

Obr. 150 Schéma činnosti generování rázů za použití stlačeného vzduchu

Z rozboru základního vztahu pro velikost síly, která zrychluje úderník, je patrné, že tato roste lineárně s velikostí tlaku a také s velikosti plochy dna pístu. Plocha dna pístu však roste s druhou mocninou průměru. K vysokým energiím vlastního rázu vede cesta buď přes zvyšování tlaku, nebo zvětšování průměru pístu. Zvyšovat tlak v případě použití vzduchu je energeticky velmi náročné, protože plyny jsou obecně stlačitelné za vzniku tepla, které je z energetického hlediska ztrátou. Rozměry dna pístu mohou být omezeny v případě konstrukce ponorných kladiv, kde je zařízení generující rázy umístěno v prostoru díry a musí mít tedy rozměry menší, než je její průměr. Pro posouzení parametrů vrtacích strojů se uvádí používaný tlak. V současnosti jsou konstruovány vrtací stroje s tlakem vzduchu až 3,2 MPa. Běžnější jsou 0,6 - 1,2 MPa.

-163-

Jinou variantou jsou generátory rázu, kde je použito kapalin, které stlačitelné nejsou, a proto lze používat i velmi vysoké tlaky. Jejich nevýhodou je velká viskozita kapalin ve srovnání se vzduchem a větší citlivost k nízkým teplotám. Konstrukce takovýchto generátorů je mnohem složitější a využívá se tu i fyzikálního principu rezonance. Počet úderů za sekundu se pohybuje jak u pneumatické, tak hydraulické konstrukce od 25 do 50 s-1. Energie rázu se pohybuje v řádu desítek až stovek J.

4.5 TECHNICKÉ ŘEŠENÍ ROTACE NÁSTROJŮ S PŘÍKLEPEM Rotace nástrojů při vrtání, během kterých je užito příklepu, není rotací plynulou. To znamená, že vrták je natáčen přískokem mezi jednotlivými údery. K natočení se užívá obvykle energie úderníku, který se vrací zpět do výchozí polohy. Existuje několik konstrukcí natáčecího zařízení: - rohatkové natáčení, - natáčení válečkovou spojkou. Princip natočení má základ v převodu přímočarého pohybu úderníku, který je přeměněn na pohyb rotační závitem s velkým stoupáním. Pootočení o určitý úhel je dáno stoupáním závitu a systémem rohatka západka. Variant tohoto uspořádání existuje několik. Nakreslit schéma v pravoúhlém promítání je s ohledem na prostorové uspořádání šroubovic nemožné. K dispozici je tedy obrázek v axonometrii použitý z [].

SPSKS Obr. 151 Zobrazení natáčecího zařízení s rohatkou a západkou

4.6 ROZDĚLENÍ KLADIV

A

CHARAKTERISTIKA

PŘÍKLEPNÝCH

VRTACÍCH

Pneumatická příklepná kladiva, kde je zdrojem energie stlačený vzduch, jsou používaná nejčastěji. Prvotní rozdělení je na: - ruční, - saňová, - ponorná. Kategorii ručních lze rozdělit podle hmotnosti a použití na:

-164-

-

lehká (do 17 kg), střední (17 – 22 kg), těžká (nad 22 kg).

Lehká vrtací kladiva jsou použitelná na ruční vrtání. Celou hmotnost sestavy vrtací kladivo a vrták nese pracovník. Pro skupinu vyšších hmotností existují pomocná technická zařízení, která snižují zátěž na ruce pracovníka. Patří sem např. vrtací podpěry a sloupy. Nicméně manipulace při nasazení, vytažení z vrtů a další technologické operace se provádí ručně. Pro uchopení rukou jsou vlastní vrtačky uzpůsobeny. Vrtáky mají malý průměr a délku (monolity). Je snahou jejich použití s ohledem na fyzickou námahu a zdravotní rizika omezovat. Saňová vrtací kladiva nejsou manipulovatelná ručně. Jejich energie rázu je vysoká a používají se pro vrtání děr o průměru nad 40 mm. Hmotnost vlastních vrtacích kladiv je v rozmezí 50 – 300 kg. Přítlak a osový pohyb je realizován pomocí saní. Polohování saní v prostoru zabezpečuje lafeta. Sáně mají za úkol pohybovat vrtacím kladivem přímočarým vratným pohybem a vyvozovat optimální sílu přítlaku na vrták s vysokou přesností. Sáně můžeme rozdělit podle těchto druhů konstrukce vyvozování osové síly: - lanové, - řetězové, - hřebenové, - šroubové, - pneumatické.

řetězka (kladka)

SPSKS vrtačka

vrták

řetěz (lano)

vedení saní

pohon posuvu saní lanem nebo řetězem zdvih

pastorek

ozubený hřeben

pohon posuvu saní pastorkem a ozubeným hřebenem

-165-

hnací řetězka (kladka)

pohon

matice

vodicí šroub

pohon posuvu saní vodicím šroubem a maticí teleskopický lineární pneumatický motor

pohon posuvu saní teleskopickým lineárním pneumatickým motorem Obr. 152 Schéma konstrukcí pohonu posuvu vrtaček na saních

Ponorná kladiva lze použít pro vrtání děr o průměru větším než 80 mm a hloubce větší než 10 m. Výchozí filozofií konstrukce ponorných kladiv je snížení ztrát příklepu při vedení vrtací tyčí. Ráz má vlnový charakter a ke ztrátám dochází zejména ve spojení vrtacích tyčí. Vlnový charakter pak napovídá o jevech, které souvisejí o odrazech rázu na libovolné diskontinuitě. Vlna se tak vrací zpět a reaguje s rázem vyslaným, který může zmenšovat. Jejich výhodou je, že vykazují vyšší energetickou účinnost a energie rázu se s hloubkou vrtu nemění. Jeho nevýhodou je malý průměr pístu – úderníku, který se musí vejít do průměru díry. To má vliv na energii rázu.

SPSKS

Obr. 153 Ponorné kladivo v axonometrickém řezu

4.7 ROZVODY VRTACÍCH KLADIV Rozvody obecně slouží ke směrování stlačené tekutiny do válce střídavě nad píst a pod píst. Dále slouží k řízenému vypuštění do atmosféry nebo zpět do agregátu. Rozvod musí také bránit přílišné expanzi vzduchu při plnění prostoru válce, protože expanze vzduchu znamená jeho prudké ochlazení, při němž ze vzdušné vlhkosti vzniká led. Při rozvodu kapalin musí rozvody bránit vlnovým jevům. Běžné tlaky pro vrtací kladiva se dříve pohybovaly v rozmezí 0,5 – 0,7 MPa. Dnes jsou tyto tlaky na moderních vrtacích kladivech mnohem vyšší. Existují tyto základní druhy rozvodů: - bez speciálního rozvodového orgánu, kde rozvod vykonává píst,

-

rozvod, kde rozvodný orgán řídí vstup do válce a píst po vykonání práce vypouští vzduch do atmosféry (obr. 150),

-166-

-

bezkompresní rozvody (nepotřebují žádné zařízení na přestavění směru proudění tekutiny).

Rozvod, který řídí směr proudění tekutiny, je velmi namáhaný konstrukční uzel. V obrázku 150 je takovým uzlem destička, která se pohybuje ve válci. Jevy související s expanzí stlačeného vzduchu probíhají za rychlosti zvuku. Proto jsou rázy v rozvodu velmi silné a způsobují řadu doprovodných a nežádoucích jevů. Pohyb destičky a její dosednutí do sedla vyžaduje velmi tvrdý a přesně obrobený povrch. Kromě destičky se používá i kulička, klapka nebo tzv. šoupátka. Tyto konstrukce se liší rychlostí otevření a energií rázu.

4.7 VRTACÍ SOUPRAVY Vrtací soupravy jsou komplexní zařízení pro vrtání děr. S ohledem na technologie a účel vrtání lze jejich konstrukci rozdělit na: - vrtací soupravy pro hlubinné vrtání, - vrtací soupravy pro povrchové vrtání, - vrtací soupravy pro těžbu ropy a zemního plynu (vrtné věže), - vrtací soupravy pro průzkumné vrty, - odvrtávací soupravy. Z hlediska konstrukce a terminologie nejde o „vrtačky“, protože kromě vlastního vrtacího zařízení mají samohybný podvozek, odsávací zařízení a obvykle ještě agregát na stlačenou tekutinu (kompresor nebo čerpadlo). K tomu u nejmodernějších zařízení ještě patří klimatizovaná kabina, dálkové ovládání, navigace GPS, revolverový zásobník na vrtací tyče apod. Takováto zařízení jsou značně autonomní a velmi pohyblivá. Pro manipulaci saněmi jsou tyto umístěny na lafetě, která má kinematiku identickou s rypadly nebo nakladači, tzn. výložník, násada, topor. Lafeta má však další stupeň volnosti rotaci kolem osy. Pro technologie spojené s ražením tunelů mohou mít vrtací soupravy více ramen a vrtat větší množství děr najednou. Pro zvládnutí konstrukce vrtacích souprav poslouží proto nejlépe obrázky. U každé vrtací soupravy pak jde o složení jejich jednotlivých konstrukčních uzlů ve vhodné kombinaci.

SPSKS

-167-

vrtací souprava pro odvrtávání

vrtací souprava pro odvrtávání vodorovně

SPSKS vrtací souprava na housenicovém podvozku

vrtací souprava na housenicovém podvozku

vrtací souprava pro rotační vrtání

-168-

SPSKS

vrtací souprava na kolovém podvozku se čtyřmi lafetami pro ražení tunelů

Obr. 154 Obrázky některých konstrukcí vrtných souprav

4.7.1 VÝVOJOVÉ TRENDY V KONSTRUKCI VRTACÍCH KLADIV

Pneumatická kladiva byla používána pro vrtací práce už v 19 století. Jejich vývoj byl postaven na vývoji materiálů, které dokázaly přenášet značné dávky energie příklepu. Žádná technologie rozpojování hornin nemá potenciál transportovat tak velké dávky energie, jako je tomu u vrtání. Vývoj směřuje ke kombinaci hydraulického a pneumatického pohonu a k čistě hydraulickému pohonu. Hydraulické obvody jsou dnes dobře regulovatelné a lze takto přenášet větší dávky energie na vrtací korunku. Při použití hydraulických vrtacích kladiv se rotace vrtáku řeší zvláštním pohonem, který je nezávislý na úderech. Prakticky to znamená, že pootáčení korunky není konstantní ve vztahu k počtu úderů. Energii rázu lze měnit, měnit lze také krouticí moment vrtací tyče a přítlak. Při možnostech řídit všechny proměnné je relativně snadné optimalizovat proces vrtání. Jestliže energetická účinnost pneumatických vrtacích kladiv je kolem 20 %, u hydraulických je kolem 50 %. Zanedbatelná stlačitelnost kapalin je příčinou značných komplikací, protože rázové jevy vzniklé v kapalinách při změnách průtoku vyžadují použit pneumaticko – hydraulické akumulátory apod. Poznámka: Pro zjednodušenou představu o hydraulickém rázu poslouží jednoduchá a v praxi známá situace.

-169-

m.s-1

~km

Potrubím o délce řádově km protéká tekutina (např. voda) rychlostí několika metrů za sekundu. Hmotnost kapaliny v takto dlouhém potrubí je řádově v tunách. Prudkým uzavřením potrubí v řádu desetin sekundy v pohybujícím se proudu nastává situace stejná jako při nárazu osobního automobilu na pevnou stěnu při rychlosti několika desítek km.h-1. Jevy, které nastávají následkem takového nárazu, jsou empiricky známé. V potrubí nastává energeticky stejná situace, která znamená prudké navýšení tlaku, během čehož vzniká rázová vlna, která se pohybuje proti vektoru rychlosti, tedy opačně. V hydraulických obvodech při zavírání a otevírání vzniká velké množství rázových vln. Pokud se potkají, tak vznikají jevy, které mohou velikost rázu násobit.

SPSKS

4.8 SBÍJECÍ KLADIVA

Sbíjecí kladiva se od kladiv vrtacích liší tím, že nemají pootáčecí zařízení, protože nástroj nemusí rotovat. Nástroj koná pouze přímočarý vratný pohyb, při němž na horninu působí nárazem. Technologicky se sbíjecí kladiva používají na rozpojování relativně málo soudržných hornin. Taková potřeba vzniká při pracích na demolicích budov, opracování kamene v ušlechtilé kamenické výrobě apod. Dalším použitím je rozbíjení nadměrných kusů vzniklých např. při odstřelu (sekundární rozpojování). S ohledem na environmentální kulturu se mohou používat i pro těžbu dobře rozpojitelných a narušených hornin, kde nahrazují trhací práce. Podle zdroje energie rázu můžeme sbíjecí kladiva rozdělit na: - pneumatická, - hydraulická (impaktory), - mechanická. Podle hmotnosti, která také určuje jejich použití, je dělíme na: - lehká (7 – 15 kg, manipulace je ruční), - střední, - těžká (100 – 7000 kg, manipulace je možná na mechanice nakladačů nebo rypadel). Pneumatická sbíjecí kladiva jsou principiálně znázorněna na obr. 150. Generování rázů je zajištěno nárazy pístu, který je zároveň úderníkem na stopku nástroje.

-170-

schéma lehkého sbíjecího kladiva

vizuální podoba lehkého sbíjecího kladiva

Obr. 155 Pneumatické sbíjecí kladivo

Hydraulická sbíjecí kladiva (impaktory) jsou výkonnější - měřeno velikostí energie při rázu. Ta je 50 – 200x větší, ale frekvence úderů je několikanásobně nižší. Hydraulická sbíjecí kladiva nejsou čistě hydraulická, protože uvolnění energie se realizuje rozpínáním stlačeného plynu, kterým je nejčastěji dusík. akumulátor dusík N2

úderný píst v horní úvrati

SPSKS válec vyplněný tlakovým olejem

přívod takového oleje

nástroje do impaktoru

nástroj

Obr. 156 Schéma hydraulického sbíjecího kladiva (impaktoru) a některé nástroje

Akumulátor plynu N2 je oddělen membránou. Hydraulický obvod vytlačí úderný píst o velké hmotnosti do prostoru, kde dojde k jeho stlačení. Po prudkém otevření se komprimovaný plyn prudce rozpíná a udělí údernému pístu velké zrychlení. Kinetická energie -171-

je pak předána rázem nástroji. Nástroj musí být k rozbíjenému materiálu přitisknut podobně, jako je tomu u vrtacích kladiv.

vizuální podoba impaktoru

impaktor při dobývání na násadě rypadla

SPSKS impaktor na podvozku rypadla

Obr. 157 Impaktory

Mechanická sbíjecí kladiva generují ráz mechanickým způsobem. Jde o sbíjecí kladiva, u kterých je z nějakých důvodů žádána autonomie provozu. Jsou nejčastěji určena pro ruční manipulaci s tím, že směr úderů je veden ve směru gravitace. Jejich autonomie provozu znamená, že nevyžadují kompresor. Pohon je buď elektromotorem, nebo spalovacím motorem. Nejčastějším způsobem generování rázů je využití klikového mechanizmu.

-172-

klika

ojnice

odpružený úderník

nástroj

Obr. 158 Schéma mechanického sbíjecího kladiva

SPSKS

5.0 STROJE PRO ZDROBŇOVÁNÍ HORNIN

Technologický aspekt zdrobňování spočívá ve změně zrnitosti na rozměr, který má jinou užitnou hodnotu. Zdrobňování hornin je technologií postupnou, protože není možné, alespoň statisticky, měnit velikost zrn v řádech decimetrů jednorázově na rozměry v řádu milimetrů nebo menší. Proces zdrobňování realizovaný drcením má proto obvykle několik stupňů. Drcení ve stupních se pak nazývá primární - sekundární – terciérní. V názvu drtiče pak adjektivum upřesňuje jeho postavení v řadě (např. primární drtič). Základní rozdělení strojů, které materiál hornin zdrobňují je na: - drtiče, - mlýny.

5.1 FYZIKÁLNÍ PRINCIP ZDROBŇOVÁNÍ Z nauky o pružnosti a pevnosti známe základní druhy namáhání, které jsou zřejmé z tabulky. schéma namáhání a deformace namáhání zatížení výpočet napětí

tah

-173-

síla

F σt = —— [MPa] S

tlak

síla

F σd = —— [MPa] S

krut

krouticí moment

Mk τk = —— [MPa] Wk

síla

F τs = —— [MPa] S

ohybový moment

Mo σo = —— [MPa] Wo

střih

ohyb

SPSKS

Dalším velmi důležitým aspektem pro pochopení fyzikální podstaty zdrobňování je skutečnost, že v oboru těžby a zpracování kamene zdrobňujeme kámen. Ten má v tlaku a tahu velmi odlišnou pevnost. Chování kamene za tahového a tlakového napětí je zřejmé z obrázku č. 159. σ [MPa]

ε[-]

Obr. 159 Průběh namáhání v tahu a tlaku kamene

Interpretace zatěžujícího diagramu říká, že kámen má velmi nízkou pevnost v tahu a zároveň vysokou pevnost v tlaku. Vyjádřeno v relativní metrice je pevnost kamene v tahu pouze 6 – 10 % jeho pevnosti v tlaku. Pro projektanta pracujícího s kamenem je proto zřejmé, že nosné konstrukce mohou být namáhány pouze tlakem, protože snesou velkou zátěž.

-174-

zrno zatížené a deformované tlakem

tlak hladká čelist

←směr primárního → porušení zrna

Technolog, který má za úkol zrno kamene zdrobnit drcením nebo mletím, musí nalézt energeticky nejvhodnější způsob, jak dosáhnout porušení celistvosti zrna. V tabulce jsou uvedeny vztahy pro výpočet napětí pro různá namáhání. Technické řešení zdrobňování je tedy o úloze nalézt co nejmenší hodnotu sil, které zrno poruší překonáním jeho pevnosti. Z rozboru tabulky a grafu je zřejmé, že energeticky by bylo zrno nejlépe rozpojitelné tahem, protože tahu kámen vzdoruje nejméně (má nízkou mez pevnosti). Nejobtížnější rozpojení je pak tlakem. Zkonstruovat zařízení, které by svedlo zrna statisticky nejistého tvaru a velikosti namáhat tahem, prakticky nelze. Namáhání tlakem je oproti tomu velmi snadno realizovatelné. Vyhlídky se zlepší, pokud si uvědomíme, že lehce realizovatelný ohyb, např. do sebe zapadajícími zuby, je vlastně kombinace tahu a tlaku. Tahem namáhaná strana zrna praská velmi snadno. Krut a smyk jsou pro statisticky různorodá zrna rovněž problém. Energeticky by krut vyžadoval ještě menších sil než tah. Tabulka uvádí základní druhy namáhání a základní jednoduché výpočty velikosti napětí. S určitou mírou zjednodušení lze však dokázat, že i při namáhání zrna tlakem vzniká poněkud složitější stav, tzv. napjatost. Při stlačování zrna v kolmém směru vzniká napětí v tahu. Modelový příklad je na obrázku č. 160.

x

SPSKS y

y

←směr sekundárního → porušení zrna

hladká čelist zrno bez zatížení tlak

x

Obr. 160 Schéma porušení zrna působením tlaku

Tlak hladkých čelistí drtiče vyvolá u zrna jistou deformaci, která změní tvar zrna zmenšením jeho rozměru v ose působení tlakové síly. Ze zkušenosti je pak zřejmé, že ve směru kolmé roviny k ose působení tlakové síly se rozměry zrna zvětší. Prodloužení rozměru však znamená existenci tahového napětí. V tahu však kámen vykazuje nízkou hodnotu meze pevnosti. Kámen tak praská nejdříve (primárně) ve směru osy x v nějaké „rovině“, která není matematickou rovinou, ale zvlněnou plochou. Tvar této plochy je zřejmý z obrázku, kde má červenou barvu. Po porušení celistvosti zrna primárním porušením je „rozpůlené“ zrno namáháno ohybem, kdy každá část praská vlivem ohybu. Mechanizmus porušení zrna ohybem je zřejmý z obrázku č. 161. Ohyb je kombinace normálních napětí v tahu a tlaku. Na tahové „větvi“zrna pak dojde ke vzniku trhliny, která se šíří rychlostí zvuku a rozdělí zrno. Podmínkou vzniku ohybu je vytvoření ohybového momentu. Ten vzniká, pokud síla působí mimo opory. Takový stav lze navodit konstrukcí ozubených čelistí. Další možnost je náhodný vznik opor zrna ostatními zrny v pracovním prostoru drtiče. Zrna se tak drtí „sama sebou“, takové drcení se nazývá interpartikulární.

-175-

zrno ozubené čelisti tlak

tah

Obr. 161 Schéma porušení zrna působením ohybu

Dosavadní způsoby namáhání zrna kameniva předpokládaly staticky působící síly. To znamená, že nárůst sil v čase je relativně pomalý a na práci potřebné k rozlomení zrna se neuplatňují setrvačné síly zrn ve smyslu „Newtonova zákona setrvačnosti“. Druhou variantou způsobu namáhání zrn je ráz, který je popsán obr. 148. Pro pochopení fyzikálních principů dynamického zdrobňování postačí jistá zkušenost. Mějme např. křídu na psaní na tabuli. Pokud ji pustíme na zem nebo s ní mrštíme o pevnou překážku, křída se zlomí. V okamžiku lomu na křídu působila toliko setrvačná síla jejího pohybu, tedy rychlosti. Pokud tato rychlost bude dostatečná, křída se zlomí. Dále si povšimněme a vyhodnoťme fakt, kde nejčastěji k lomu dojde. Tvar kvádru pro potřebu úvahy zredukujeme na nárys křídy, tedy na 2D. Teoreticky mohou nastat tyto případy:

SPSKS

kolmo kvádru

ve

středu

kolmo mimo kvádru

střed

šikmo kvádru

ve

středu

šikmo mimo kvádru

střed

v podélné ose kvádru

Ze zkušenosti víme, že nejčastěji se křída zlomí přibližně kolmo a uprostřed svojí délky. Jde o statistiku, ale jistě se lze shodnout na skutečnosti, že pravděpodobnost, že se křída zlomí v rovině, která je tvořena také podélnou osou, je mimořádně nízká. Mechanizmus výběru roviny tak, že nejčastějším případem je případ první, je složitý a přesahuje rámec této učebnice. Pro zobecnění poznatku je dobré vědět, že dynamické zdrobňování má statistickou tendenci lámat zrna v jejich nejdelší ose. Z pohledu fyziky zdrobňování zrn využíváme v praxi tyto mechanizmy: - statického tlaku dvou sil, které působí protisměrně, ten však v sobě zahrnuje i ohyb (kombinace tahu a tlaku), který realizujeme čelistmi s rýhovaným povrchem, - střihem (smykem, roztíráním), kdy proti sobě působí rovnoběžné a protisměrné síly, - rázem, kdy dochází k růstu sil takovou rychlostí, že se uplatňují setrvačné vlastnosti zdrobňovaných zrn. Z teoretických úvah pak vyplývá, že lomová plocha zrna by měla být plochou rovinnou. V praxi tomu tak obvykle není a lomové plochy jsou deplanované, tj. zakřivené.

-176-

Teorie také napovídá, že zrna by měla po rozlomení tvořit zrna ve tvaru kvádrů nebo dokonce krychlí a každý lom by měl způsobit pouze zdvojnásobení počtu následných zrn. Praktické zdrobňování však vytváří statisticky omezené možnosti mechanizmu rozlomení zrn. Dalším faktorem je anizotropie hornin, její míra a natočení os anizotropie vzhledem k vektorům zatěžujících sil. Za anizotropii lze považovat lámání kamene ve směrech hont- po dobré - po špatné. Na zdrobňování jako fyzikální proces se lze také dívat pohledem zvětšování povrchu. Pokud chceme popsat matematicky procesy, které souvisejí se zdrobňováním v metrice sil a silového působení, musíme hledat obecné závislosti mezi stupněm zdrobnění a silovými účinky. Zcela výjimečně je proto dobré uvést jakési zobecněné pravidlo asi třech teorii: N ~ f)d,D), čteno práce je úměrná funkci zrn před a po zdrobnění, kde: N [J] - práce potřebná k vytvoření 1 m2 nově vytvořené plochy zrn d [m2] – střední velikost zrn po zdrobnění D [m2] – střední velikost zrn před zdrobněním. K silovým účinkům nebo potřebným výkonům pro stroje, které zdrobňují horniny, se dostaneme právě přes laboratorně naměřená data potřebné práce.

5.2 DRTIČE Drtiče jsou tedy zařízení, která slouží ke zdrobňování hornin. Určitá dělící rovina mezi drtiči a mlýny je dána výstupem měřeným na velikosti zrn. Odborná literatura se příliš nezabývá vymezením ostré hranice mezi drcením a mletím, ale lze připustit poněkud zjednodušenou tezi, že mletí je technologie, kdy produkt má zrnitost menší než 1 mm. Fyzikální princip mletí i drcení je stejný. Základní dělení drtičů je podle dynamiky působení sil na drticích plochách: - statické drtiče, - dynamické drtiče.

SPSKS

Statické drtiče lze pak dělit podle tvaru drticích ploch na: - čelisťové drtiče, - kuželové drtiče, - válcové drtiče. Dynamické drtiče lze pak dělit podle mechanizmu generování rázu na: - kladivové drtiče, - odrazové drtiče, - metací drtiče.

5.3 STATICKÉ DRTIČE Statické drtiče lze dále členit podle tvaru prostoru, kde dochází k drcení na dvě základní konstrukce: - čelisťové drtiče, - kuželové drtiče, - válcové drtiče.

-177-

5.3.1 ČELISŤOVÉ DRTIČE Z technologického hlediska jsou tyto drtiče vhodné k drcení tvrdých a středně tvrdých materiálů, ale také při recyklačních technologiích, kde jsou schopny drtit i materiály měkké nebo dokonce houževnaté (asfaltový beton, keramika, betony). Základní princip spočívá ve vyvozování míjivého tlaku na drcená zrna. Ten je vyvozován mezi dvěma drtícími čelistmi. Obvykle je jedna čelist pevná a druhá pohyblivá. Bokorysný řez čelisťovým drtičem ukazuje na dvě čelisti, které vytyčují prostor ve tvaru písmene „V“. Pro drcení je nutné vyvíjet míjivý tlak, který je mechanicky vyvozen kývavým pohybem pohyblivé čelisti. Základní princip funkce čelisťových drtičů zjevně poskytuje největší drticí prostor, který je v nárysně rozměrem vnitřních hran pevné a pohyblivé čelisti (c) a v rovině kolmé k nárysně je dán šířkou čelistí (tlamy) „B“. Na výstupu pak má drtič tzv. výstupní štěrbinu. Tato mění svoji velikost, která má dvě úvratě „sevřená výstupní štěrbina“ (css) a „rozevřená výstupní štěrbina“ (oss). Konstrukce čelisťových drtičů je podřízena potřebě technologů drtit i relativně velmi rozměrná zrna. Obdélník vytyčený rozměry c x B umožňuje vstup i velkých zrn. Rozměry B patří k základním parametrům a jsou v intervalu 400 – 1600 mm.

B

c

pohyblivá čelist (kývavý pohyb)

pevná čelist

SPSKS css oss zdvih

Obr. 162 Schéma základních rozměrů a kinematiky čelisťových drtičů

Ze schématu obr. 162 lze „na první pohled“ usoudit, že čelisťový drtič může být schopen drtit v jednom stroji libovolnou frakci z libovolně velkých zrn na vstupu. Stupeň drcení by v takovém případě nabýval libovolných hodnot. Důvodem omezení stupně drcení je součinitel tření. Zásadním omezením pro čelisťové drtiče je totiž úhel, který svírají pevná a pohyblivá čelist. Bez matematického modelu lze vidět, jaký vliv má úhel čelistí na velikost tečné složky sil, která zrno namísto drcení prostě vytlačí z drtícího prostoru čelisťového drtiče proti směru toku materiálu (šipka). Tento rozdíl je patrný z obrázku č. 163. Opačným extrémem je nulový úhel čelistí, kdy by byly tyto rovnoběžné. Pro vytlačování drceného zrna by nebyly vytvořeny žádné podmínky, ale stupeň drcení by se zredukoval na zdvih. Z obrázku č. 163 je zřejmé, že svislá složka jako výslednice sil při stisku čelistí nesmí být větší než síla gravitace drceného zrna. Obecně lze tedy konstatovat, že gravitace je důležitou

-178-

podmínkou pro drcení materiálu. Vyskytují se totiž zařízení, kterých se užívá pro demoliční práce (jsou uchyceny na rypadlech), kde se využívá i drcení na bázi čelisťových drtičů. S ohledem na nutnost nabrání drceného materiálu s kinematikou hloubkové lopaty, se obtížně dosahuje pro operaci drcení nejvýhodnější polohy, při které gravitace prochází přibližně osou úhlu čelistí. gravitace

gravitace

působení sil čelisťového drtiče s malým úhlem sevření čelistí

působení sil čelisťového drtiče s velkým úhlem sevření čelistí

Obr. 163 Schéma silových poměrů čelisťových drtičů v závislosti na úhlu sevření čelistí

Čelisťové drtiče lze dále rozdělit na dvě významné skupiny podle kinematiky generování sil: -

SPSKS

dvojvzpěrné drtiče, jednovzpěrné drtiče.

5.3.1.1 DVOJVZPĚRNÝ DRTIČ

Dvojvzpěrný drtič je starší konstrukce než jednovzpěrný drtič. Starší je tato konstrukce proto, že u prvních strojů pro horniny s pevností kolem 350 MPa nebyla jiná konstrukce možná. Aktuální tendence je nahrazovat tyto modernějšími jednovzpěrnými drtiči.

Obr. 164 Řez dvojvzpěrným drtičem

-179-

Na obrázku č. 164 je podélný a příčný řez dvojvzpěrným drtičem. Protože se jedná o výkresovou dokumentaci strojírenskou, použijeme k pochopení základní funkce zjednodušené schéma.

zadní deska

pevná čelist

excentr

přední deska

setrvačník

stavěcí klín

pohyblivá čelist

SPSKS výkyv čelisti

vzpěrné desky

pružinová tyč ojnice

kyvadlo

Obr. 165 Schéma dvojvzpěrného drtiče

Základním principem práce čelisťového drtiče je kývavý pohyb pohyblivé čelisti (čárkovaně). Tato zmenšuje a zvětšuje drticí prostor klínovitého tvaru. Pro drcení kamene jsou zapotřebí zjevně velké síly. Kinematika generování sil spočívá v pohybu dvou vzpěrných desek. Tyto vykonávají pohyb, kdy se „prolamují“ v pánvích. Zadní deska je opřena o pevnou stěnu rámu stroje. Jakmile dojde k pohybu vyvolaného pohybem ojnice, dochází ke změně součtu délek obou desek. Přední deska je opřená o kyvadlo a toto vychyluje. Rozborem kinematických poměrů lze dokázat, že tímto způsobem lze generovat velké síly. Úhel „prolamování“ desek není příliš velký a mechanizmus vyvozování extrémních vzpěrných sil se podobá např. tření v klínové drážce. Největší síly tento mechanizmus dosahuje při ztotožnění os vektorů sil v obou deskách (dostávají se do roviny). Osová síla v ojnici je vyvozována excentrickým hřídelem a dosahuje rovněž mimořádně vysokých hodnot. Pružinová tyč slouží k udržení kyvadla (a tím celého mechanizmu) „v celku“. Je zřejmé, že v případě spuštění drtiče by kyvadlo bez zatížení pokračovalo setrvačností dál proti pevné čelisti. Takovému nechtěnému pohybu zabraňuje pružinová tyč. Základní proměnnou všech statických drtičů je šířka výstupní štěrbiny. Tato musí být proměnnou veličinou a musí být regulovatelná. K regulaci slouží různé mechanizmy - od mechanických po moderní hydraulické. Na obrázku 165 je použit klín, kterým nastavuje šířka štěrbiny jeho posouváním, např. šroubem.

-180-

5.3.1.2 JEDNOVZPĚRNÝ DRTIČ Jednovzpěrné drtiče jsou současně nejpoužívanějším typem čelisťových drtičů. Jejich konstrukce je „mladší“ a byla podmíněna konstrukcí ložisek, která by vydržela rázy a vysoké kontaktní tlaky. Odlišnost od dvojvzpěrného drtiče spočívá v tom, že kyvadlo je zároveň ojnicí. Na obrázku č. 166 je tento typ drtiče nakreslen v řezu jako strojírenský výkres.

SPSKS

Obr. 166 Řez jednovzpěrným drtičem

Pro základní pochopení funkce a fyzikálního principu je vhodnější využít schématu.

-181-

setrvačník

pevná čelist

excentr

stavěcí klín

pohyblivá čelist

kyvadlo

SPSKS výkyv čelisti

vzpěrná deska

pružinová tyč

Obr. 167 Schéma jednovzpěrného drtiče

Z hlediska kinematiky je princip funkce tohoto typu drtiče stejný. Pouze kyvadlo vykonává dvě funkce, a to ojnici a kyvadla. Vzpěrná deska tak postačí pouze jedna. Základním rozdílem je kinematika pohybu čelisti. Rozdílnost pohybu je patrná z obrázku č. 168.

pohyblivá čelist

kinematika dvojvzpěrného drtiče

kinematika jednovzpěrného drtiče

Obr. 168 Schéma pohybu čelistí dvojvzpěrného a jednovzpěrného drtiče

-182-

Pohyblivá čelist u dvojvzpěrného drtiče koná zjevně toliko kývavý pohyb jako klasické kyvadlo. Velikost zdvihu klesá od maxima na výstupní štěrbině až na minimum, které je na horní hraně čelisti. Osa kyvadla je nepohyblivá. U jednovzpěrného drtiče je kinematika poněkud složitější, protože osa kyvadla se pohybuje na excentru po kružnici. Horní hrana desky však vykonává pohyb podobný elipse a důležitý je i směr tohoto pohybu. Dolní hrana čelistí pak vykonává pohyb po křivce podobné elipse, ale její hlavní osa je blíže k vodorovné rovině. Čelist jednovzpěrného drtiče má kromě kývavého pohyb při stisku (zmenšování drtícího prostoru) tendenci materiál vtahovat podél čelisti do drtícího prostoru. Tento pohyb je velmi podobný „kinematice“ hltání potravy žraloků, krokodýlů apod. Podmínkou takového pohybu je také správný směr otáčení dle obrázku. 5.3.1.3 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ ČELISŤOVÝCH DRTIČŮ Setrvačník je tvořen obvykle dvěma mohutnými prstencovitými kotouči. Obvykle jeden z nich slouží jako řemenice pro klínové řemeny. Konstrukčně se jedná o odlitky. Setrvačník má za úkol akumulovat kinetickou energii drtiče. Tato se akumuluje při rozběhu stroje na požadované otáčky podle známého vztahu: Io . ω 2 Ek = ———, 2 Io je moment setrvačnosti, který by měl u setrvačníku mít vysokou hodnotu.

SPSKS

Při drcení kamene dochází k úbytku kinetické energie setrvačníku, která se projevuje určitým poklesem otáček (a tedy i úhlové rychlosti). Po překonání pevnosti kamene pohon opět doplní energii setrvačníkům ve formě zvýšení otáček. Prasknutí zrna je dílem zlomku sekund, protože trhlina se šíří křehkým materiálem rychlosti zvuku. Čelisťový drtič není tedy namáhám nějakou konstantní silou, dokonce tato síla není ani spojitou křivkou, ale soustavou náhodně se objevujících špiček. Excentr je jistá obdoba klikového hřídele, kde se klikové a ojniční čepy překrývají. Excentr je ocelový kovaný díl obvykle zušlechťovaný na vysokou pevnost. Excentricita je zdrojem velkých sil, které jsou přenášeny podle typu drtiče na ojnici nebo přímo na kyvadlo. Uložen je prostřednictvím ložisek v rámu stroje. Rám drtiče je odlitek z oceli nebo svařovaná konstrukce z tlustých plechů konstrukční oceli. S ohledem na rázové namáhání jde o mimořádně robustní konstrukci, která je žebrovaná pro zvýšení tuhosti. Ojnice je součást, která zprostředkovává složený pohyb. Její obvyklou konstrukcí je svařenec nebo odlitek z konstrukční oceli. Na excentru je uložena pomocí ložisek, a to ložisek valivých. Kyvadlo je desková konstrukce, která vykonává kývavý nebo kombinovaný pohyb. Na její konstrukci je upevněna pohyblivá drticí čelist. Konstrukce je opět odlitek z oceli nebo svařenec z tlustých plechů. Jde o velmi silně namáhanou součást dynamickými rázy.

-183-

spojky excentr

ložiska

ojnice kyvadlo

setrvačník

Obr. 169 Schéma sestavení setrvačníků, excentru a ojnice (kyvadla)

Drticí čelisti jsou pracovní části drtičů. Jsou dynamicky namáhanými součástmi. Vedle silových rázů jsou vystaveny extrémnímu otěru (abrazi). Materiál drticích čelistí je manganová ocel (hadfieldova ocel). Technologicky jsou vyrobeny litím. Základním třídícím znakem čelistí je tvar jejich povrchu, který má zásadní vliv na vlastnosti drcení a fyzikální podstatu lámání zrn.

SPSKS hladké

pilovité

lichoběžníkové

oblé

Obr. 170 Schéma povrchů drtících čelistí Dotykové plochy drticích čelistí lze renovovat pomocí technologií návarů speciálními elektrodami. Vedle příčného průřezu drticích čelistí je i podélný řez čelistí předmětem různých filozofií konstrukce. Jedna se snaží součást konstruovat tak, aby její povrch byl rovnoměrně opotřebováván, Druhá konstrukce vychází z prizmatické součásti (má po podélné ose čelisti konstantní průřez), je rozdělena do více částí po délce, které se dají zaměňovat, a tak lze docílit rovnoměrnějšího opotřebení. Použití drticích čelistí podle druhu drceného materiálu nemá nějaké exaktní doporučení, spíše se řídí zkušenostmi z délky nasazení v provozu. Čelisti se na rám stroje uchycují pomocí zapuštěných šroubů nebo klínů.

-184-

Obr. 171 Schéma konstrukce drticích desek dělená deska

celistvá deska

Stavěcí klín je konstrukční uzel, kterým se reguluje základní parametr drtiče, jímž je šířka výstupní štěrbiny. Modernější konstrukce mohou mít nastavení provedeno na bázi lineárního hydromotoru (hydraulického válce). Naopak starší konstrukce namísto spojité regulace řeší nastavení šířky výstupní štěrbiny vkládáním kovových podložek. Posouváním dvou klínů dochází k pohybu pánvice, která vysouvá nebo zasouvá vzpěrnou desku. Tím se mění šířka výstupní štěrbiny.

SPSKS rám drtiče

klíny

pánvice

pohybový šroub

Obr. 172 Schéma konstrukce stavěcího klínu

Vzpěrné desky jsou deskovité součásti vyrobené z lité oceli nebo šedé litiny. Druhou variantou je svařovaná konstrukce. Jejich funkce je přenášet na kyvadlo síly vzniklé v mechanizmu drtiče. Jsou namáhány vzpěrem, a to dynamickými silami. Na obou koncích jsou vzpěrné desky kluzně uloženy v pánvicích. Pánvice je jistým druhem ložiska, ve kterém se pohybují třecí části rotačním vratným pohybem. Konstrukce může být kluzná nebo valivá. Pružinová tyč je táhlo, které drží kyvadlo v dotyku se vzpěrnou deskou nebo vzpěrnými deskami. Tato tyč je přes rám stroje uložena pružně s určitým předepnutím pomocí pružin. Pružiny mohou být talířové, šroubové nebo pryžové.

-185-

5.3.1.4 ZABEZPEČENÍ ČELISŤOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM Při provozu čelisťových drtičů, zvláště pak primárních, se do drtícího prostoru může dostat nedrtitelný kus, který neprojde výstupní štěrbinou. Obvykle se jedná o zub nakladače, zbytky vrtacího nářadí apod. Nedrtitelný předmět se vyznačuje houževnatostí, protože nemá tzv. křehký lom. Konstrukce drtiče nemůže být úspěšně dimenzována na okamžité zastavení vyčerpáním všech setrvačných sil. Mechanické pojištění spočívá v tom, že v případě překročení určité hodnoty zatížení drtiče, se odpojí setrvačné hmoty jednotlivých součástí. Setrvačnou hmotu má drtič na všech pohybujících se součástech. Největší podíl má energie akumulovaná v setrvačnících. Ale významné setrvačné hmoty má také hnací motor a kyvadlo. Čím více těchto pohybujících se hmot dokážeme při překročení limitní síly „odpojit“, tím může být konstrukce rámu drtiče méně masivní. V zásadě lze vyřešit přetížení: - prasknutím vzpěrné desky, - odpojením setrvačníku od hřídelů excentru, - uvolněním stavěcího klínu. V případě volby zabezpečení vzpěrnou deskou se tato vyrobí z křehké šedé litiny a její rozměry a průřez se vypočítají tak, aby při určité hodnotě deska praskla vzpěrem. V okamžiku prasknutí desky se celý mechanizmus drtiče rozpojí a kyvadlo se přestane pohybovat. K zastavení zbytku setrvačných hmot postačí vypnout motor. Z pohledu odlehčení je tato metoda velmi účinná, protože veškeré setrvačné hmoty jsou mimo dosah nedrtitelného kusu. Tento kus propadne štěrbinou, která se otevře. Odpojení setrvačníků od excentru spočívá na silovém spojení mezi setrvačníky a čepem excentru. Nadimenzování tohoto spojení může být provedeno třecí spojkou nebo střižným kolíkem, jako je tomu u pojistných spojek. Výhodou je jednoduché znovuuvedení do provozu. Jistou nevýhodou je však skutečnost, že za setrvačníkem jsou ještě hmoty kyvadla, případně ojnice a excentru, jejichž setrvačnost je významná a zastavení ve velmi krátkém čase znamená mimořádný ráz především do konstrukce rámu stroje. Uvolnění stavěcího mechanizmu je u moderních konstrukcí nastavit SW prostřednictvím lineárního hydromotoru kombinovaného hydraulickým zámkem a pojistným ventilem.

SPSKS

5.3.1.5 PŘÍSLUŠENSTVÍ ČELISŤOVÝCH DRTIČŮ Čelisťové drtiče jsou relativně dosti složitá zařízení, která pracují kontinuálně a tvoří součást linky. Této realitě proto musí odpovídat jejich spolehlivost, řízení apod. Základním předpokladem spolehlivého chodu drtiče je dávkování, které může měnit cyklické technologie (např. transport od odvalu) na technologie kontinuální. Podavače budou popsány zevrubně v jiné kapitole. Dalším důležitým příslušenstvím je mazací soustava. Starší konstrukce mají k dispozici soustavu mazacích míst a tzv. mazací plán, kterým výrobce ukládá četnost kontroly, druh maziva a jeho doplňování. Moderní konstrukce mají centrální mazání. Zde se maziva dostávají pod tlakem do mazacích míst. Čerpadla centrálního mazání jsou spuštěna před vlastním spuštěním drtiče. Toto zajišťuje software nebo reléové spouštění. Pohon čelisťových drtičů může být realizován: - hydromotorem, - spalovacím motorem, - asynchronním motorem.

-186-

moment M [N . m]

moment M [N . m]

Pohon hydromotorem je pokročilá technologie. Jeho nespornou výhodou je snadná regulace otáček a krouticího momentu. Ovládání takového pohonu je možné algoritmizovat, což znamená, že drtič může být řízen počítačovým programem. Hydromotor i hydroagregát jsou pak zpravidla poháněny spalovacím motorem nebo asynchronním motorem. Spalovací motor se používá především u mobilních drtičů, které pracují přímo u dobývacích zařízení. Takové drtiče jsou dosti autonomní, protože nevyžadují poměrně komplikovanou elektrifikaci dobývacího prostoru pomocí kabelů. Obecně však platí, že sebemenší výkyv cen nafty prudce ovlivňuje nákladovost provozu. Spalovací motor však nepohání drtič přímo „na jedné spojce“. Momentová charakteristika spalovacího motoru totiž neumožňuje takovéto spojení. Pohon spalovacím motorem se realizuje prostřednictvím hydrogenerátoru a hydromotoru nebo teoreticky prostřednictvím alternátoru a elektromotoru. Což jsou řešení známá z pohonu těžkých např. damprů. Pohon asynchronním elektromotorem je statisticky asi nejčastějším provedením. Obecně asynchronní motor patří v oblasti pohonu strojů k nejpoužívanějším. Výjimkou jsou pohony typu kolejových vozidel, trolejbusů apod., kde se používají jiné točivé stroje. Základní vlastností asynchronního elektromotoru je jeho momentová charakteristika.

SPSKS ns

otáčky n [s-1]

otáčky n [s-1]

ns

otáčky n [s-1]

moment M [N . m]

derivační motor

moment M [N . m]

synchronní motor

ns

ns

otáčky n [s-1]

sériový motor

asynchronní motor

Obr. 173 Momentové charakteristiky elektromotorů

Na obrázku č. 173 jsou momentové charakteristiky nejčastějších konstrukcí elektromotorů. Důvodem používání právě asynchronních elektromotorů u pohonů čelisťových drtičů je ten, že motor má velmi jednoduchou, a tedy spolehlivou konstrukci. Zásadním důvodem je jeho

-187-

vysoká hodnota záběrového momentu při nulových otáčkách. Takový pohon lze použít na pevném spojení s hnacím hřídelem. Motor pracuje se skluzem, který při zvýšení zvyšuje moment. Spalovací motor má při otáčkách blízkých n = 0 nulový moment. Proto spalovací motor musí mít převodovku a hlavně rozběhovou spojku, která připojuje zátěž ve formě setrvačných hmot postupně. U automobilu rozjezd řídíme spojkou. Obrázky uvedené pro ilustraci (synchronní motor a derivační motor) se sami ani nerozběhnou, ale při dosažení synchronních otáček dosahují mimořádných krouticích momentů, které mohou vést k destrukci poháněného stroje. Spouštění asynchronních elektromotorů se provádí tzv. kaskádou. Řízení otáček moderními měniči dnes není problém. Pohony obecně vyžadují jistou pružnost mezi hnacím a hnaným strojem při proměnlivé zátěži. Tato je u čelisťových drtičů zajištěna převodem klínovými řemeny. Jsou to řemeny, které umožňují vyrovnávat rázy.

5.3.2 KUŽELOVÉ DRTIČE Fyzikální princip kuželových drtičů spočívá v kotálení se nebo precesi dvou kuželů vnitřního a vnějšího. Mezera mezi jejich povrchy slouží k drcení zrn. Mechanizmus drcení je vytvářením napjatosti kombinací tlaku a smyku, což je poněkud jiný mechanizmus než u drtičů čelisťových. Technologický aspekt použití tohoto typu drtiče spočívá v jeho základních vlastnostech. Jako primární lze použít pouze u předrcování těženého štěrku. I největší stroje totiž nemohou zpracovat příliš velká zrna na vstupu, takovou schopnost mají čelisťové drtiče. Nejpoužívanější jsou dvě základní konstrukce: - kuželové drtiče se zavěšeným kuželem (ostroúhlé), - kuželové drtiče s podepřeným kuželem (tupoúhlé).

SPSKS drtící plášť

drtící kužel

e

excentricita

Obr. 174 Základní princip drcení v kuželových drtičích

Základní princip práce kuželových drtičů je patrný z obrázku č. 174. Základ drtícího prostoru je tvořen dvěma kužely. Prvním je drticí kužel, jehož vnější povrch je pracovním povrchem, kde dochází k vlastnímu drcení. Tento kužel je na nosném hřídeli volně otočný. Druhým kuželem je drticí plášť a jeho vnitřní povrch je povrchem, na kterém dochází k drcení. Z obrázku je patrné, že oba kužely nemají stejný vrcholový úhel. Drticí kužel má vrcholový úhel vždy ostřejší. Mezera mezi oběma kužely má tedy lichoběžníkový tvar, který se zužuje ve směru gravitace. Drticí prostor je dán rotací mezery kolem osy kužele drtícího

-188-

pláště. Drticí kužel je buď uložen svojí osou rovnoběžně s určitou excentricitou (jsou to však rovnoběžky), nebo, jak je na obrázku, se osy kuželového pláště a drtícího kužele protínají, ale osy jsou různoběžky. Při rotaci osy drtícího kužele kolem osy drtícího pláště, nikoli osy vlastní, nastává pohyb, který se nazývá kotálivý nebo precese. Tento pohyb v řezu obrázku (vpravo) mění po obvodě mezeru mezi oběma kužely. Drticí prostor se tedy ve svislé (meridiální) rovině zužuje mezi oběma kužely a v rovině kolmé na osu drtícího pláště se zužuje vlivem kotálivého nebo precesního pohybu povrchu pláště. Pro zrno, které není unášeno, se tak cyklicky zvětšuje a zmenšuje mezera mezi oběma povrchy. Pohyb rovinných čelistí u čelisťových drtičů je zde nahrazen kotálivým nebo precesním pohybem se stejnými účinky. Je nutné podtrhnou skutečnost, že kuželový plášť je zcela nehybný.

SPSKS e

e kuželový drtič se zavěšeným kuželem

kuželový drtič s podepřeným kuželem

Obr. 175 Kuželové drtiče v řezu - strojírenský výkres a schéma

-189-

Drticí kužel je sice volně otočný, ale k rotaci jeho povrhu není nucen mechanizmem drtiče. Teoreticky mezi povrchy nevzniká relativní rychlost ve směru tečny. Kuželové drtiče nemají na rozdíl od drtičů čelisťových tzv. chod naprázdno (čelisti se rozevírají a nedochází tak k žádným silovým účinkům). To znamená, že drcení probíhá nepřetržitě a nevznikají tedy tak velké rázy. Drcení probíhá rotací po obvodu drtícího prostoru. Další srovnání kuželových drtičů ukáže, že plocha výstupní štěrbiny ve tvaru excentrického mezikruží je podstatně větší než u čelisťových drtičů. Rovněž objem drtícího prostou je vlivem obvodu pro tvořící plochu (II. Guldinova věta) větší. Při stejné hmotnosti, ale i příkonu motoru, mají tyto drtiče větší výkon v hmotnosti drcení. Na obrázku č. 175 jsou oba typy kuželových drtičů nakresleny v podobě strojírenského výkresu i schématu. Princip pohonu drtícího kužele je zřejmý. Kuželové soukolí přenáší rotaci na kuželové kolo. Na kuželovém kole je excentricky uložené ložisko, které nese drticí kužel.

5.3.2.1 KUŽELOVÉ DRTIČE SE ZAVĚŠENÝM KUŽELEM Jde o historicky starší konstrukci, protože podepření kužele „letmo“ je technicky velmi složitý problém. Tyto drtiče mají zpravidla vrcholový úhel drtícího kužele menší než 90°. Důsledkem této skutečnosti je i větší výška drtícího kužele a také stavební výška celého drtiče. Pro technologii drcení má tato skutečnost význam v tom, že zrno je drceno postupně na delší dráze. To se projevuje kvalitou drcení, především tvarovém indexu. Jistou nevýhodou je zmenšený prostor na vstupu drceného materiálu, kde je umístěno poměrně mohutné ložisko (obr. 176), ten se podobá neúplnému mezikruží. O jaký typ kuželového drtiče jde, se pozná nejsnáze při pohledu na drtič po směru gravitace. Podobně jako u všech statických drtičů, je i u kuželových drtičů regulovatelnou proměnnou šířka výstupní štěrbiny. Ta se u kuželového drtiče se zavěšeným kuželem reguluje posunem kužele spolu s hlavním hřídelem. Dnes se tak děje zásadně hydraulicky. Hlavní hřídel je nesen na pístu lineárního hydromotoru. Nastavení je pak jištěno standardními prostředky, tzn. hydraulickým zámkem a pojišťovacím ventilem spojeným s akumulátorem. Velikost zdvihu se mění změnou excentricity. Konstrukčně se jedná o pootočení pouzdra ložiska.

SPSKS

svislý pohled do násypky kuželového drtiče se zavěšeným kuželem

svislý pohled do násypky kuželového drtiče s podepřeným kuželem

Obr. 176 Porovnání vstupního prostoru kuželových drtičů

-190-

5.3.2.2 KUŽELOVÉ DRTIČE S PODEPŘENÝM KUŽELEM Kuželové drtiče s podepřeným kuželem mají zásadní výhodu ve vstupním otvoru, kterým je kruh (obr. č. 176). Takový drtič vykazuje vysokou výkonnost. Jeho nevýhodou je problematický tvarový index. Ten je způsoben krátkou drticí dráhou, tedy délkou površky drtícího kužele. Pokud po tomto drtiči následuje další stupeň drcení technologie tvarový index řeší nasazením dynamických drtičů v dalším stupni. Ty mají jiný mechanizmus rozlomení zrna, který statisticky působí rozlomením nejdelší osy zrna. Dalším rozdílem v konstrukci je regulace šířky štěrbiny. U drtičů s podepřeným kuželem se posouvá ve svislé poloze pohyblivý plášť. Děje se tak pootáčením na speciálním závitu. Další možností je zdvih drtícího pláště. ložisko drticí plášť

hlavní válec

SPSKS drticí kužel

olej

válec

nastavení výstupní štěrbiny kuželového drtiče se zavěšeným kuželem

nastavení výstupní štěrbiny kuželového drtiče s podepřeným kuželem (manipulací s drtícím kuželem, manipulací s drtícím pláštěm

Obr. 177 Způsoby nastavování výstupní štěrbiny u kuželových drtičů

-191-

5.3.2.3 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ KUŽELOVÝCH DRTIČŮ Drticí kužel je relativně tenký plášť ve tvaru komolého kužele, který je uchycen na nosném kuželu. Protože tato součást je namáhána tlakem a otěrem při svém precesním pohybu, je vyroben z manganové oceli (hadfieldova ocel). Toto řešení přináší výhodu rychlé vyměnitelnosti drtícího kužele jako součásti se zkrácenou životností. Povrch drtícího kužele může být hladký nebo na něm mohou být drážky. Jejich hloubka a tvar však nejsou tak velké jako u čelistí čelisťových drtičů. Drticí plášť je opět relativně tenký plášť ve tvaru komolého kužele. Jeho pracovní plocha je však vnitřní. Materiál a filozofie technického řešení jsou stejné jako u drtícího kužele a jde o součást se zkrácenou životností. Konstrukčně může být řešen jako sestava dvou až třech částí. Drticí kužel a drticí plášť sestavené v konstrukci drtiče tvoří drticí prostor. Zatímco drticí kužel má pracovní povrch ve tvaru komolého kužele s površkami ve tvaru přímky, drticí plášť má vnitřní plochu poněkud složitější. Po oba typy kuželových drtičů existuje několik základních variant tvaru drtícího prostoru. Ty jsou zřejmé z obrázku č. 178.

plášť drtiče

SPSKS nosný kužel

Obr. 178 Tvary drticích prostorů kuželových drtičů

-192-

Mechanika pohybu drtícího kužele je zřejmá již z obrázku 175. Základní principy u obou typů kuželových drtičů zůstávají stejné. Pohon je zajištěn od asynchronního elektromotoru nebo jiného typu motoru stejným způsobem, jako je tomu u čelisťových drtičů. Přenos výkonu je zprostředkován soustavou klínových řemenů na řemenici kuželového drtiče. Ta je spojena s předlohou a kuželovým pastorkem. Ten zabírá do kuželového kola, které se otáčí kolem vlastní osy v ložiscích. Na tomto kuželovém kole je umístěno excentricky uložené ložisko pro hlavní křídel kuželového drtiče. Konstrukce tohoto ložiska je uzpůsobena typu kuželového drtiče. Je to právě tento uzel, který rozhoduje o spolehlivosti stroje a životnosti. precesní pohyb

převod kuželovým soukolím

řemenice

předloha

sférické ložisko

e

SPSKS e

mechanika pohybu podepřeného kužele

mechanika pohybu zavěšeného kužele

Obr. 179 Schéma mechaniky pohybu kužele kuželových drtičů.

Sférické ložisko je ložisko, které se vyskytuje pouze u kuželového drtiče se zavěšeným kuželem. Jde o ložisko, které je schopné vykonávat sférický pohyb. Konstrukčně je podobné valivým naklápěcím ložiskům. Taková ložiska umožňují rotaci hřídele a zároveň jeho precesní pohyb, kdy osa rotuje také na povrchu kužele. Rám kuželových drtičů je mohutný odlitek z oceli s vysokou tuhostí, který je členěn do několika částí přírubovým spojením. 5.3.2.4 ZABEZPEČENÍ KUŽELOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM Kuželové drtiče ze své podstaty nemají hodnoty setrvačných hmot tak vysoké, jako je tomu u drtičů čelisťových. Nicméně i v tomto případě drticí proces porušení celistvosti zrna probíhá křehkým lomem. Po dosažení meze pevnosti zrno rychlostí zvuku praskne a změní svoji velikost. Takováto zátěž stroje vyžaduje využití setrvačnosti, ale v menší míře i energie. Drticí proces probíhá kontinuálně, protože otevřená i uzavřená štěrbina existují zároveň v jednom čase, pouze místo jejich výskytu se pohybuje po obvodu obou kuželů. Nedrtitelný kus znamená požadavek na plastickou deformaci. Technicky je zabezpečení řešeno: - zdvihem kuželového pláště, - poklesem drtícího kužele, - zastavením drtiče.

-193-

Zdvih kuželového pláště předpokládá vytvoření přírubového spoje na rámu kuželového drtiče prostřednictvím svorníků s předepnutými pružinami, nejčastěji talířovými. Druhou možností je použití soustavy lineárních hydromotorů, u nichž lze přesně nastavit sílu potřebnou k otevření drtícího prostoru pomocí pojistných ventilů hydraulického okruhu. Opačný postup spočívá v umožnění posunutí drtícího kužele po hlavním hřídeli dolů. Technicky je toto řešení opět na principu hydraulického mechanizmu (hydrostatického).

provozní poloha

havarijní poloha

provozní poloha

havarijní poloha

SPSKS

poklesem drtícího kužele

zdvihem kuželového pláště

Obr. 180 Schéma zabezpečení kuželového drtiče

mechanicky soustavou talířových pružin

hydrostaticky hydraulickým válcem

Obr. 181 Schéma řešení zdvihu drtícího pláště

Zastavení stroje znamená zmaření (disipaci) veškeré energie do stroje. Pokud je takový stroj dostatečně dimenzovaný, tak je toto řešení přijatelné. Potíž nastává s pohonem, když

-194-

hnací řemeny proklouznou ve svých drážkách. Jisté možnosti skýtá ochrana před přetížením na elektrické instalaci motoru. Poznámka: Použití výrazu zdvih, spuštění, nahoru a dolů má u těchto drtičů své opodstatnění. Všechny statické drtiče počítají při mechanizmu drcení s gravitací. Této podmínce musí vyhovovat drticí prostory strojů a jejich orientace v gravitačním poli. Pro dynamické drtiče taková podmínka neplatí.

5.4 VÁLCOVÉ DRTIČE Válcové drtič jsou zdrobňovací stroje, které se používají pro střední jemné drcení i relativně pevných (avšak dobře drtitelných) hornin. Některé technologie používají tyto drtiče, stejně jako ostatní statické drtiče i v mobilním provedení. Jejich výkon měřený v [t . h-1] není příliš velký v případě skalních hornin. Pro měkké materiály, jako např. uhlí, jde o výkony postačující běžné kontinuální těžbě. Válcové drtiče mohou existovat, stejně jako je tomu u ostatních statických drtičů, ve vícestupňové konstelaci. Ta je vhodná při požadavku vysokého stupně drcení, která se pohybuje v rozmezí 1:2 – 1:4. Jemnost výstupní frakce u některých materiálů již zasahuje do oblasti technologie mletí a mlýnů. Pro technologii má zvláštní význam možnost použití tohoto typu drtiče u mokrých a lepivých materiálů Základní princip zdrobňování spočívá v protisměrné rotaci obvykle dvou válců. Obvodové rychlosti obou válců jsou obvykle stejné, ale existují konstrukce, kde se do jisté míry tyto liší. Mechanizmus drcení tak kromě tlaku zaznamenává také smyk, což pro některé materiály znamená energetický zisk při zdrobňování. Jejich obvodová rychlost je 2 – 8 m.s-1. Výstupní štěrbinou je vzdálenost povrchů obou válců. válec

SPSKS

odpružené ložisko

Obr. 182 Schéma válcového drtiče

Řešení rovnováhy sil, která má určit vztah mezi velikosti zrna a průměrem válců, kdy dojde bezpečně k záchytu zrna, ukazuje, že průměr válce má být dvacetinásobkem maximálního rozměru zrna. 5.4.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ VÁLCOVÝCH DRTICŮ Válce jsou mohutně dimenzované součásti vyrobené z manganové oceli. Jejich povrch může být hladký, ale také může mít jemné drážky nebo dokonce zuby. Existují i válce, které nemají válcovou „siluetu“, ale jsou to mnohoúhelníky. Válce opatřené zuby nebo alespoň drážkami nemají problém se záchytem drcených zrn, protože mechanizmem jejich záchytu není tření, ale tvarový styk. Tato výhoda je však kompenzována skutečností, že zuby i drážky -195-

rychle ztrácejí vlivem obraze svoji výšku, což je zakončeno změnou mechanizmu tvarového styku při záchytu a tření. Opotřebení povrchů válců je limitující i pro samotný mechanizmus práce stroje. Dávkování materiálu k drcení musí být nejenom rovnoměrné ve smyslu hmotnostního toku, ale tok materiálu musí být rovnoměrně rozložen po celé délce štěrbiny, tedy mezery mezi oběma válci. Je zřejmé, že tuto podmínku nelze vždy dobře splnit a okraje válců se proto opotřebovávají znatelně méně než v prostoru uprostřed jejich délky. Nastavení štěrbiny, které se provádí regulací rozteče odpruženým ložiskem, pak vyžaduje udržení přijatelné válcovitosti. Toto lze řešit občasným přebrušováním válců, které je možné provádět zpravidla přímo na stroji. Druhou možností je sestavit válec z disků navlečených na hřídel a tyto zaměňovat.

SPSKS

válec se souvislým povrchem

válec složený z disků

Obr. 183 Schéma konstrukce hladkého válce

Ložiska válcových drtičů jsou vystavena rázovému zatížení. Jeden válec je dle schématu uložen v rámu stroje pevně. Druhý válec vyžaduje možnost nastavení a zároveň odpružení. Existuje několik konstrukcí, které řeší kinematiku udržení osové vzdálenosti mezi oběma válci, tedy rovnoběžnosti jejich os. Odpružení slouží jako bezpečnost při vniknutí nedrtitelného kusu. Prakticky probíhá zvětšením osové vzdálenosti drticích válců. Děje se tak posunutím jednoho válce. Předepínací síla a síla, která již povolí změnit osovou vzdálenost, je řešitelná mechanickou cestou pružinami, které jsou obvykle talířové. Druhou variantou je řešení hydrostaticky lineárním hydromotorem kombinovaným s centrálním akumulátorem a pojistnými ventily. Rám drtiče je opět ocelový odlitek nebo svařenec z tlustých plechů. Náročnost na tuhost rámu je relativně veliká a obvodová rychlost velmi hmotných válců je dosti vysoká. Tím je energie naakumulovaná v setrvačných hmotách relativně velká. I rozevření štěrbiny při vniknutí nedrtitelného kusu naráží na problém setrvačné hmoty válce. 5.4.2 POHON VLÁCOVÝCH DRTIČŮ Pro pohon válcových drtičů platí zhruba stejná pravidla jako u ostatních statických drtičů.

-196-

Existují i jisté varianty válcových drtičů, kdy má drtič pouze jeden rotor a materiál je drcen v mezeře mezi deskou a válcem. Dále existují vícestupňové válcové drtiče, kdy jsou válce konstrukčně stavěny nad sebou a ve směru gravitace zmenšují šířku štěrbiny.

Obr. 184 Schéma jiných variant konstrukcí válcových drtičů

5.5 DYNAMICKÉ DRTIČE

SPSKS

Dynamické drtiče mají jiný mechanizmus zdrobňování zrn. Ten spočívá na rázu těles, přičemž setrvačné účinky obou těles hrají významnou roli. S ohledem na teorii rázu je zřejmé, že jedním tělesem je drcené zrno a druhým je drtící část drtiče. Rychlost srážky obou těles je relativní, a proto je jedno, které těleso je v pohybu a které nikoli. Podle konstrukce dynamické drtiče členíme na: - kladivové drtiče, - odrazové drtiče, - metací drtiče.

5.5.1 KLADIVOVÉ DRTIČE Technologický aspekt kladivových drtičů předurčuje jejich nasazení tam, kde je třeba drtit neabrazivní nebo nízkoabrazivní horniny. Takovými jsou vápence, buližníky, uhlí apod. I jejich drtitelnost musí být relativně nízká. Toto omezení není výrazem neschopnosti drtit abrazivní a těžce drtitelné horniny, ale výrazem toho, že prudce klesá výkon a ekonomika provozu takového stroje kvůli enormnímu opotřebování kladiv a stěn drtícího prostoru. Dalším omezujícím faktorem je citlivost drtiče na obsah vody, který by neměl přesahovat 10 % volně vázané vody. Obvodová rychlost kladiv se pohybuje v rozmezí 10 – 20 m.s-1. Pro informaci dolní hodnota obvodové rychlosti kladiv je zároveň horní hodnotou obvodové rychlosti válcových drtičů. Stupeň drcení je velmi vysoký 1:10 až 1:40. Poznámka: Pokud kladivový mlýn produkuje zvláště jemnou frakci, bývá nazýván kladivovým mlýnem. S tímto pojmem se lze setkat i v odborné literatuře, např. obilí se mele na kladivových mlýnech. S ohledem na jistou čistotu terminologie autor doporučuje s pojmem kladivový mlýn zacházet opatrně.

-197-

vstup materiálu

desky obložení skříně

kladiva

rotor

segmentový rošt

odpružení segmentového roštu

SPSKS výstup drceného materiálu

Obr. 185 Schéma kladivového drtiče

5.5.1.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ KLADIVOVÝCH DRTIČŮ Kladiva jsou pracovní částí kladivového drtiče. Jsou vyrobena litím z manganové oceli. Jejich hmotnost je obvykle v rozmezí 30 – 130 kg. Na rotoru jsou umístěna po obvodu v různém počtu, po ose rotoru jsou ve třech i více řadách. Kinetická energie, která se podílí na křehkém lomu zrna se odebírá rázem z kladiva. Úbytek kinetické energie kladiva se projeví vychýlením kladiva v jeho závěsu. Tento úbytek je následně eliminován odstředivou silou, která z pohledu dynamiky přesune polohu těžiště kladiva na maximální vzdálenost od středu rotace. Tvar kladiv je různý podle výrobce a druhu materiálu, který má být drcen. Základní podmínkou tvaru kladiva je jeho funkce kyvadla, kdy těžiště hmoty kladiva je co nejdále od osy jeho závěsu. Poloha kladiv za chodu drtiče je zřejmá z obrázku 185. Je dána působením odstředivé síly. v2 Fo = m . —— = m . r . ω2 r Z rozboru vztahu je jasné, že velikost odstředivé síly je úměrná hmotnosti kladiva, poloměru rotace těžiště a druhé mocniny úhlové rychlosti, tedy otáček.

-198-

Fo

v

kladivo v poloze při rotaci

T

vychýlení kladiva při nárazu (směně kinetické energie)

disk rotoru

rT

osa rotace kladiva poloha kladiva při stojícím rotoru

osa rotace rotoru

Obr. 186 Dynamika pohybu kladiva

SPSKS

Kinetická energie kladiva o hmotnosti v řádu desítek kilogramů má hodnotu v řádů stovek J (Joule). Zlomek takovéto energie postačí k rozbití zrna křehkým lomem. Setrvačnou hmotu, která podobně jako u statických drtičů akumuluje kinetickou energii, tu představuje mohutný rotor a kladiva. Díky vyšším otáčkám rotoru je setrvačnost těchto drtičů podstatně vyšší. Obvodová rychlost pohybu kladiv v řádu desítek m . s-1 vyvozuje u těchto drtičů účinek ventilátoru, kdy dochází k proudění vzduchu jako u rychlostního kompresoru. Při procesech souvisejících s drcením vzniká relativně dost velký podíl prachu. Z ohledem na environmentální hygienu je nutné řešit prašnost. Klasické skrápění vodou má své meze a vytváří vedle aerosolu ještě vrstvičky lepivé hmoty konzistence plastické zeminy. Ta se dokáže udržet na ploskách kladiv a tlumit účinky rázu. Desky obložení skříně jsou fakticky odrazové desky. Pokud se zrno nerozpadne po úderu kladivem a energie úderu se transformuje na impuls síly a změnu hybnosti (zrno je urychleno ve směru vektoru rychlosti bodu kladiva, které zasáhlo zrno), narazí do odrazových desek, kde dochází k další směně energie v podobě rázu. Desky jsou vyrobeny z manganové oceli a jejich předností je velká hmotnost. Obecně se odrazové desky tvarují tak, aby při srážce disponovaly nějakou hranou. To je filozofie konstrukce obdobná ostření nástrojů - „mít“ k dispozici co nejmenší plochu, aby mohlo dojít k porušení materiálu. Segmentový rošt – lyra je funkcionalitou ekvivalentem harfového síta. Má tvar lyry a zrna, která mají větší rozměr, jsou na lyře rozbita kladivem. Jako přirovnání bez matematického důkazu: - je drcení nárazem kladiva na volně letící zrno rázem dvou hmot, - drcení zrna opřeného o lyru je o součtu setrvačných hmot zrna a lyry.

-199-

Je zjevné, že hmotnost lyry je o dva řády vyšší než hmotnost zrna, proto je lyra posledním místem, kde dochází k rozlomení křehkým lomem. Některé konstrukce dokonce připouštějí průnik kladiv pod konvexní plochu lyry. Celá součást je zavěšena na čepu a odpružena s ohledem na teorii rázu. Rozvinutý tvar lyry a geometrie kladiv jsou patrné z obrázku 187.

kladiva

lyra

rotor

SPSKS

Obr. 187 Konstrukce lyry a její geometrická vazba na rotor a kladiva drtiče

Rotor je mohutný hřídel, který je opatřen disky, které nesou výkyvně zavěšená kladiva. Počet závěsů je obvykle 3 – 6. Větší počty menších kladiv jsou spíše u kladivových mlýnů. Čepy rotoru jsou uloženy v ložiskách. Jeden konec je pak opatřen řemenicí na klínové řemeny, kterými se přenáší výkon pohonu. Skříň drtiče je svařovaná konstrukce z plechů. Je dělená tak, aby umožňovala sklopení přibližně po diagonále siluety. Takto se lze velmi snadno dostat ke všem součástem se zkrácenou životností a ke konstrukčním uzlům, které vyžadují preventivní kontrolu.

5.5.1.2 POHON KLADIVOVÝCH DRTIČŮ Kladivové drtiče mohou být jako většina drtičů stabilní a mobilní. Pro pohony platí obecně všechno, co platí i pro drtiče statické. Asi nejčastějším pohonem je asynchronní motor a přenos výkonu soustavou klínových řemenů. Poznámka: Kladivové drtiče se konstrukčně odlišují nejenom tvary a filozofií využití odírané hmoty kladiv. Existují i konstrukce, které disponují dvěma protiběžnými rotory s kladivy. Nepodařilo se pro účely této publikace zjistit jejich výhody ani nalézt je v provozu. Logicky lze odvodit, že jejich vlastnosti budou podobné válcovým drtičům, přičemž statický průběh silového působení bude nahrazen působením dynamickým.

-200-

5.5.1.3 ZABEZPEČENÍ KLADIVOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM V literatuře, a to bohužel i odborné, se lze běžně dočíst, že zabezpečení je zajištěno možností výkyvu kladiva kolem osy zavěšení. To je sice pravda při vstupu do drtícího prostoru. Jakmile se však nedrtitelný kus dostane přes odrazy na lyru, dojde k opakování nárazů. Odklonění kladiva od osy, na které je nositelka vektoru odstředivé síly, je úměrné energii rázu. Při kusu větším než šířka mezery v lyře je toto vyklonění značné. Tím energie narůstá do hodnot, které postačí ke zničení stroje.

Obr. 188 Počítačová animace rotoru kladivového drtiče se sedmi řadami kladiv po čtyřech kladivech na obvodu (kladiva jsou sklopena gravitací)

SPSKS

5.5.2 ODRAZOVÉ DRTIČE

Odrazové drtiče mají přibližně stejné technologické využití jako drtiče kladivové. I tyto drtiče mají menší spotřebu energie na jednotku nově vznikající plochy zrn. Mají poněkud širší spektrum schopností drtit různé materiály, a to i materiály anizotropní. S ohledem na mechanizmus drcení jsou vhodné pro materiály s nízkým součinitelem abraze. Jsou také vhodné pro drcení stavebních materiálů při recyklaci. Zvláště pro tyto drtiče je použitelná názorná ekvivalence lámání křehké křídy. V technologické terminologii se tyto drtiče hodí v poslední operaci drcení, kde zlepšují tvarový index, protože nelámou zrna v ploše nejmenší pevnosti, ale v ploše, kde lze dynamickým rázem vyvolat nejvyšší napětí. Jejich technologickou a provozní nevýhodou je velká setrvačnost a z toho plynoucí dlouhé časy při spouštění a zvláště zastavení, vysoká citlivost při nejenom předávkování, ale i větší změně hmotnostního toku na vstupu, obtížná regulovatelnost zrnitosti produktu a vysoké opotřebení ploch vystavených rázu a abrazi. Fyzikální princip je podobný jako u kladivového drtiče. Zde však není odstředivou silou nesené kladivo na rotoru, ale pevná lišta. Plocha této lišty je řádově větší než ploska kladiva. Zrno není cílem rozbít prvním kontaktem o rotorovou lištu, ale udělit mu energii, která by zrno vrhla na odrazovou desku, resp. její relativně ostré hrany. Obvodové rychlosti rotoru se pohybují v intervalu 10 – 70 m . s-1. To jsou rychlosti větší než u kladivových drtičů. Obvodová rychlost je omezena potřebou pohybu zrna v gravitačním poli. Vysoké otáčky, a tím i obvodové rychlosti, vytvoří v drticím prostoru válec, který není schopen zachytit zrno. Obecně tyto drtiče vyžadují jisté vyladění otáček s ohledem na drcený materiál. Při provozu vzniká poněkud velké množství prachových částic a rotor má tendenci fungovat jako ventilátor.

-201-

Výstupní štěrbina je skutečnou štěrbinou, protože tento typ drtiče nemá obvykle rošt, jako je tomu u kladivových drtičů. Je to vzdálenost obrysové kružnice rotoru a odpružené hrany spodní odrazové desky. Ta je otočně uložena a je nastavitelná (obr. 189). Existují konstrukce jednorotorové i dvourotorové s protisměrnou rotací. Osa rotace může být vodorovná i svislá. Namísto odrazových desek mohou být použity odrazové tyče. vstup materiálu stavitelná odrazová deska

pevná deska

násypka drtiče

třídící rošt

rotor drtiče

nárazová lišta

skříň drtiče

propad rozdrceného materiálu

SPSKS

odpružená odrazová deska

Obr. 189 Schéma jednorotorového odrazového drtiče

5.5.2.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ ODRAZOVÝCH DRTIČŮ Rotor je kovaný hřídel, který je opatřen několika zuby. Tvar zubů je podobný tvaru západky. Nárazové lišty jsou k rotoru připevněny šrouby se zapuštěnou hlavou. Jsou to součásti se zkrácenou životností, a proto jsou vyráběny z manganové oceli. Rotor je uložen v ložiskách a poháněn prostřednictvím řemenice na klínové řemeny. Odrazové desky mají podobnou funkci, jako je tomu u kladivových drtičů. Zrno vržené rotorem proti odrazové desce má určitou kinetickou energii. Větší zrno má větší energii. Desky bývají tvarované tak, aby náraz byl veden na hranu desky. Nejsou to tedy rovinná tělesa. Namáhány jsou rázem a otěrem, což předurčuje manganovou ocel jako materiál pro jejich výrobu, buď litím, nebo svařováním z válcovaného materiálu. První desky nebo tyče bývají nastavitelné. Nastavení do značné míry určuje podmínky drcení v drtícím prostoru. Další deska nebo tyč bývá pevná, čímž vzniká jakási štěrbina, která nepustí větší zrno. Poslední deska je odpružená a je otočná. Ta slouží ke spojitému nastavování výstupní štěrbiny, kterou se reguluje práce drtiče. Násypka a skříň drtiče je svařovaná konstrukce, podobně jako u kladivových drtičů ji lze po diagonále rozevřít, čímž je dosaženo velmi dobré dostupnosti ke všem dílům a komponentám se zkrácenou životností. Vnitřní povrch je obložen materiálem s vysokou odolností proti abrazi.

-202-

5.5.2.2 POHON ODRAZOVÝCH DRTIČŮ Pro pohon platí stejné podmínky jako u kladivových drtičů. 5.5.2.3 ZABEZPEČENÍ ODRAZOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM S ohledem vysoké obvodové rychlosti je ochrana drtiče před nedrtitelnými kusy problematická. Obecně je největší nebezpečí od nedrtitelných materiálů u drtičů primárních. Tyto typy drtičů jsou však jako primární používány především k drcení stavebních hmot. Stavební hmoty sice mohou obsahovat kovové části, ale tyto jsou obvykle feromagnetické a lze je při dávkování zachytit magnetickými separátory. Nemagnetický materiál, kterým jsou mj. manganové oceli, jsou nebezpečím pro tyto drtiče. V zásadě vlastní drticí prostor žádnou ochranu nemá. 5.5.3 METACÍ DRTIČE Z technologického hlediska jsou metací drtiče vhodné k drcení křehkých materiálů (málo houževnatých), které mají nízkou abrazi. Provozní náklady obecně všech dynamických drtičů jsou vyšší než u drtičů statických. Fyzikální podstata spočívá v drcení zrn nárazem na pevný obvodový plášť. Zrychlení zrna (vymetení) probíhá zachycením zrna na metacím kotouči. Jeho rotace vyvolává odstředivé zrychlení, které relativně měkce a bez větších rázů dodá zrnu kinetickou energii. Zachycení se realizuje pomocí radiálně umístěných lopatek. Podmínkou urychlení zrn je jejich dopad co nejblíže ose rotace, kde je nejnižší obvodová rychlost. Zrno opouští metací kotouč a naráží vhodně tvarovaný vnitřní povrch pláště, kde se jeho energie mění na destrukční práci. Konstrukce metacích drtičů v různé míře předpokládá vytvoření jakýchsi kapes, které zadržují drcený materiál a srážky tak neprobíhají mezi kovem lopatek nebo obložení skříně stroje, ale materiál se odírá a drtí interpartikulárně. Takový předpoklad opticky vypadá lákavě, ale vytváření vrstev kameniva v různých kapsách je nestabilní. Mohou tak na lopatkách metacího kotouče vznikat nevývažky a na plášti drtiče dochází k tlumení rázu, což dramaticky snižuje účinnost drcení s ohledem na potřebné množství energie. Metací drtiče mohou být vícestupňové (vícekotoučové), přičemž zásadní odlišnost je v konstrukci jejich vnitřního povrchu pláště, kdy mohou být: - s pláštěm obloženým kovovými deskami, - s pláštěm s kapsami pro udržení drceného materiálu pro interpatikulární drcení.

SPSKS

Z obrázku 190 je patrné, že u vícekotoučových metacích drtičů jsou kotouče konstruovány tak, že se po směru gravitace zvětšuje jejich průměr. Toto opatření zaručuje zvyšující se obvodovou rychlost a také větší hodnoty odstředivého zrychlení. Tvar násypek je uzpůsoben tak, aby se zrna dostávala co nejblíže ose rotace. To zvyšuje jakousi měkkost zachycení zrna a jeho zrychlení, ale také zvyšuje citlivost drtiče na přesné dávkování. Z obrázku 191 jsou patrné silové poměry na metacím kotouči a obvyklý tvar vnitřního pláště.

-203-

dávkování materiálu do násypky metací kotouč I. metací kotouč II.

pohon kuželovým soukolím

výstup drceného materiálu

Obr. 190 Schéma dvoukotoučového metacího drtiče

v = r . ω2

SPSKS v2 ao = —— r lopatky

Obr. 191 Schéma metacího kotouče a průběh rychlosti a zrychlení - tvar vnitřního obložení

5.5.3.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ METACÍCH DRTIČŮ Metací kotouče jsou diskovité součásti opatřené lopatkami. Jejich funkce je zachytit zrno a donutit jej k rotačnímu pohybu, který zrychluje odstředivě zrno. Materiál kotoučů i lopatek je otěruvzdorná manganová ocel. Lopatky jsou jediné části metacího kotouče, které jsou vystaveny rázu. Vícekotoučové metací drtiče pak zvyšují průměr ve směru gravitace. Skříň drtiče je část stroje, která je vystavena silnému dynamickému namáhání, které je způsobeno stochastickými nárazy zrn na stěny. Rychlosti, kterými zrna narážejí do stěn, jsou relativně vysoké. Konstruktéři tedy hledali řešení, která by alespoň částečně ochránila opláštění vnitřních ploch. Relativně jednoduchým řešením je vytvořit na odrazových plochách kapsy, které by udržely drcený materiál (obr. 192). Toto řešení není univerzálním prostředkem, ale v určitých případech přináší vyšší efektivitu drcení.

-204-

kapsa

Obr. 192 Schéma nárazu na stěnu skříně

na kapsu s drceným materiálem

5.5.3.2 POHON METACÍCH DRTIČŮ Pro pohon platí stejné podmínky jako u kladivových a odrazových drtičů. S ohledem na fyzikální princip drcení jsou zde hlavní proměnnou otáčky metacích kotoučů. Tyto drtiče proto potřebují ovládání otáček k dosažení optimálního procesu drcení. S rozvojem polovodičů je dnes tento problém odstraněn.

SPSKS

5.5.3.3 ZABEZPEČENÍ PŘEDMĚTŮM

METACÍCH

DRTIČŮ

PROTI

NEDRTITELNÝM

Ze schématu je patrné, že nedrtitelné předměty nejsou v tomto typu drtičů problém. Je to jeden z podstatných argumentů na jejich užití. Nedrtitelný kus nemá příliš možností zapřít se mezi setrvačné hmoty drtiče. Prostě je udržován v kapse nebo na vnitřním obložení stěn.

5.6 MLÝNY Mlýny jsou technická zařízení na mechanické rozpojování látek. Mletí jako technologie poskytuje velikost zrn pod 1 mm, přičemž některé prameny udávají tuto velikost z vybraných čísel, tedy 1,25 mm. Technologie mletí není primárně o zmenšování zrna, ale zvětšování měrného povrchu. Chemické reakce u tuhých látek jsou převážně reakcemi, které probíhají na povrchu, proto je třeba získat tento povrch co největší. V technické praxi se technologie mletí používá pro mletí uhlí, které se spaluje v tepelných elektrárnách. Dále je to v cementářské výrobě pro mletí slínků, v technologiích zpracování rud a v keramické výrobě. Technologie mletí pak může probíhat za sucha nebo ve vodním prostředí (mokré mletí). Mechanizmus mletí se od drcení odlišuje obvykle vyšší mírou smykového napětí, které lze relativně snadno vytvářet v mlecím prostoru. Dynamika mletí může být opět chápana jako

-205-

převážně statická nebo převážně dynamická. Mlýny se však doposud nerozdělují na statické dynamické. Mlýny lze rozdělit z hlediska práce na: - kontinuální mlýny, - cyklické mlýny. Rozdělení mlýnů podle jejich konstrukce je poněkud neustálené a v odborné literatuře lze nalézt různá rozdělení. Prvotním znakem pro rozdělení může být základní princip nebo tvar stroje, druhým znakem pak mlecí těleso nebo princip. Bez ambicí na přesnost jsou proto pro účely této učebnice mlýny určené k mletí hornin rozdělitelné na: 1. bubnové - kulové mlýny, - tyčové mlýny, - autogenní mlýny, - planetové mlýny, - vibrační mlýny. 2. kolové, 3. tryskové, 4. kladivové.

5.6.1 BUBNOVÉ MLÝNY Základním znakem bubnových mlýnů je buben s vodorovnou osou. Uvnitř bubnu probíhá mlecí proces. Bubny se otáčejí kolem osy pouze takovou rychlostí, která nezpůsobuje velké odstředivé síly uvnitř náplně. Bubnové mlýny mohou pracovat v kontinuálním i cyklickém režimu práce. Pro kontinuální režim musí být plášť bubnu uzpůsoben odvodu rozemletého matriálu (obvodovým sítem) nebo je mletý materiál pneumaticky transportován mlecím prostorem. Pro cyklické mletí je buben opatřen buď otvorem na plášti, nebo je výsledný produkt vynášen dutým čepem na čele bubnu. Mechanizmus otáčení je obvykle realizován kladkami. Přenos krouticího momentu na ozubený nebo cévový věnec po obvodu pláště bubnu. Buben mlýnů má, s ohledem na mechanizmus mletí, určitý poměr průměru a délky. Na obrázku 193 jsou zřejmé základní „siluety“ mlýnů.

SPSKS

jednokomorový mlýn

jednokomorový mlýn

Obr. 193 Schéma základních siluet bubnových mlýnů

-206-

vícekomorový mlýn

ozubený věnec

dutý čep

kladky

pastorek - pohon

Obr. 194 Mechanizmus rotace bubnových mlýnů

5.6.1.1 KULOVÉ BUBNOVÉ MLÝNY Kulové bubnové mlýny mají svůj název odvozen od koulí, které jsou drticím elementem. V technické praxi jde o často používané mlýny. Fyzikální princip mletí spočívá v pohybu mleté suroviny spolu s koulemi.

SPSKS mlecí koule

Obr. 195 Princip práce kulového mlýnu

Buben rotuje kolem vodorovné osy. Uvnitř bubnu se převaluje vsázka, která je tvořena mletým materiálem a koulemi několika velikostí. Otáčky bubnu se volí tak, aby poměr odstředivé síly a gravitační síly byl takový, že koule budou odpadat od stěny bubnu pod úhlem asi 55°. Potenciální energie vyzvednutých koulí se mění na kinetickou energii pádu, která je přeměněna na práci projevující se změnou zrnitosti. Více rozměrů použitých koulí se volí proto, že i nejtěsnější uspořádání koulí v prostoru vykazuje dutiny. Množství koulí v mlecím prostoru představuje 15 – 35 % jeho objemu. Vnitřní plášť bubnu musí být obložen otěruvzdorným materiálem. Mechanizmus mletí a vysoká míra otěru má za následek ubývání materiálu na obložení bubnu i na mlecích koulích, které zmenšují svůj průměr. Koule se proto musí doplňovat. Odborné publikace uvádí, že na 1 tunu mletého materiálu ubude z hmotnosti mlecích koulí 80 – 300 g materiálu. Pokud mletý materiál vyžaduje nepřítomnost železa, jsou koule i obložení pláště vyrobeny z čediče technologií lití, keramiky nebo pazourku.

-207-

Kulový mlýn může mít tvar bubnu i v podobě komolého kužele (obr. 193, druhá varianta). Základním dělením kulových mlýnů je pak technologie jejich plnění a vyprazdňování. Tyto mlýny mohou pracovat jako cyklické, kdy se do bubnu nasype mletý materiál a mlecí koule. Po ukončení cyklu se obsah vysype a vytřídí. Takový buben má otevírací plášť bubnu. Kontinuální technologie mletí používají dva principy průtoku materiálu: - obvodové síto, - pneumatické vynášení.

síta

desky

SPSKS kontinuální výstup produktu

Obr. 196 Princip práce sítového kulového mlýnu

Kontinuální kulový mlýn má vnitřní obložení bubnu provedeno ze segmentů, které jsou v postavení spirály v řezu. Mezerami mezi segmenty projde zrno, které je rozměrově menší než samotná mezera. Tím se dostává na plochu síta, kde buď propadne sítovým otvorem, nebo se vrací do mlecího prostoru. Sítem propadlý materiál odchází výstupním otvorem krycího pláště. Protože prošel sítem nebo dokonce několika síty, je vytříděn podle velikosti. proud vzduchu s produktem mletí

Obr. 197 Princip práce kulového mlýnu s pneumatickým vynášením produktu

Kontinuální práce kulového mlýnu je možná také využitím fyzikálního principu pneumatické dopravy. Do bubnu kulového mlýna je šnekovým dopravníkem nebo proudem vzduchu dopraven materiál určený k mletí. Po dosažení určité zrnitosti je proud vzduchu schopen malé částice odnést mimo mlecí prostor. Tam je následně vytříděn a větší frakce

-208-

může být odvedena zpět k vsázce. Teoreticky je možné tuto technologii použít i kapalinou – vodou. Ta má díky vyšší měrné hmotnosti mnohem větší schopnosti transportu zrn. Kulové mlýny mohou být dále konstruovány jako komorové nebo sdružené. Podobně jako drcení vyžaduje vícestupňové technologie, tak i mletí má jakési limity. Bez ambicí na úplné vysvětlení je zřejmé, že mletí vyžaduje účinné odvádění jemných frakcí. Ty by jinak bránily fyzikálním dějům, které melou větší frakce. Dále je patrné, že mezery mezi v prostoru sestavenými koulemi mají určité rozměry, jejichž velikost je dána velikostí koulí. Ve 2D je velikost prostorů patrná z obrázku 198.

Obr. 198 Schéma hluchého prostoru při dotyku koulí ve 2D a hluchý prostor 3D

SPSKS

Nejtěsnější uspořádání koulí v prostoru, tedy 3D, znamená, že další koule je postavena mezi tři základní koule. V prostoru by středy koulí tvořili hexaedr (šestistěn). Z obrázku je patrné, že se zmenšujícími se koulemi se zmenšuje i prostor, kde se zrno může vyhnout namáhání. Z tohoto pohledu by tedy mohla platit jakási rovnice úměry – „čím menší mlecí koule, tím menší frakce“. Ovšem zároveň také platí, že čím menší koule, tím menší její hmotnost a zároveň kinetická energie. Proto je výhodné u některých aplikací, kde se vyžaduje vysoký stupeň zdrobnění, což znamená na vstupu je velké zrno a na výstupu velmi malé zrno, rozdělit mlecí proces do stupňů. To lze konstrukčně vyřešit vytvořením několika sekcí (2 – 5) podél osy bubnu. Schéma takovéto konstrukce kulového mlýna je patrné z obrázku 199.

Obr. 199 Schéma sdruženého kulového mlýna (tři stupně)

Poznámka: V odborné literatuře se lze setkat s pojmy trubnatý a bubnový mlýn. Jejich rozdíl je v siluetě jejich tvaru. Buben je krátký vzhledem k jeho průměru a trubnatý mlýn je relativně dlouhý. Technologie mletí bývá někdy spojena i s jinými technologiemi, např. s mícháním, pálením apod.

-209-

5.6.1.2 TYČOVÉ BUBNOVÉ MLÝNY Základní rozdíl mezi kulovými mlýny a mlýny tyčovými je ve tvaru mlecího tělesa. U tyčových mlýnů jsou koule nahrazeny tyčemi. Pro technologii tohoto mletí je charakteristickým znakem, že tyto mlýny vykazují produkt se stejnoměrnějším zrnem. Hluchý prostor je tvořen prizmatem ve tvaru jakéhosi sférického trojúhelníku. Obecně může být technologie mletí spojována s dalšími technologiemi. U tyčových mlýnů se využívá velmi intenzivního otírání při zdrobňování také k praní kameniva. Zvláště účinná je tato technologie při znečistění zeminami houbovité konzistence, jako jsou jíly nebo kaolíny. mlecí tyče

Obr. 200 Schéma tyčového mlýnu

5.6.1.3 AUTOGENNÍ BUBNOVÉ MLÝNY

SPSKS

Autogenní mlýny jsou konstruovány s filozofií, že mletý materiál se zdrobňuje „sám o sebe“. Takové procesy lze nastolit v bubnu opatřeném lopatkami, které vynáší vsázku mletého materiálu do určité výšky, kde následně padá. Mechanizmus zdrobňování závisí od abraze mezi částicemi. Logickou podmínkou je pak materiál, který nemá tendenci se lepit. Poměr průměru a délky bubnu je poněkud větší, protože kinetická energie se získává vyzdvihnutím mletého materiálu do výšky.

Obr. 201 Schéma autogenního mlýnu

5.6.1.4 PLANETOVÉ MLÝNY Planetové mlýny jsou konstruovány jako rotující bubny, které se však otáčejí nejenom kolem jedné osy, ale více os, tím se podobají planetám, které rotují kolem slunce a zároveň rotují kolem vlastní osy a navíc se naklápějí. Jednotlivé bubny rotují opačným směrem než

-210-

všechny bubny společně. Složením těchto dvou pohybů se vytváří křivky cykloidy. Naklápění jednotlivých bubnů pak vytváří složitý a proměnlivý prostor zrychlení. Ten převaluje mlecí tělíska v různých směrech. Mlecími tělísky jsou tu koule, protože jejich pohyb, resp. setrvačnost, je ke všem osám stejná. Tyto mlýny jsou sice konstrukčně složité, ale mají relativně vysoký výkon. Omílání je intenzivní proto, že proměnlivá zrychlení vytvářejí opticky chaotický pohyb. Ten je opakem např. relativně rovnoměrného zrychlení při rotaci kolem jedné osy. Téměř konstantní hodnota výsledného zrychlení a jeho směru vytváří podmínky pro mletí, které se podobají „česání“, kdy se zrna vlivem pohybu srovnají do nějakého upřednostněného směru. naklápění bubnů

mlecí bubny

směr rotace unášeče bubnů

směr rotace bubnů

SPSKS Obr. 202 Schéma planetového mlýnu, pohyb mlecích koulí

5.6.1.5 VIBRAČNÍ MLÝNY Účinky vibrace a její generování jsou popsány v kapitole třídících strojů. Vibrace je střídavý pohyb, při němž se vždy mění velikost vektoru zrychlení a u některých druhů i směr. Dochází tak ke kmitavému pohybu. Tento pohyb vyvolává řadu jevů, které opticky vypadají jako jakési „zkapalnění sypkých látek“. Jako vizuální příklad nechť poslouží tato úvaha. Na desku nasypeme zrnitý materiál určený k mletí. Ten vytvoří kužel, který má určitý sypný úhel. Pokud je materiál v klidu, kužel se nemění. Jakmile je deska uvedena do vibračního pohybu, kužel se zhroutí a po určité době se jeho objem „rozteče“ po ploše desky tak, že vytvoří plochu, jejíž výška je tvořena jednou vrstvou zrn. Půdorysný tvar plochy je do značné míry určen druhem vibrace (přímočará – ovál, kruhová – kruh, eliptická –elipsa). Vibrační mlýn ve svých bubnech (je jich víc) používá mlecí tělíska, ale teoreticky může být i mlýnem autogenním.

-211-

v klidu Obr. 203 Schéma chování sypkého materiálu

za vibrace

Kmitavý pohyb má průběh nejčastěji sinusový, kde se mění směr vektoru a rychlost se mění z nuly na nějakou maximální hodnotu. U složitějších vibrací se mění i směr. Pro prosté tření (coulombovské), které je fyzikálním principem zdrobňování. Fyzikální princip mletí s pomocí vibrace má tu výhodu, že při mlecím procesu nevznikají rázy, které kinetickou energií drtí mletý materiál. Zde dochází k otěru mletého materiálu o mlecí tělíska. Mechanizmus coulombovského tření vychází z prostého předpokladu, že součinitel tření je konstanta. Ve skutečnosti součinitel tření není konstantní veličinou. f [-]

FT = Fg . f

f

Fg = m . g

SPSKS

v [m . s-1]

základní princip coulombovského tření

závislost součinitele tření na rychlosti

Obr. 204 Coulombovské tření

Z obrázku 204 je patrné, že při velmi nízkých rychlostech je součinitel tření vyšší. To znamená, že je také vyšší tření a otěr. Při vibračním pohybu se v čase velmi rychle mění velikost rychlosti a také její směr. To se musí stát jedině tak, že rychlost klesne na nulu a následně roste na maximální hodnotu. Tento mechanizmus zajišťuje velmi silný otěr bez rázů. Konstrukce vibračních mlýnů bývá vícebubnová a existují různé varianty. Obrázek 205 je pouze jednou z nich. V bubnech je umístěna vázka mletého materiálu a mlecích tělísek. Bubny jsou upnuty v rámu, který vibruje kruhovou vibrací. Ta je generována hřídelí s nevývažkem umístěnou v těžišti pracovní části stroje.

-212-

klec mlýna

mlecí bubny

hřídel s nevývažkem

třmen na uzávěr bubnů

ocelové pružiny

Obr. 205 Schéma čtyřbubnového vibračního mlýna

5.6.2 KOLOVÉ MLÝNY

SPSKS

Kolové mlýny jsou zařízení, která slouží k mletí sypkých, ale i kašovitých hmot. S ohledem na fyzikální princip mletí jsou schopny kromě mletí také hnětení a mísení. Takto lze kromě drcení upravovat plastické vlastnosti hlín a jílů. Fyzikální princip je jednoduchý, proto jsou podobná zařízení známá tisíce let, kdy sloužily k drcení rud. Základem jsou dva až tři běhouny, které se odvalují po kruhové desce ve tvaru mísy. Běhoun je vlastně válec s velmi tvrdým a otěruvzdorným povrchem. Při obíhání těchto běhounů po kruhové desce působí na drcený materiál tlak mezi běhounem a deskou. Skutečnost, že běhoun je válec a deska je rovinná, vzniká na povrchu běhounu prokluz na jeho vnější a vnitřní části. Mechanizmus drcení zrn je tedy kombinací prostého tlaku a účinného smyku. běhoun mlecí deska vana

kuželový převod

Obr. 206 Schéma kolového mlýna a půdorysný pohled na mlecí desku a poměry obvodových rychlostí

-213-

Proměnnou veličinou u těchto mlýnů je velikost přítlaku na desku. Ta je u moderních konstrukcí nastavitelná hydraulicky. Jistou variantou této výchozí konstrukce je použití kuželových běhounů na rovinné desce. Pro některé aplikace v technologii mletí je výhodné odstranit smyk (z hlediska kinematiky prokluz). To lze snadno záměnou válcovitého běhounu za běhoun kuželový.

Obr. 206 Ideové schéma mlýnu s kuželovými běhouny

Materiál běhounů je ocel, litina, ale pro speciální účely jím může být i kámen. Pohon tohoto typu mlýnů je zajištěn asynchronním elektromotorem.

5.6.3 TRYSKOVÉ MLÝNY Tryskové mlýny mají relativně malé praktické využití. Je tomu tak proto, že jsou energeticky náročné. Fyzikální princip drcení využívá kinetické energie zrn. Ta jsou unášena proudem stlačeného vzduchu, který je urychlován v trysce. Rychlosti pohybu drcených částic jsou v řádu stovek m . s-1. Částice jsou navíc urychlovány „proti sobě“, čímž dochází k vektorovému sčítání rychlosti střetu. Podobně jako u dynamických drtičů je zde využita kinetická energie částic v takových hodnotách, že se uplatňují setrvačné síly, které jsou vyšší než pevnost materiálu. Takto lze drtit libovolný materiál a kontaminace mlecími tělesy je vyloučena. Materiál, který dosáhl požadované velikosti zrna, je odveden proudem vzduchu (přetlaková pneumatická doprava). Zrna, která nevyhovují jsou, znovu navrácena do drtícího procesu. Energeticky je toto zařízení náročné proto, že vyžaduje velká množství stlačeného vzduchu na relativně vysoké tlaky. Plyny se při stlačování zahřívají a vzniklé teplo je prostě ztrátou.

SPSKS

-214-

proud materiálu

trysky

buben

disperze materiálu v proudu vzduchu

Obr. 207 Ideové schéma tryskového mlýnu

5.5.4 KLADIVOVÉ MLÝNY Kladivové mlýny jsou hojně užívány v energetice, kde melou energetické uhlí, které se spaluje tzv. „ve vznosu“. Jsou vhodné pro měkké materiály a velká množství. Kladivové mlýny jsou stejné konstrukce jako kladivové drtiče. Jejich rozdílnost je pouze v šířce štěrbin na roštech. Pro jejich konstrukci platí totéž, co platí o drtičích.

SPSKS

6.0 STROJE PRO TŘÍDĚNÍ ROZPOJENÝCH HORNIN Třídění polydisperzních zrnitých materiálů je mimořádně častou technologickou operací. Z pohledu technologie je základním třídicím znakem“ - technologie třídění podle velikosti zrna, - technologie třídění podle hmotnosti zrna. Toto základní třídění je třeba terminologicky uvést na pravou míru. Technologie třídění podle hmotnosti zrna je technologií třídění podle měrné hmotnosti zrna. Technologie třídění podle velikosti zrna je fyzikální podstatou spjato se síty s různými velikostmi otvorů, kde zrna propadávají. V případě třídění frakcí menších než 1 mm nejsou síta příliš efektivní. U třídění frakcí v desetinách a setinách mm je nemožné funkční síto vyrobit. Technologie třídění podle velikosti měrné hmotnosti je založeno na fyzikálním principu chování zrn v proudu tekutiny (kapaliny nebo plynu). Vedle separace zrn stejné velikosti, ale s rozdílnou hmotností, jsou tyto principy schopné separace zrn velmi jemných frakcí.

-215-

6.1 TŘÍDICÍ STROJE A ZAŘÍZENÍ NA BÁZI SÍT Jsou v praxi nejpoužívanější pro svoji jednoduchost a spolehlivost. Princip separace zrn podle jejich velikosti je postaven na sítech. Síto je plocha opatřená soustavou otvorů. Menší zrna těmito otvory propadnou a větší na ploše zůstávají. Při bližším zkoumání tohoto procesu není proces propadávání zrn tak jednoduchý. Složitost se dá vyjádřit konstatováním, že i menší zrno se musí dostat k otvoru v sítu až 500x, než propadne. Počet těchto kontaktů klesá s velikostí rozdílu zrno – otvor.

6.1.1 VLIV ŘAZENÍ SÍT Třídicí procesy vyžadují k separaci větší počet sít. Tato mohou být řazena trojím způsobem: - etážové řazení sít (nad sebou od hrubého k jemnému), - sériové řazení sít (od jemného k hrubému), - kombinované řazení sít.

etážové řazení sít

SPSKS sériové řazení sít

Obr. 208 Schéma řazení sít

Etážové řazení sít má síto s největšími otvory nahoře a síto s otvory nejmenšími je poslední dole. Počet sít je většinou 2 – 4, max. šest. Toto uspořádání je používáno u vibračních třídičů. K výhodám tohoto uspořádání patří: - menší opotřebení sít vlivem největší zátěže při dávkování na nejhrubším sítu, - větší účinnost třídění, které se projevuje zvláště u jemnějších frakcí, - menší půdorysná plocha stroje. Nevýhody etážového uspořádání: - horší přístup ke spodnějším sítům s jemnějšími otvory, které se rychleji opotřebovávají. - výstup všech frakcí (nadsítných i podsítných) prakticky do jednoho místa. Sériové řazení sít předpokládá, že síto s nejmenšími otvory je řazeno jako první. Z hlediska dimenzování stroje jde o to, že nejjemnější síto je vystaveno dynamickým účinkům dávkovaného materiálu. Z pohledu dynamiky třídícího procesu je nutné oddělit nejdříve nejjemnější frakce, což nemusí být bez problému. Obvyklý počet sít řazených za sebou je 3 – 5. Toto řazení se používá u některých typů dlouhých vibračních třídičů. Hlavní aplikací jsou však rotační třídiče.

-216-

Výhodou sériového uspořádání je: - snadný přístup ke všem sítům, - vyšší účinnost na hrubém sítu, - lepší prostorové uspořádání pro výstup jednotlivých frakcí. Nevýhody sériového uspořádání sít: - malá účinnost třídění u jemnějších frakcí, - možnost rozpadu větších zrn.

6.1.2 KONSTRUKCE SÍT Síta jsou základní částí třídicích strojů. Jedná se o plochy, které jsou opatřeny soustavou otvorů. Podle tvaru otvorů síta můžeme rozdělit na: - s kruhovými otvory, - se čtvercovými otvory, - s obdélníkovými otvory. Z hlediska jejich technologie výroby lze síta rozdělit na: - pletená síta, - ražená síta. Pletená síta jsou vyrobena z drátů, které jsou pletením nebo svařováním uspořádány tak, že vytváří sítovou plochu. Ražená síta jsou vyrobena z polotovaru desky (plechu) nebo tlakovým vstřikováním. Otvory lze vyrazit, vypálit nebo vyvrtat. Materiály vhodné pro výrobu sít jsou otěruvzdorné oceli, fosforový bronz, ale také polymery (polyuretan).

SPSKS

drátěné síto se čtvercovými nebo obdélníkovými otvory

drátěné jednostranně hladké síto se čtvercovými otvory

drátěné síto s dvojitým krepem a čtvercovými otvory

svařované síto se čtvercovými otvory

-217-

harfové síto s horizontálně zvlněnými dráty (serpa)

harfové síto s vertikálně zvlněnými podélnými dráty

lankové síto

štěrbinové síto (svařované)

SPSKS

Obr. 209 Příklady konstrukce pletených sít

Poznámka: Pojem krepované síto je odvozen od krepovaných drátů. Krepování je technologie, kdy drát prochází mezi dvěma kotouči a získává namísto hladké křivky tzv. krepování.

Obr. 210 Krepovaný drát

membránové síto

polyuretanové síto

-218-

síto se čtvercovými otvory

síto s kruhovými otvory

Obr. 211 Příklady konstrukce ražených sít

6.1.2.1 ÚČINNÁ PLOCHA SÍTA Pojem účinná plocha síta dává informaci o poměru plochy otvorů a plochy celého síta. Matematicky se skutečně jedná o účinnost. ∑ So η = —— S Kde: ∑ So [m2] součet ploch otvorů na celém měřeném sítu S [m2] celková plocha síta

SPSKS

Z obrázku 211 je patrné, že největší účinnou plochu síta mají síta pletená, dále pak síta se čtvercovými otvory. Nejmenší účinnou plochu pak mají síta s kruhovými otvory. Toto má praktické důsledky. Pro stejný výkon třídění musí být síta s nižší účinnou plochou prostě větší, tím je také větší celé třídicí zařízení. Z hlediska účinnosti třídiče jsou výhodnější síta pletená a se čtvercovými otvory. Pokud však požadujeme vysokou přesnost třídění a potřebujeme velmi úzkou frakci, případně velmi dobrý tvarový index, musíme použít síto s kruhovými otvory. Tyto jsou nejpřesnější. Čtverec a obdélník má úhlopříčku a některá zrna mohou propadnout.

6.1.2.2 ROZBOR PROCESU TŘÍDĚNÍ Z technologického pohledu proces třídění poskytuje výsledný produkt jako podsítné, tedy materiál, jehož zrna propadla sítem. V některých technologických aplikacích je tomu naopak a požadovaný produkt je nadsítné (např. odhliňovače). Třídicí proces lze z hlediska mechanizmu rozdělit na tři fáze, které jsou zřejmé na trajektorii postupu tříděného materiálu po ploše síta. 1. Vrstvení – jemná zrna pronikají nakypřenou vrstvou materiálu směrem dolů, kde se dostanou do styku se sítem. 2. Výběr – zrna se relativním pohybem dostávají k porovnání svých rozměrů s rozměry otvorů, menší zrna obsazují otvory síta. 3. Propad – jemná zrna propadají sítovými otvory, zrna s většími rozměry se posouvají po ploše síta.

-219-

4. Přepad – zrna, která mají větší rozměr, než je rozměr otvorů síta, opouští třídicí plochu

dávkování

vrstvení

výběr

propad zrn

přepad zrn

Obr. 212 Schéma procesu třídění

Mechanizmus třídění na sítě vyžaduje kontakt každého jednotlivého zrna s otvorem síta. Tento kontakt musí být dokonce několikrát opakován, než dojde k propadu menšího zrna. Je zřejmé, že zrno, které je mnohem menší než otvor v sítu, potřebuje takových kontaktů řádově méně než zrno, které dosahuje např. 90 % rozměru oka síta. Pro pochopení mechanizmu tohoto procesu postačí takováto úvaha. Mějme vodorovné (např. pletené) síto, které je absolutně tuhé. To znamená, že se při dopadu zrna nechová jako trampolína a nemá snahu vymrštit zrno zpět k dalšímu dopadu. Na toto síto budeme pouštět zrna z určité výšky.

SPSKS

Obr. 213 Schéma vztahu kontakt zrna – četnost propadu

Z obrázku 213 je patrné, že u malých zrn ve 2D se do osy drátů jednoho čtverce čtvercového síta vejde 49 zrn. Z nich 28 nepropadne, protože první dotyk zrna znamenal srážku zrna s drátem. Pro větší zrna platí, že na plochu jednoho otvoru se vejde 16 zrn, ale 12 z nich na první kontakt nemůže propadnout otvorem síta, protože dochází ke kolizi s drátem síta. U největšího zrna se na plochu čtvercového otvoru vejde 9 zrn, ale bez kolize může propadnout pouze jedno.

-220-

Tato úvaha byla zjednodušena na maximum velikosti zrna 50 % velikosti otvoru síta. Je tedy zjevné, že úspěšnost propadu zrn závisí nelineárně na jeho velikosti. Slovně lze tuto závislost formulovat takto - „čím menší zrno ve vztahu k otvoru v síti, tím méně je třeba kontaktů zrna se sítem k propadu“. K této úvaze je třeba přidat ještě jistý rozbor procesu vrstvení. Zatímco model propadu na obrázku 213 řešil problematiku se zrny dokonale rozprostřenými, tedy v jedné vrstvě, proces rozprostření má umožnit u vícevrstvového dávkování přiblížení každému zrnu na dotyk se siluetou síta. Rozprostření zrn v několika vrstvách vyvolává klenbové efekty neboli zaklínění zrn. Je zřejmé, že při nepohyblivém sítu jsou schopna propadu pouze zrna označená barvou. Bez dalšího relativního pohybu mezi sítem a zrny se třídicí proces prostě zastaví.

Obr. 214 Schéma zaklínění zrn na sítu

Z dosavadních rozborů je zjevné, že třídicí proces potřebuje vytvořit podmínky pro relativní pohyb mezi oky sít a zrny. Ten lze v zásadě vytvořit těmito způsoby: - naklonit plochu síta tak, že gravitace způsobí relativní pohyb zrn po sítu, - síto vyrobit nikoli jako rovinu, ale válec, který rotuje kolem vodorovné osy, - plochu síta rozvibrovat, - kombinací výše uvedeného.

SPSKS

6.1.3.1 NAKLONĚNÁ SÍTA

Prosté naklonění sítné plochy využívá fyzikálního principu nakloněné roviny. Sklon této plochy musí být větší, než je tzv. třecí úhel. Pohyb tříděných zrn po třídicí ploše umožňuje kontakt zrna se štěrbinou a propad v případě splnění geometrické podmínky, že zrno má menší rozměr, než je šířka štěrbiny. Konstrukce síta je v takovém případě omezena na štěrbiny, které jsou konstrukčně řešeny jako „prsty“ nebo „rošty“, tedy vetknuté nosníky. Od použití roštů nebo prstů se také odvíjí technické názvosloví. Technologické možnosti takto konstruovaných sít jsou omezeny na odhliňovače a hrubořidiče. Další aplikací této jednoduché technologie je primární třídění tzv. R materiálů. Tvary třídicích prutů jsou lichoběžníkové s tím, že se po délce postupu tříděného materiálu štěrbiny rozšiřují. V příčném průřezu jsou pruty rovněž lichoběžníkového průřezu, Důvodem této konstrukce je zabraňování zaklínění zrn, která se např. vejdou do štěrbiny jenom částečně. Taková je nutné posunout dál po třídící ploše nebo vytlačit na konci třídiče jako nadsítnou složku. Materiál prutů je otěruvzdorná ocel. V kombinaci s vibrací může být tato konstrukce použita jako podavač, který mění cyklickou dopravu materiálu na kontinuální. Jde o zařízení, které rovnoměrně dávkuje materiál, např. do drtičů. Buzení konstrukcí, kde převládá princip nakloněné roviny, je klikovým mechanizmem (podavače) nebo budiči (hrubotřídiče). Na obrázku 216 jsou patrné konstrukční detaily hrubotřídičů.

-221-

jednostupňová nakloněná třídící plocha

dvojstupňová nakloněná třídící plocha

SPSKS

Obr. 215 Schéma nakloněné třídící plochy (hrubotřídiče a odhliňovače)

Obr. 216 Fotografie hrubotřídičů

6.1.3.2 ROTUJÍCÍ SÍTA Tato konstrukce je charakteristická tím, že relativní pohyb mezi třídící plochou a tříděnými zrny je vyvolán rotačním pohybem. Tříděný materiál se nachází uvnitř válce. Tento pohyb vyvolává poměrně intenzivní promíchávání tříděného materiálu. Vodorovná osa rotace se používá v případě jednostupňového třídění, které se provádí cyklicky. Taková zařízení se používají pro jednoduchá zpracování tzv. R materiálů. Toto zařízení může být pro

-222-

jednoduchost umístěno na nakladači jako třídicí jednotka. Nadsítné a podsítné se třídí pohybem otoče nakladače. Cyklické vyprázdnění síta se provádí jeho naklopením. Vícestupňové třídění v rotujících sítech (tandemové uspořádání) vyžaduje určitý sklon osy rotace. Složený relativní pohyb mezi tříděnými zrny a plochou síta je tak složen z pohybu rotačního uvnitř bubnu a pohybu podél osy. V součtu je tento pohyb šroubovice. Průřez třídícího zařízení může být kružnice, ale také polygon (6 – 8 úhelník). Určitou nevýhodou je nutnost řazení sít od nejjemnějšího po nejhrubší. Vyrobit síto s jemnými otvory, které musí být zároveň velmi robustní, protože musí snést statickou i dynamickou zátěž tříděného materiálu, je technický problém. Znamená zesilovat konstrukci síta, což vede ke zvyšování tloušťky. Důsledkem jsou sklony k zanášení otvorů a klesá také účinná plocha síta.

Obr. 217 Schéma třídění v rotujícím sítu s vodorovnou osou a cyklické vysypání nadsítného

SPSKS

Obr. 218 Schéma vícestupňového rotačního (bubnového) třídiče

možné průřezy třídiče

6.1.4 VIBRAČNÍ TŘÍDIČE Vibrační pohyb sít je nejčastější fyzikální princip třídění podle velikosti. K jeho výhodám patří velmi vysoký výkon třídění, spolehlivost a jednoduchost konstrukce. Pro generování vibrací je třeba znát základní princip. Každá pružná soustava je schopna kmitání, pokud je toto vyvoláno nějakou vnější silou. Nejjednodušší model je na obrázku 219. Závaží o hmotnosti m je zavěšeno na pružině tuhosti k. Pokud závaží vychýlíme z jeho polohy a pustíme, bude kmitat ve svislé poloze. Pokud bychom tyto kmity vyjádřili křivkou poloha – čas, vznikne sinusovka. Na ní je důležitá tzv. perioda T. To je čas, který potřebuje těžiště závaží k jednomu kmitu. Tato perioda závisí pouze na hmotnosti závaží a tuhosti pružiny. Nic jiného na délku periody nemá vliv. Takto volně vychýlené závaží kmitá tzv. vlastní frekvencí. Na obrázku T1.

-223-

Kmitajícímu závaží však můžeme „vnucovat“ i jinou periodu kmitání, např. elektromagnetem, který udržuje kmity na zvolené frekvenci. Takto vnucovaná frekvence kmitání může mít frekvenci nižší, než je frekvence vlastní. Matematicky jde o nerovnici f1>f2. Takové buzení kmitů se nazývá podkritické.

T1

T2

T3

amplituda

1 frekvence f = — [s -1] T

elektromagnet

samovolné kmitání podkritické buzení Obr. 219 Schéma kmitající soustavy

nadkritické buzení

SPSKS

Druhou možností je vnucovat soustavě vnější silou kmity s vyšší frekvencí f3>f1 . Takové buzení se nazývá nadkritické. Budit (např. elektromagnetem) frekvencí stejnou, jako je vlastní frekvence, lze jenom soustavy, které jsou tlumené. Takové tlumení si lze představit např. tak, že soustava pružina závaží kmitá pod vodou. Pokud by tlumení mělo malou intenzitu, bude se zvyšovat výkmit neboli amplitudu. Teoreticky nadevšechny meze. V takovém případě pak dochází k destrukcím konstrukcí. Buzení soustav, v praktické rovině třídičů, může tedy být: - podkritické (budící frekvence je nižší než vlastní frekvence) - třasadla, - kritické (budící frekvence je stejná jako frekvence vlastní) – rezonanční třídiče, - nadkritické (budící frekvence je vyšší než frekvence vlastní)- vibrační třídiče.

6.1.4.1 GENERÁTORY VIBRACÍ Generátory vibrací jsou technická zařízení, která generují síly schopné vnutit konstrukcím nějaký typ vibrace. Jejich konstrukce závisí na velikosti potřebných sil a na frekvenci. V zásadě dělíme generátory vibrací na: - elektromagnetické, - mechanické. Elektromagnetické vibrátory se vyznačují nízkými hodnotami budící síly. V praxi jsou používány pro laboratorní zařízení, kde jsou rozkmitávané hmoty v řádu kilogramů. Jejich fyzikální princip je založen na principu elektromagnetů, které střídavě přitahují jádro. Protože platí newtonův zákon akce – reakce, vzniká tak lineární kmitání (kmity jsou v přímce).

-224-

tvar vibrace lineární

jádro cívky

Obr. 220 Schéma elektromagnetického budiče

Mechanické generátory vibrací mohou využívat dvou fyzikálních principů: - rotující nevývažek, - klikový mechanizmus. Rotující nevývažek je nejpoužívanější fyzikální princip generování kmitů. Hodnoty takto vygenerovaných sil se pohybují v řádech kN. Fyzikálním principem je odstředivá síla, která vzniká při rotaci hmotného bodu kolem osy v nenulové vzdálenosti. Rotaci zabezpečuje buď samostatný hřídel, nebo lze použít i výstupních hřídelů elektromotoru. rotující odstředivá síla

těžiště nevývažků

SPSKS

T

elektromotor reálná podoba nevývažku

Obr. 221 Schéma rotačního budiče

Elektromotor s oboustrannými výstupními hřídeli je osazen nevývažky. Na každé straně jsou dva stejné nevývažky. Při rotaci vzniká díky odstředivé síle rotující síla. Reálná podoba nevývažku může být různá, ale vždy znamená vysunutí těžiště tělesa nevývažku co nejdále od osy otvoru, který je totožný s osou rotace. Odstředivá síla je na rozdíl od lineárních kmitů (např. elektromagnetickým budičem) konstantní, ale její vektor rotuje kolem osy. Vysvětlení zaslouží i použití dvojice nevývažků na každé straně. Je tomu tak proto, že vzájemným polohováním nevývažků lze regulovat velikost odstředivé síly i intenzitu buzení. Maximální odstředivé (a tím také budící) síly dosáhneme natočením nevývažku „vedle sebe“. Tato maximální hodnota se dá zmenšovat na nulu, kdy jsou nevývažky „proti sobě“.

-225-

Fmax

paralelní nevývažky max. budící síla

Fv

obecná poloha nevývažků

Fv = 0

nevývažky proti sobě nulová výslednice

Obr. 222 Schéma regulace velikosti budící síly

Pokud je nutné vibrovat velkými hmotami a velkými rozměry konstrukce, je nutné použít více budičů nebo použít hřídele s osou kolmou na rovinu symetrie strojního zařízení (třídiče). Takový hřídel je poháněn elektromotorem prostřednictvím řemenových převodů. nevývažky skříň třídiče řemenice

SPSKS pohon elektromotorem

průchozí hřídel

odpružení

Obr. 223 Schéma dynamického budiče s kruhovou budící silou na hřídeli v třídiči

Rotační budiče jsou konstrukčně velmi jednoduché, lze snadno regulovat jak jejich budící sílu, tak frekvenci změnou otáček elektromotoru nebo vhodným převodem. Kruhová vibrace je vhodná a jednoduchá pro použití u třídičů. Nevýhodou je však skutečnost, že budící síla se snadno přenáší do konstrukce, na které je vlastní třídič instalován. Ta se vyznačuje vždy značnou výškou, protože tříděný materiál musí dopadat na další zařízení, která jej dopraví. Kruhová vibrace se obtížně tlumí tam, kde již kmitavý pohyb nepotřebujeme. Ze dvou rotačních budičů lze zkonstruovat budič, který generuje lineární vibrace, někdy se také nazývají usměrněné. Vektor budící síly tak kmitá na jedné přímce. Lineární buzení má řadu výhod a jednou z nich je i lepší tlumení vibrací vůči konstrukci. Lineární budič je konstruován tak, že dva kruhové vibrátory jsou upevněny na tuhou desku a rotují proti sobě. Z obrázku 224 je patrné, že proti sobě rotující nevývažky vyvozují odstředivé síly, které jsou symetrické vůči ose mezi oběma vibrátory. Odstředivou sílu jako vektor jsme schopni rozložit na vodorovnou (x) a svislou složku (y). Vodorovné složky se jako vektory odečítají, a protože jsou nevývažky stejné, je výsledný rozdíl 0. Naopak svislé složky se sčítají. Výsledkem je lineární vibrace ve směru kolmém na desku, která spojuje oba kruhové vibrátory. Naklopením celé desky lze lineární kmitání směrovat.

-226-

F1v

F2y

F1y

F2v

F1x

F2x

deska

Obr. 224 Schéma dynamického budiče lineárních kmitů

Klikový mechanizmus je rovněž dobrým zdrojem kmitů pro zvláště velké hmotnosti. Budící síla může být mnohem vyšší než u rotačních budičů. Tvar buzené síly je lineární. Frekvence budičů na bázi klikového mechanizmu je obvykle menší, než je tomu u rotačních budičů. Důvodem jsou tu velké setrvačné síly. Tento druh budičů je vhodný pro třasadla, podavače, případně hrubotřidiče a odhliňovače. Nevýhodou generátorů kmitů na principu klikového mechanizmu je skutečnost, že průběh budící síly není sinusovka, ale sinusovce podobná křivka. Důsledkem toho je skutečnost, že utlumení vibrací mimo vlastní zařízení je obtížné. lineární vibrace

SPSKS klika

ojnice

třídící prvek (rošt, síto)

Obr. 225 Schéma budiče kmitů na bázi klikového mechanizmu

6.1.4.2 TVARY VIBRACE A TŘÍDÍCÍ PROCES Základní tvary vibrací používaných v technologiích třídění jsou: - lineární vibrace, - kruhová vibrace, - eliptická vibrace. Z popisu generátorů vibrace je zřejmé, že lineární vibrace (vibrace v přímce) je dosažitelná elektromagnetickým budičem, klikovým mechanizmem nebo součtem dvou protiběžných budičů s kruhovou vibrací. Eliptická vibrace je dosažitelná poněkud složitější způsobem, ale pro třídící procesy vzniká deformací kruhové vibrace. Tuto deformaci můžeme docílit umístěním osy rotace budiče mimo těžiště naplněného třídiče. Druhou možností je laděním odpružení.

lineární vibrace

kruhová vibrace

eliptická vibrace

Obr. 226 Tvary vibrací

-227-

Zásadním účinkem vibrace na tříděný materiál je opakovaný mikropohyb tříděných částic na třídicím sítu. Pro pochopení dějů při kmitavém pohybu je dobré děje popisující pohyb síta a zrn zjednodušit posouzením chování ve vodorovné rovině. Většina třídících strojů využívá gravitace, a proto jsou síta skloněná (vyjma rezonančních třídičů). zrno

křivka vrhu zrna

horní poloha síta β osa kmitání síta

příčné dráty síta dolní poloha síta lineární kmitání s úhlem sklonu β

Obr. 227 Interakce zrna a kmitajícího síta

Na obrázku 227 je vodorovné síto, které je vystaveno lineárnímu kmitání pod úhlem β. Síto se tedy pohybuje mezi horní a dolní polohou. Zrno, pokud je v dotyku se sítem nebo ostatními zrny, je vyzvednuto do horní polohy. Dále pak za podmínek existence zrychlení většího, než je gravitační, se pohybuje setrvačností po dráze vrhu. Po zastavení klesá ve směru gravitace, ale zároveň se pohybuje ve vodorovné ose. Z teorie vrhu je zjevné, že pokud by bylo cílem vrhem odhodit zrno co nejdále, musel by být úhel β = 45°. S určitou dávkou zjednodušení musí budič kmitání síta splňovat určité podmínky. 1. Hodnota svislé složky zrychlení budící síly musí být větší, než je gravitační zrychlení, jinak by se zrno pouze zvedalo a klesalo spolu s plochou síta. 2. Vodorovná vzdálenost vrhu by neměla být násobkem (celého čísla) příčné rozteče drátů síta. 3. Čas, po který je zrno bez dotyku se sítem (doba letu), by měl být kratší než perioda kmitu síta, v opačném případě zrno nevyužije všech vrhů, které síto kmitáním nabízí.

SPSKS

Z obrázku 227 lze vydedukovat možnosti řízení procesu třídění při kmitavém pohybu. Pokud je použito lineární vibrace, je vcelku jednoduché měnit velikost budící síly. Ta má vliv na hodnotu zrychlení, která určuje parametry vrhu zrna. Dále je možné natáčením měnit směr lineární vibrace, tedy úhel β. Ten má vliv na délku doletu zrna. V praxi se rovněž užívá sklonu sítové plochy, čímž se do pohybu zrn zapojí i gravitace. Pokud je úhel β malý nebo dokonce 0, zrna po ploše síta kloužou. Z hlediska technologie lze toto třídění použít u plochých zrn. Dále je vibrace těchto parametrů využívána u odhliňovačů, hrubotřídičů a podavačů. Síta jsou namáhána silně abrazí. Kruhová vibrace vytváří dobré podmínky pro třídící proces na sítech. Rotace vektoru budící síly vytváří podmínky nejenom pro zrychlení ve svislém směru, tedy proti gravitaci, ale také ve vodorovném směru. Mikrovrhy posouvají zrna po ploše. Právě mikrovrhy jsou důležité pro opakované poměřování zrna s otvorem během postupu po délce síta. Teorie konstatuje, že zrno, které je siluetou 90 % velikosti oka v sítu, potřebuje až 500 mikrovrhů k propadnutí.

-228-

Eliptická vibrace je generována generátorem kruhové vibrace. Osa rotace nevývažků je však umístěna nad těžiště naplněného třídiče. Dále je možné hlavní (delší) osu eliptické vibrace naklánět posouváním osy rotace budiče ve vodorovné rovině. Obrázek 228 představuje běžné konstrukce vibračních třídičů. Varianty umístění dynamických budičů umožňují optimalizaci třídicího procesu. Vedle umístění budičů, kterými volíme tvar vibrace, je také důležitá frekvence (pro dynamické budiče jsou to otáčky nevývažků). Je nutné si uvědomit, že z hlediska spotřeby energie mají třídiče rezonanční nejmenší spotřebu. TŘÍDIČE S KMITAVÝM POHYBEM SÍTA Třídič s jedním nevyváženým hřídelem (kruhová vibrace). Budící síla je přibližně v těžišti naplněného třídiče.

Třídič s jedním nevyváženým hřídelem. Budič je uložen nad těžištěm naplněného třídiče. Buzení je tak kruhové. Síta však vykonávají eliptické kmity, v místech uložení mají opačně skloněnou hlavní osu eliptické vibrace.

SPSKS

Třídič buzený dvěma protiběžnými nevyváženými hřídeli umístěnými symetricky mimo těžiště naplněného třídiče. Výsledná vibrace je usměrněná.

Třídič je buzen jedním budičem umístěným na rámu třídiče. Použití rámu k přenosu sil na třídič a zavěšení snižuje přenos kmitů do konstrukce.

-229-

Třídič je buzen přibližně harmonicky (je rezonanční). Je vhodný pro dlouhá síta. Přenáší do konstrukce minimální kmity. Síta se pohybují vždy proti sobě.

Obr. 228 Schémata buzení vibračních třídičů s různým druhem buzení a podepření

Rezonanční třídiče mají budící frekvenci přibližně stejnou, jako je vlastní frekvence naplněných sít třídiče. Výraz přibližně je namístě, protože velikost frekvence závisí na tuhosti pružin, které není problém udržet na konstantní hodnotě. Druhým faktorem je však hmotnost kmitajících hmot. Ta je, s ohledem na kontinuální proces třídění, proměnlivá v řádu i desítek procent. Rezonanční třídiče mají nejmenší spotřebu energie, protože buzení v blízkosti vlastní frekvence vyžaduje nejmenší budící síly. Požadavek na utlumení vibrací k ostatním částem technologické linky (především ocelové konstrukce) je řešen protisměrným pohybem rámů se síty.

sítové rámy

SPSKS

Obr. 229 Schémata protiběžného pohybu sítových rámů u rezonančních třídičů

-230-

rezonanční třídič

SPSKS vibrační třídič s eliptickou vibrací

Obr. 230 Fotografie provedení třídičů

6.1.4.3 KONSTRUKCE SKŘÍNÍ VIBRAČNÍCH TŘÍDIČŮ A TLUMENÍ KMITŮ Skříně vibračních třídičů jsou v zásadě dvě bočnice, které jsou propojeny příčnými výztuhami. Z hlediska konstrukce se jedná o svařovanou konstrukci z hutního materiálu konstrukční oceli. Tyto skříně nesou 2 – 6 sít nad sebou. Tuhost bočnic musí být relativně vysoká, protože síta musí být příčně i podélně předepnutá na předepsané hodnoty. Síta musí být předepírána proto, že vibrující soustava vyžaduje vyhnout se kmitání sít mimo kmitání celé skříně. Pokud nejsou síta dostatečně předepnuta, dochází k poklesu třídicího výkonu, síta se mohou zalepovat apod. Předepírání je možné klíny, šrouby nebo hydraulicky. Pro veškeré technologie, kde se uplatňují vibrace, je charakteristickým problémem utlumit vibrace v kotvení strojů. Přenos vibrací znamená riziko projevů rezonance na vzdálených místech konstrukce. Vibrace je dále fyziologicky nepříjemná pro obsluhu. Na fotografiích obr. 230 jsou viditelné šroubové pružiny. To však není jediný ani nejlepší způsob tlumení kmitů. Kovová pružina je schopna přeměnit energii na práci svým stlačením, následně však -231-

síla F [N]

síla F [N]

téměř 100 % této energie vrací zpět. Tlumení je však proces, kdy vedle absorpce kinetické energie vibrací tuto nevrací pružina zpět, ale co největší podíl z ní přemění na teplo. Odborně se tomuto jevu říká disipace. Rozdíl v chování kovové a např. pryžové pružiny je na obrázku 231. Tlumení lze také zajistit použitím kombinace kovové pružiny a tlumiče, jako je tomu např. u automobilových podvozků.

práce

disipovaná práce

F.s W = —— 2

stlačení s [mm]

stlačení s [mm]

charakteristika chování kovové pružiny

charakteristika chování pryžové pružiny

Obr. 231 Porovnání tlumících schopností kovových a pryžových pružin

6.1.4.4 ČÍSTĚNÍ SÍT VIBRAČNÍCH TŘÍDIČŮ Některé tříděné materiály mají tendenci zanášet otvory sít. Logicky nejnáchylnější ke znečistění jsou síta s malými otvory. Síta jsou ve vibračních třídičích vždy nějakým způsobem prohnuta od tíhy tříděného materiálu. Nejúčinnější formou čištění je krátkodobě nárazem prohnout síto obráceně. V technické praxi se proto používá pryžové koule, která je zavěšena pod sítem a pružně upevněna na rámu síta. Při kmitání tato koule kmitá, ale tuhost jejího upnutí je vypočítána tak, že její vlastní frekvence je velmi blízká budící frekvenci síta. Důsledkem jsou z fyzikálního pohledu tzv. zázněje, kdy koule má po několika cyklech vibrace takovou amplitudu, že odspodu narazí na síto a zbaví jej tak nánosu zrychlením proti gravitaci. Toto zařízení je jednoduché a velmi účinné.

SPSKS

síto

koule

koule kmitá s malou amplitudou

zázněj – koule narazí při velké amplitudě do síta

Obr. 232 Čištění síta vibračního třídiče

6.1.5 ROTAČNÍ TŘÍDIČE Rotační třídiče nemají třídící plochu tvořenou nějakým typem síta. Třídicí plocha je tvořena průmětem siluet rotujících těles. Z hlediska technologie se jedná o odhliňovače nebo

-232-

hrubotřídiče. To znamená, že požadovaným produktem je nadsítné. Podsítné se odvádí obvykle jinou technologickou cestou. Fyzikální princip třídění podle velikosti je podmíněn rotací paralelních válců, které jsou osazeny disky nebo kotouči. Složení jejich meridiálních řezů dává plochu, která vykazuje nejčastěji čtvercové otvory. Výhodou tohoto technického řešení je možnost třídění i nepříliš lepivých materiálů, protože disky nebo kotouče je možné při rotaci čistit. Z řešení se zřejmé, že účinná plocha síta je velmi malá a velikost otvoru menší než 80 mm je technicky neřešitelná.

SPSKS diskové válečky

kotoučové válečky

průmět otvorů diskových válečků

průmět otvorů kotoučových válečků

Obr. 233 Schéma válců rotačních třídičů

Konstrukce celého rotačního třídiče je pak sestavena z řady válečků, které jsou skloněny ve směru gravitace. Válečky se otáčejí ve stejném směru. Pohon je identický s pohonem válečkových tratí. Materiál disků, případně kotoučů, je obvykle pryž vyšší tvrdosti. Obvodová rychlost disků nebo válečků je přibližně stejná nebo vyšší, než je rychlost na pásovém dopravníku, který kontinuálně tříděný materiál přivádí na třídicí plochu. Primární pohon válečků je obvykle realizován asynchronním elektromotorem s čelní převodovkou. Odpružení třídiče je stejné jako u třídičů vibračních. Tlumit zde není třeba vibrace, ale rázy vzniklé dopadem materiálu a mikrováhy.

-233-

Obr. 234 Schéma funkce rotačního třídiče

6.2 STROJE PRO TŘÍDĚNÍ PODLE HMOTNOSTI ZRNA – BEZSÍTNÉ TŘÍDĚNÍ V technické praxi se lze setkat s potřebou oddělit zrna přibližně stejné velikosti, ale rozdílné hmotnosti. Jejich odlišnost tedy spočívá v měrné hmotnosti. Dále třídění zrn velmi malých rozměrů není technicky možné pomocí sít, protože vyrobit síto s otvory v řádu µm je velmi obtížné. Bezsítné třídění je tedy z hlediska technologie proces oddělování (separace) zrn o různé hmotnosti a také separace velmi jemných frakcí. Fyzikální princip bezsítného třídění spočívá v pohybu částic dispergovaných v tekutině. Tekutiny jsou společný název pro kapaliny a plyny. Z hlediska relativního pohybu vzhledem k vektoru zrychlení rozeznáváme: - protiproudé třídění, - souproudé třídění.

SPSKS

Na zrno v proudící tekutině působí tyto síly: - gravitační síla, - vztlak, - odpor proti proudění. Gravitační síla přitahuje zrno ve svislém směru k zemi silou: Fg = m . g = V . ρzr . g, kde: m[kg] - hmotnost zrna g [m.s-2] - gravitační zrychlení V[m3] - objem zrna ρzr [kg.m-3] - měrná hmotnost zrna. Vztlak je síla, která působí vždy proti gravitaci a tedy ve svislém směru od země. Její velikost je: Fvz = V . ρtek . g,

-234-

kde: V[m3] - objem zrna ρtek [kg.m-3] - měrná hmotnost tekutiny g [m.s-2] - gravitační zrychlení. Síla odporu proti proudění působí ve směru vektoru proudění. Je to tedy síla, která je svojí velikostí i směrem regulovatelná vektorem rychlosti proudění tekutiny. Její velikost je dána vztahem: S . v2 . ρtek . cx Fo = ——————, 2 kde: S [m2] - průmět plochy zrna na rovinu kolmou na vektor proudění tekutiny v [m.s-1] - rychlost proudění tekutiny ρtek [kg.m-3] - měrná hmotnost tekutiny cx [-] - součinitel odporu proti proudění nalezne se v tabulkách

S . v2 . ρtek . cx síla odporu proudění Fo = —————— 2

Protiproudé třídění znamená, že vektor rychlosti proudění tekutiny je vertikála a směr je proti gravitaci. Souproudé třídění znamená, že vektor proudící tekutiny má jinou polohu ve vztahu ke gravitaci. Nejčastěji je vodorovný.

SPSKS síla vztlaku Fvz = V . ρtek . g

síla vztlaku Fvz = V . ρtek . g

S

gravitační síla Fg = m . g = V . ρzr . g

proud tekutiny rychlostí „ v“

S

gravitační síla Fg = m . g = V . ρzr . g

síla odporu proudění S . v2 . ρtek . cx Fo = —————— 2

proud tekutiny rychlostí „ v“ síly působící při protiproudém třídění

síly působící při souproudém třídění

Obr. 235 Schéma působení sil při protiproudém a souproudém třídění

Protiproudé třídění je tedy postaveno na výslednici třech sil, které jsou na jedné nositelce. Pokud je gravitační síla větší než síla odporu proti proudění a vztlak, klesá zrno nebo částice ve směru gravitace. Pokud je tomu naopak, zrno se pohybuje směrem proti gravitaci. Matematicky lze toto popsat nerovnicí:

-235-

S . v2 . ρtek . cx V . ρzr . g > V . ρtek . g + —————— 2 Rozbor této nerovnice ukazuje, že chování technického zařízení můžeme řídit dvěma „proměnnými“. První je volba tekutiny, resp. ρtek. Nejjednodušší je použití buď vzduchu ρtek = 1,36 kg.m-3, nebo vody ρtek = 1000 kg.m-3. Jde tedy o zásadní volbu, zda bude třídění suché nebo mokré. Další proměnnou může být rychlost proudění tekutiny ve třídicím prostoru. Ta je za běžných podmínek dobře ovladatelná. Ostatní členy rovnice jsou dány a lze je považovat za konstanty. Je zřejmé, že vzduch lze použít ke třídění velmi jemných frakcí. Voda, díky více než 700x vyšší měrné hmotnosti, je schopna vyvinout síly odporu vztlaku o dva řády vyšší. Souproudé třídění je také výsledkem působení stejných sil, ale proud tekutiny není svislý ale vodorovný. Výsledný pohyb je poněkud složitější případ tzv. vodorovného vrhu. Částice, u kterých se ve větší míře uplatňuje gravitační síla, klesají rychleji ve směru gravitace po jakési „balistické křivce“. To prakticky znamená, že hmotnější částice dopadají blíže bodu, kde byly smíseny s unášecí tekutinou a méně hmotné částice jsou unášeny dále. Je lhostejné, zda hmotnější částice mají větší hmotnost díky své velikosti (třídění podle velikosti) nebo jsou hmotnější, protože mají větší měrnou hmotnost (jsou z jiného materiálu) (třídění podle hmotnosti). Protiproudé třídění se v praxi provádí ve více stupních, podobně jako třídiče jsou osazovány více síty.

SPSKS

-236-

tříděná surovina záchytné síto nadsítné

zahušťovač

kalová voda

přívod třídící vody

III. STUPEŇ

SPSKS

II. STUPEŇ

I. STUPEŇ

zásobník vody

šroubovicový uklidňovač

regulátory průtoku (ventily)

voda s vytříděnými produkty

voda s hrubým produktem

Obr. 236 Schéma třístupňového vodního protiproudého třídiče

-237-

7.0 ZÁSOBNÍKY A DÁVKOVÁNÍ MATERIÁLŮ V oblasti těžby a zpracování libovolných hornin v různých fázích technologie se procesy neobejdou bez zásobníků a dávkovacích zařízení. Z hlediska technologického aspektu lze veškerá skladovací zařízení členit na: - zásobníky skladovací (provozní), - zásobníky vyrovnávací, - zásobníky směšovací. Skladovací zásobníky slouží pro zadržení určitého množství skladované hmoty po určitou dobu. Ta může být od několika hodin do několika týdnů. Takové zásobníky slouží např. k expedici produktů. Vyrovnávací zásobníky slouží k vyrovnávání chodu u technologických postupů. Příkladem takového vyrovnávání může být kombinace cyklických a kontinuálních technologií. Dalším využitím je vyrovnávání výkyvů u kontinuálních technologií, kdy jednotlivé operace mohou vykazovat určité výkyvy v čase. Vyrovnávací zásobníky snižují citlivost „dlouhých linek“ na výskyt poruch. Za příklad lze užít např. montážní linky osobních automobilů. Pokud by na kterékoliv operaci došlo k poruše, tak se musí zastavit po dobu poruchy celá montážní linka. Při začlenění vyrovnávacích zásobníků pak závada odstavuje pouze úsek linky mezi dvěma vyrovnávacími zásobníky a ostatní části pracují. Nejčastějším využitím vyrovnávacích zásobníků je vyrovnávání odběru (vodojemy, zásobníky plynu apod.). Směšovací zásobníky plní úlohu nejenom skladovací, ale jsou schopny smísit dva a více produktů.

SPSKS

Z hlediska základních fyzikálních vlastností skladovaných látek lze tyto dělit na zásobníky skladující: - plynné produkty (plynojemy, tlakové lahve apod.), - kapalné produkty (vodojemy, tanky, cisterny, zásobníky ropy apod.), - sypké produkty (skládky, zásobníky, sila, bunkry), - pevné produkty (kontejnery).

7.1 ZÁSOBNÍKY PRO PLYNNÉ PRODUKTY Zásobníky pro plynné produkty vyžadují v obecném pojetí ohraničený prostor, který nepropouští skladovanou plynnou látku. Tyto zásobníky nemusejí nutně představovat tlakovou nádobu. Pro skladování obrovských objemů (např. zemního plynu) lze využívat i některých vhodně uspořádaných geologických vrstev v plášti Země. K utěsnění prostoru, kde je dostatek volného prostoru – pórů a dutin (štěrk), postačí vrstvy jílu. Síly vzniklé vysokým tlakem plynu jsou eliminovány hmotností nadloží. Stejnou funkci mohou vykonávat i vytěžené vrty po těžbě ropy a zemního plynu. Z moderních technologií lze připomenout technologie CCS, kdy se do podzemí deponuje oxid uhličitý pro snížení jeho emisí do ovzduší. Deponie není tedy zásobníkem, protože se neuvažuje o odběru deponovaného materiálu (plynu) zpět. Materiály k výrobě tlakových nádob jsou oceli a je zde použito technologií svařování. Plynné látky jsou skladovány pod tlakem, proto jsou zásobníky posuzovány jako talkové nádoby a podléhají velice přísným předpisům. V případě havárie a úniku plynů dochází

-238-

k expanzi, která se podobá výbuchu. V případě skladování hořlavých nebo jedovatých plynů je případný únik kombinován dalšími faktory.

kulový zásobník

válcový zásobník svislý

válcový zásobník vodorovný

Obr. 237 Schéma zásobníků na skladování plynných látek (tlakové nádoby)

Z konstrukčního hlediska jsou zásobníky na skladování plynných látek plněny potrubím. Odběr je zajišťován ventily a potrubím. Specifikem zásobníků plynu je skutečnost, že v případě odběru plynu za současného snížení tlaku dochází díky expanzi k poklesu teploty. Při větším poklesu tlaku nebo déle trvajícím odběru ventily namrzají. Konstrukce ventilů jsou v takovém případě opatřeny např. žebrováním pro snadnější výměnu tepla podobným způsobem, jako je tomu u vzduchem chlazených válců spalovacích motorů, pouze teplotní gradient je zde opačný (těleso ventilu zahříváme). Množství skladovaného plynu je udáváno v jednotkách [m3]. U stlačitelného plynu je toto množství nejenom funkcí objemu zásobníku, ale také tlaku. Pro bezpečnost jsou zásobníky barveny s ohledem na skladovaný plyn. Do zásobníků je možné zařadit také tlakové lahve. Tyto se používají k transportu plynných látek do míst, kde nevede nebo není účelné zavádět potrubí. Tlakové lahve tak mohou být použity v sestavách na železniční a automobilní podvozky. Nejmenší tlakové lahve jsou uzpůsobeny na ruční manipulaci. Z hlediska konstrukce zásobníků na plynné látky je pozorovatelný trend transportu obrovských množství plynů ve zkapalněné podobě. Jde o dopravu, která patrně bude účinnou konkurencí plynovodům. Taková doprava je operativní převážně námořní, a proto se dopravovaný plyn transportuje do vzdálených míst po neutrálních vodách moří a oceánů. Zkapalněný plyn je sice kapalina s velmi nízkou teplotou, ale zásobníky, ve kterých je plyn stlačen, mají konstrukcí blíže k tlakovým nádobám než tankům. Je tomu tak proto, že transportovaný zkapalněný plyn je nutné udržovat na velmi nízké teplotě, protože při zvýšení jeho teploty nad teplotu varu se plyn odpařuje. Toto udržování je zajištěno velmi účinnou tepelnou izolací stěn zásobníků a ochlazováním, odpařováním a následným zkapalněním přepravovaného plynu.

SPSKS

-239-

7.2 ZÁSOBNÍKY PRO KAPALNÉ PRODUKTY Zásobníky pro kapalné produkty lze rovněž považovat za ohraničený prostor, ve kterém je kapalina skladována. Za kapalinu považujeme takovou látku, která je atmosférického tlaku a běžné teploty v kapalném stavu. Pro konstrukci takových zásobníků má tato definice kapaliny zásadní význam. Kapalina je považována za nestlačitelnou a tlak v kapalině je pouze hydrostatický. Hydrostatický tlak pro běžné rozměry zásobníků nepředstavuje žádný zvláštní problém. Pokud ano, postačí zásobník konstruovat tak, že má pro objem menší výšku. Hydrostatický tlak je dán vztahem: p = ρ . g . h, kde: p [Pa] - tlak ρ [kg.m-3] - měrná hmotnost kapaliny g [m.s-2] - gravitační zrychlení h [m] - hloubka sloupce kapaliny měřená od hladiny. Z rovnice je zřejmé, že měrná hmotnost skladované kapaliny a gravitační zrychlení jsou konstanty. Proměnnou je zde pouze hloubka v první mocnině. Rovnici lze tedy číst tak, že hydrostatický tlak se zvětšuje s hloubkou sloupce kapaliny. Průběh vzrůstu tlaku po hloubce zásobníku je patrný z obrázku č. 238. hloubka [m]

hloubka [m]

SPSKS tlak [Pa]

tlak [Pa]

kapaliny

sypké látky

Obr. 238 Schéma průběhu tlaku v zásobníku kapaliny a sypké látky

Pro kapalinu platí, že sklon přímky se mění s měrnou hmotností skladované kapaliny. Čím větší měrná hmotnost, tím rychlejší nárůst hydrostatického tlaku podle šipky. Zásobníky pro kapalné produkty mají opticky podobné tvary jako zásobníky na plyn. Jsou tedy tvořeny geometrickými tělesy na bázi koule a válce. Pro kapaliny připadají v úvahu i krychle a kvádry. Rozdíl je u válcových nádob v tom, že „podstavy“ válcovitých nádob pro plyny jsou ve tvaru kulového vrchlíku a u kapalin to je prostý kruh. Tato odlišnost konstrukce je způsobena potřebou vysoké pevnosti nádoby v případě stlačených plynů. Síly vzniklé vysokými tlaky působícími na plochu pláště zásobníků jsou velmi vysoké. Zvládnutí pevnostních poměrů při výrobě takových nádob (tedy na plyn) vyžaduje užití tupých svarů namísto svarů koutových, které pro přivařování dna nádoby

-240-

způsobují potíže s jejich pevností. Také deformace pláště při zatížení vnitřním tlakem jsou důvodem pro vyboulení den válcových nádob. Jejich deformace nevytváří složité stavy napjatosti v konstrukci a svárech.

vodorovný zásobník na kapalinu

vodorovný zásobník na stlačený plyn

Obr. 239 Schéma siluety vodorovných zásobníků na kapalinu a stlačený plyn

Výpusti zásobníků na kapaliny jsou jednoduché ventily. Případné dávkování při odběru kapalin je pouze funkcí tlaku a průřezu otevřeného ventilu výpusti. Tak je tomu i u kohoutku vodovodu. Množství kapaliny je dáno objemem, který kapalina zaujímá v zásobníku. Ten je snadno zjistitelný měřením polohy hladiny, resp. její výšky. Teoretickou možností je i měření hmotnosti zásobníku snímači.

7.3 ZÁSOBNÍKY PRO SYPKÉ PRODUKTY Zásobníky pro sypké materiály mají průběh vzrůstu tlaku s výškou zřejmý z obrázku č. 238. Rozdíl mezi kapalinou a sypkým materiálem je ve skutečnosti, že zrna sypkého materiálu jsou vystavena coulombovskému (suchému) tření mezi sebou a také ke stěně zásobníku. Z konstrukčního hlediska je zásobníky na sypké materiály nutné posuzovat také podle technologie jejich plnění a odběru.

SPSKS

7.3.1 SKLÁDKY Skládky jsou zásobníky svého druhu, které se vyznačují tím, že část jejich povrchu je bez dotyku s jinou plochou, která omezuje jejich tvar. Velikost těchto zásobníků je téměř neomezená. Výška objemu skládky je teoreticky limitována pouze pevnostními poměry skladovaného materiálu, kdy může dojít k drcení zrn. Dále je výška omezena velikostí dráhy volného pádu zrn, kdy může dojít k drcení nárazem. Základním parametrem skládek i ostatních zásobníků na sypké materiály je objem v [m3] nebo hmotnost v [t]. Jejich vzájemná závislost je dána vztahem: m = ρ . V, kde: m[kg] - hmotnost skladované hmoty ρ[kg. m-3] - sypná měrná hmotnost V[ m3] - objem skládky.

Tvary tělesa skládky jsou patrné z tabulky, kde je pro úplnost uveden způsob plnění objemů skládek a odběr.

-241-

TYPY SKLÁDEK silueta

plnění

odběr

stabilní pásový dopravník

čelní nakladač spodní odběr

pojízdný pásový dopravník

čelní nakladač spodní odběr

SPSKS

kombinovaná

příkopová

ledvinková

hromadná

kuželová

název

-242-

otočný pásový dopravník

čelní nakladač

pojízdný pásový dopravník

lopatový nakladač (hloubková lopata) drapák

pojízdný pásový dopravník

lopatový nakladač (hloubková lopata) drapák

hvězdicová

dragline

boční

buldozer (přihrnovač)

čelní nakladač

svahová

buldozer (přihrnovač)

SPSKS buldozer (přihrnovač)

čelní nakladač

Konstrukční řešení skládek spočívá na vytvoření ploch, které mají udržovat skládce příslušný tvar a udržovat skladovaný materiál v čistotě. Z tabulky je zřejmé, že všechny typy skládky mají jednu společnou plochu, kterou je vodorovná základna. Případné svislé (boční) plochy vyžadují jednodušší řešení. Skládky mohou být volné, kdy jsou vystaveny běžným povětrnostním vlivům, ale mohou být také kryté. Obvykle jednoduchým přístřeškem zamezujícím vlivu deště a případně větru. Vodorovná plocha vyžaduje z konstrukčního hlediska určité zpevnění, které zabraňuje kontaminaci skladovaného materiálu. Dále je pak u volných skládek vyžadováno dobré odvodnění. Obvyklou konstrukcí je znivelovaná plocha, kde jsou na štěrkové lože položeny panely a celá plocha je odvodněna.

-243-

panely

štěrkové lože

odvodňovací potrubí

Obr. 240 Konstrukční řešení vodorovné plochy skládek

Šikmé a svislé plochy mohou být konstrukčně řešeny stěnami z panelů, plechů a dřevěných fošen. Především šikmé plochy, např. u příkopových skládek a svahových skládek, mohou mít stěny vzniklé předcházející těžbou, které jsou tvořeny těženou horninou. Pokud se svahová skládka doplní svislou stěnou s výpustí, vzniká zásobník typu bunkr.

7.3.1.1 SPODNÍ ODBĚR SKLÁDEK Z technologického hlediska je spodní odběr skládek kontinuálním odběrem. Takový odběr je vhodný pro kontinuálně pracující technologie, jako jsou betonárky, mísírny apod. Vhodný je i pro nakládání na cyklickou dopravu ve větším množství. Základem konstrukce je tunel (nebo dva tunely) pod tělesem skládky, kde je veden pásový dopravník. Na ten je dávkován nebo prostě vypouštěn skladovaný materiál. Takto lze vhodně řešit i odběr z více druhů frakcí, kdy se skládky budují za sebou v přímce dopravníků. Toto řešení je cestou k automatizaci procesů, např. u betonáren vysokých výkonů na velkých stavbách.

SPSKS výpust

pásové dopravníky

tunely

Obr. 241 Podélný a příčný řez konstrukcí spodního odběru skládek

-244-

7.3.2 ZÁSOBNÍKY Zásobníky jsou nádoby, které ohraničují prostor k hromadění zrnitých materiálů. Oproti skládkám se zde uplatňuje více ploch, které toto ohraničení realizují. Z hlediska technologie použití je můžeme dělit na: - stabilní, - semistabilní, - mobilní. Stabilní zásobníky se vyznačují velkými objemy. Jejich konstrukce je obvykle kotvena do betonových základů. V případě nutnosti přemístit takový zásobník vznikají problémy s jeho demontáží. Semistabilní zásobníky jsou menších objemů a na pláni jsou umístěny na ližinách nebo pontonech. V případě přemístění je možné je po vyprázdnění odvléci smykem na jiné místo, např. blíže k těžbě. Přemístění na vzdálenější místa po komunikacích však nepřipadá v úvahu. Mobilní zásobníky jsou malých objemů a lze je snadno přemísťovat i po komunikacích jako nadměrný náklad nebo jsou konstruovány tak, že jejich spoje jsou rozebíratelné. Základní tvar zásobníku v meridiálním (svislém řezu) je patrný z obrázku 242.

SPSKS umístění výpustí

osové

stranové

rohové

Obr. 242 Schéma zásobníku, jeho možné průřezy a umístění výpustí

Zásobníky mohou být konstruovány jako samostatné celky nebo mohou být sestavovány do baterií. Z hlediska odběru materiálu jsou nejlepší zásobníky s kruhovým průřezem, kde vznikající klenbové efekty jsou symetrickými jevy. Z hlediska využití prostoru, zvláště při sestavování zásobníků do baterií, jsou nejvýhodnější zásobníky průřezů, které lze sestavovat do celistvých ploch (čtverec, obdélník, šestiúhelník). Konstrukce pláště zásobníků může být z konstrukční oceli, z betonu, pro lehké a neabrazivní zrnité látky i k kompozitů na bázi plastických hmot. Vnitřní stěny, zvláště ve spodní zužující se části, bývají obloženy materiály s velkou odolností vůči abrazi (čedič, abrazit, hardox apod.). Zajímavé jsou i povrchové úpravy plášťů, kde se uplatňuje řada technologií.

-245-

uspořádání v řadě

hvězdicové uspořádání

Obr. 243 Schéma sestavování zásobníků různých průřezů do baterií

7.3.3 SILA Silo je zásobník, který se vyznačuje vetší výškou prizmatické části nádoby zásobníku. Jejich konstrukce je zcela identická se zásobníky z pohledu průřezů nádoby, umístění výpustí i použití materiálů. Velká výška sloupce skladovaných materiálů ve vztahu k průřezu, resp. k průměru nádob vyžaduje technická řešení při odběru materiálu, kde jsou větší tendence ke vzniku klenbových efektů, kdy materiál se vzpříčí a vzniklá klenba musí být porušena. Vzniká otázka, kde je hranice mezi zásobníkem a silem. Odpověď je v tzv. sypném úhlu „φ“. Jde o úhel přirozeného sklonu materiálů. Tento úhel je měřitelný u skládek, kdy volným sypáním vzniká kužel, který má površku ve vztahu k vodorovné ploše pod úhlem φ. Tento úhel je charakteristický pro řadu materiálů, které lze sypat. Tak tomu je i v případě, že je výraz sypká látka problematický.

SPSKS úhel přirozeného sklonu některých materiálů úhel přirozeného druh materiálu sklonu φ[°] 30 - 35 písek vlhký 25 jíl suchý 20 - 25 štěrk suchý 25

druh materiálu písek suchý písek mokrý jíl mokrý štěrk mokrý

úhel přirozeného sklonu φ[°] 40 40 - 45 35 - 40

Poznámka: Přirozený sklon nebo sypný úhel se s ohledem na mechaniku zemin nesmí plést s tzv. úhlem vnitřního tření, což je jiná měřitelná veličina, která souvisí s pevností ve smyku. φ

φ

φ

Obr. 244 Schéma přirozeného sklonu sypkých materiálů a tvar kužele

-246-

φ

φ

φ

zásobník

silo

Obr. 245 Rozdíl mezi zásobníkem a silem

Rozdíl mezi zásobníkem a silem spočívá v pomyslném vynesení sypného úhlu (úhlu přirozeného sklonu) tak, že počátek je umístěn v bodu největšího příčného rozměru pláště sila a zužující se části. Pokud tato pomyslná přímka protíná plášť zásobníku, nazývá se takový zásobník silem. Pokud tato přímka neprotíná plášť, jde o zásobník. Z uvedeného vyplývá, že terminologicky rozdělit konstrukci zásobníku a sila nezávisí na jejich „štíhlosti“, ale také na materiálu, který je skladován, resp. jeho sypném úhlu.

SPSKS

7.3.4 BUNKRY A POLOBUNKRY

Bunkry jsou zásobníky, které se vyznačují dominací šikmých stěn, které jsou pláštěm zásobníku. To znamená, že vede po celé délce bunkru. Bunkry bývají zásobníky, které využívají např. šikmých ploch přímo v lomu. Jejich výpusť je na svislé stěně. Polobunkry se odlišují od bunkrů tím, že jde o konstrukci z oceli nebo betonu a výpustí. Výpusť je zde štěrbinovitá. To znamená, že je po celé délce polobunkru (kolmice k nárysně). Materiál se nevypouští gravitací, ale je vyhrnován ze štěrbiny tzv. properely. To jsou rotující lopatky, které podhrabují uskladněný materiál.

stěna

výpust pásové dopravníky

properely

svah v terénu

bunkr

polobunkr

Obr. 246 Schéma řešení bunkru a polobunkru

-247-

7.4 VÝPUSTĚ - UZÁVĚRY Výpustě jsou konstrukční uzly, které mají funkci uzávěrů zásobníků. Pro plynné a kapalné látky jsou uzávěrem ventily. Vlastní vyprazdňování objemu zásobníku zde není problém. Pouze v případě vysoké viskozity některých kapalin kombinovaných s nízkými teplotami je nutné ventily a jejich okolí předehřívat. Uzávěry jsou používány tam, kde postačuje z technologických důvodů pouze požadavek na otevření a uzavření. Negativním vymezením funkce uzávěru je skutečnost, že má omezené možnosti dávkování. Uzávěry pro sypké látky vyžadují dodržení určitých zásad. Je tomu tak proto, že zrnitý materiál při svislém pohybu ve směru gravitace musí v zužující se části tělesa zásobníku vykonávat i vodorovný pohyb. Tento způsobuje vznik klenbových efektů. Ty dokáží zadržet pohyb zrnitého materiálu. Vznik klenbových efektů je ovlivněn mnoha faktory. Mezi ně patří tvar zrn, tření zrno – stěna, obsah vody a její skupenství, tvar průřezu uzávěru apod.

svislý a vodorovný pohyb zrna svislý a vodorovný pohyb zrna + tření o stěnu

SPSKS

Obr. 247 Pohyb zrn při vyprazdňování zásobníku, velikost strany čtvercové výpusti

Z obrázku 247 je také patrné, že musí existovat nějaký vztah mezi velikostí zrn a rozměry výpustě. Empiricky byl odvozen základní vztah: S = k . (5 . d)2, kde: S[m2] - plocha výpustě k[-] - součinitel bezpečnosti 1,4 d[m] - ekvivalentní průměr zrna. Praxe ukazuje, že výpust kruhového průřezu může být až o 15 % menší, než je tomu u čtvercového průřezu. U jemných frakcí materiálu, jako jsou např. cement nebo suchý písek, jsou však výpustě větší. Důvodem je potřeba určitých hodnot vypuštěného množství za jednotku času. Geometrická interpretace vzorce pro čtvercový otvor je znázorněna na obrázku 247, kdy pro zrna o rozměru pod d = 50 mm platí, že strana čtvercové výpusti je rovna šestinásobku průměru zrna. Základní konstrukce výpustí pro zrnité materiály jsou patrné z obrázku 248. V oboru těžba a zpracování kamene je nejpoužívanějším uzávěrem segmentový. Zvonový uzávěr vyžaduje vedení táhla zásobníkem a při uzavírání se vyskytují velké síly. Šoupátkový uzávěr je použitelný pro materiály s nízkou sypnou hmotností a menší zrnitostí.

-248-

Pohony, resp. ovládání uzávěrů, jsou možné mechanicky, pneumaticky, elektromechanicky, případně hydraulicky. Jedná se o lineární motory nebo šroubový mechanizmus.

segmentová

zvonová

šoupátková

Obr. 248 Schéma základních konstrukcí uzávěrů

7.5 DÁVKOVAČE Dávkování jako určitá technologická operace představuje proces, kdy je ze zásobníku odměřeno určité množství skladované látky, které je následně transportováno. Tato operace musí probíhat cyklicky nebo kontinuálně v čase. Opět platí, že pro kapaliny a plyny není problém dávkování, protože je odvislé od rovnice kontinuity. Proměnnou je zde průřez otevřených ventilů a rychlost proudění tekutiny, která je závislá především na tlaku. U sypkých látek je technologie dávkování složitější. Dávkování může být prováděno: - objemově, - hmotnostně.

SPSKS

Objemové dávkování je z hlediska konstrukce dávkovače jednodušší. Takový dávkovač pracuje na principu uzavření dávkované látky v určitém objemu a jeho následném vyprázdnění. Cyklus plnění a vyprazdňování lze řídit nejenom co do četnosti celého cyklu v čase, ale také jeho části. Dávkování tak může být cyklické i v podstatě kontinuální. Hmotnostní dávkování vyžaduje složitější konstrukci, která musí obsahovat váhy. Ty mohou být statické i dynamické. Dávkovače obvykle navazují na výpustě ze zásobníků a nahrazují tak jejich uzávěry. Konstruktéři však kombinují uzávěry s dávkovači pro případ poruchy dávkovače, kdy je třeba provést opravu.

-249-

dávkování objemové cyklické kontinuální dávkovače

sklopná odměrka

posuvnými objemovými měrkami

dávkovač s posuvným pohybem - pásový

dávkovač s posuvným pohybem – šnekový

SPSKS

kontinuální hmotnostní dávkování

bubnový podavač

turniketový podavač

snímač tenzometr

vážící pásový dávkovač

Obr. 249 Schéma dávkovačů

Ze schématických obrázků je patrný způsob řízení dávkování nebo materiálového toku. Regulovanou veličinou zde mohou být počty cyklů za jednotku času, které nabírají a vyprazdňují určitý objem. U kontinuálních podavačů pak mohou být regulovanou veličinou buď rychlost pásu, otáčky šneku nebo pohyb regulovatelnou štěrbinou, která je uzávěrem svého druhu.

-250-

7.6 VYHRNOVAČ – PROPEREL Vyhrnovač je rovněž dávkovač, který pracuje u štěrbinové výpusti. Tato se používá u velkokapacitních zásobníků - polobunkrů, kde lze skladovat tisíce tun zrnitého materiálu. Polobunkr (obr. 246) se nevyznačuje velkou výškou ve svislém směru. Jeho největším rozměrem je délka ve vodorovném směru, tedy ve směru kolmém k nárysně. Odběr materiálu v řádu tisíců tun za hodinu neumožňuje použití uzávěrů, které jsou popsány. V takovém případě má polobunkr namísto výpustě vodorovnou štěrbinu po své vodorovné délce. Z této štěrbiny materiál nemůže unikat. Vyhrnovač je pak vozík, který pojíždí podél vodorovné délky polobunkru. Tento je opatřen lopatkami, které rotují kolem svislé osy a vyhrabují materiál po vodorovné ploše na dopravník rovnoběžný ze štěrbinou. Obvykle jsou vyrhovače dva proti sobě souměrně k ose polobunkru.

konstrukce polobunkru

properel

přirozené vyhrnutí materiálu (štěrbina)

SPSKS

pásový dopravník

deska

pojezd properelu

Obr. 250 Schéma vyhrnovače u štěrbinové výpustě

7.7 PŘÍSLUŠENSTVÍ ZÁSOBNÍKŮ Zásobníky jsou z hlediska řízení výrobních procesů velmi složitou komponentou, protože jsou limitujícím faktorem zásobování a také vyrovnávají nerovnoměrnosti v technologickém procesu. Protože základním parametrem zásobníků je jejich kapacita v objemových nebo hmotnostních jednotkách, je nutné mít v každém okamžiku přehled o uskladněném množství skladovaného materiálu. K tomuto účelu slouží různá měřicí zařízení, která detekují u plynných látek jejich tlak při známém objemu. U kapalin a sypkých látek měříme nejčastěji výšku hladiny v zásobníku.

-251-

Konstrukce zásobníku musí být dále zabezpečena proti přetížení. U plynných látek toto jistí tlakové ventily, u kapalných a sypkých látek je opět nutné snímat maximální výšku hladiny. Řada skladovaných látek může být také environmentálním rizikem a je nutné zásobníky zabezpečit proti únikům skladovaných látek a jejich bezpečnost proti porušení plášťů zásobníků. U sypkých látek lze za příslušenství považovat i prostředky, které eliminují vznik klenbových efektů.

7.7.1 MĚŘENÍ VÝŠKY HLADINY Měření výšky hladiny u kapalných i sypkých látek je dnes prováděno především ultrazvukovými přístroji. Jsou na stejném základě jako výškoměry u letadel. Vysílač vyšle signál s frekvencí ultrazvuku. Ten se odrazí od hladiny nebo nasypaného povrchu a vrací se do detektoru. Z času, který ultrazvuk potřebuje, se vypočítá poloha hladiny. Existuje celá řada jiných měření, ale je nutné pamatovat na skutečnost, že optické řešení komplikuje prach, mechanické plováky nižší spolehlivost. Poloha hladiny je pak zpracována SW řídicího počítače nebo se stává součástí systému řízení linek nebo zásobování. 7.7.2 ZABEZPEČENÍ PROTI ÚNIKU SKLADOVANÝCH LÁTEK

SPSKS

U zásobníků na plyn je přetížení nebo únik detekovatelný změnami tlaku. SW řízení v takovém případě vedle signalizace obvykle přepouští skladovaný plyn do záložních zásobníků. Zásobníky na kapaliny jsou instalovány tak, že mají dvojitý plášť nebo stojí v jakémsi bazénu, který spolehlivě zachytí vytékající kapalinu. V případě sypkých látek bývají havárie méně nebezpečné, vyjma prachu u jemných frakcí. 7.7.3 PROSTŘEDKY ELIMINACE KLENBOVÝCH EFEKTŮ Fyzikální princip vzniku nahodilých kleneb souvisí se třením v zrnitých materiálech a nutnosti vodorovného pohybu zrn za současného působení tlaku ze shora. K porušení kontaktů jednotlivých zrn může dojít vibrací, odtlačením nebo načeřením. V případě použití vibrací platí pro mikropohyby zrn stejné závislosti, které jsou popsány u vibračních třídičů. Na kuželovou nebo jehlancovou část zásobníku se připevní jednoduché vibrátory s kruhovou vibrací. Tyto jsou propojeny pláštěm zásobníku. Proto zde v závislosti na tuhosti pláště dochází k efektům, které mění podmínky tření u kontaktních míst zrn. Zdrojem energie je rozvodná síť. Odtlačení, které je v obecnější rovině možné považovat za změnu geometrie dolní části zásobníku, je možné zajistit pneumatickými vaky. Ty se při zatížení tlakem vzduchu deformují a klenbu zlomí v místech pomyslného klenáku. Zdrojem energie je zde stlačený vzduch. Zčeření jemných zrnitých materiálů jako fyzikální princip je popsáno u čeřicích žlabů. Stlačený vzduch je pouštěn soustavou drobných otvorů po obvodě kuželové části zásobníku. Takto načeřená směs se v závislosti na poměru objemu částic a vzduchu počne chováním podobat kapalině, která teče ve směru gravitace. Zdrojem energie je zde stlačený vzduch.

-252-

pneumatické měchy

vzduch

vzduch

vibrátory

čeřením

Obr. 251 Schéma konstrukčního řešení uvolňování klenby v zásobnících

8.0 STROJE A ZAŘÍZENÍ PRO MOKRÉ PROCESY ÚPRAVY Řada technologických procesů úpravy materiálů může nebo musí probíhat za přítomnosti vody. Za příklad může sloužit těžba z vody, hydraulická doprava, bezsítné třídění apod. Technologický aspekt vody vyžaduje určité rozdělení vody podle její přítomnosti. Bez zvláštní ambice na přesnost je základní rozdělení možné na: - chemicky vázaná voda, - kapilárně vázaná voda, - volná voda.

SPSKS

Chemicky vázaná voda se vyskytuje s ohledem na obor vzdělávání v minerálech nebo krystalických chemických látkách. Jako příklad lze uvést: CuSO4 . 5 H2O modrá skalice ZnSO4 . 10 H2O bílá skalice FeSO4 . 7 H2O zelená skalice Na2Co3 . 10 H2O soda CaSO4 . 2 H2O sádrovec Pokud technologie vyžaduje (např. při výrobě sádry) zmenšit množství vody, je nutné horninu složenou z minerálu sádrovce vystavit vysoké teplotě. Tato teplota je vyšší než teplota varu vody, tedy 100 °C. Procesy spojené se snížením vody se nazývají pálení a nesouvisí s ničím, co by bylo srovnatelné s jakýmsi vyvařením vody. Kapilárně vázaná voda souvisí s fyzikálními jevy zvanými kapilární elevace (vzlínavost) a kapilární deprese. Základním modelem je hladina libovolné kapaliny, do které se ponoří kapilára, což je trubice s velmi malým průměrem nebo štěrbina mezi dvěma deskami. Kapilární elevace způsobuje vytažení hladiny do větší výšky, než je vlastní hladina kapaliny. U kapilární deprese je tomu naopak. Oba kapilární jevy jsou patrné z obrázku 252.

-253-

kapilární elevace

kapilární deprese

Obr. 252 Schéma kapilárních jevů

Oba jevy se vyskytují při styku kapaliny s pevnou látkou, např. u stěn nádoby (sklenice). V kapiláře, která má velmi úzký prostor tento jev zvedá nebo snižuje hladinu. Velikost kapilárních sil a jejich směr jsou dány druhem kapaliny a také materiálem stěn nebo kapiláry. Elevaci zaznamenáme u kombinace skla a vody za podmínky odmaštěného skla. Deprese je charakteristická pro sklo a rtuť. Povrch zrn, pokud nejsou např. leštěna, poskytuje velké množství kapilár. Voda se proto na povrchu drží kapilárními silami. Proti těmto silám působí gravitace. Při vyrovnání obou sil tak na namočeném materiálu ulpívá právě tolik vody, kolik unesou kapilární síly v gravitačním poli. Tento mechanizmus způsobuje např. nasávání kapaliny knotem v lampě nebo svíci. Tyto síly udržují vodu v namočené textilii apod. Pokud se chceme zbavit této vody, musí se ve vodě buď snížit její kapilární schopnosti (např. smáčedly), nebo je nutné nechat vodu odpařit (např. sušením nebo ofukováním proudem vzduchu). Poslední možností je vystavit kapilární vodou kontaminovaný materiál zrychlení většímu, než je gravitační. Toho lze dosáhnou odstředivou silou nebo vibracemi. Kapiláry vznikají také u jemnozrnných materiálů v místech dotyku zrn. Takovým prostředím mohou být vrstvy zemin složené z jemnozrnných materiálů. Hydrogeologie pak hovoří o volné hladině vody. Nad touto hladinou je hladina kapilární, kde jsou všechny póry mezi zrny vyplněny vodou. Nad hladinou kapilární vody je vody folikulární, kde je vody mezi zrny již nesouvislá nebo může být úplně bez vody. Pro zjednodušení úvahy si představme válec ze zrnitého materiálu, který ponoříme do nádoby s vodou podle obrázku 253.

SPSKS funikurální a pendulární voda

hladina kapilární vody kapilární voda

hladina volné vody volná voda např. podzemní voda

Obr. 253 Voda v zeminách a zrnitých materiálech

-254-

Výška kapilární vody od volné hladiny (kapilární výška) je u písků několik centimetrů, pro jemnozrnné materiály, jako jsou např. jíly, může být až v řádu několika desítek metrů. Z hlediska těžby jemnozrnných materiálů je třeba s touto vodou počítat v technologických procesech sekundárních úprav. Volná voda je pak voda, která se vyskytuje mezi zrny. Např. proto, že zrna jsou pod hladinou vody, ať už je to hladina podzemní vody nebo povrchové vody. Z pohledu technologie, kde je nutné s vodou nějak pracovat, rozeznáváme stroje a zřízení, která slouží k: - praní a čištění těženého materiálu – sprchy a pračky, - odvodňování – odvodňovače, zahušťovače a kalolisy, Znečistění (kontaminace) zrn je nejčastěji způsobeno zeminami. Ty se vyskytují při těžbě jako doprovodný materiál v případě těžby písků a štěrků, ať jsou těženy z vody nebo v suchých lomech. Znečistění se vyskytuje na povrchu zrn. Zeminy lze rozdělit v zásadě na tři skupiny, které jsou patrny z obrázku 254. Nesnadněji se pro technologii praní odstraňují zeminy se zrnitou strukturou, která je z hlediska terminologie složení zemin zeminou písčitou. Nejobtížnější pro rozplavení proudem vody jsou zeminy se strukturou houbovitou, což jsou přilnavé kaolinitické, illitické nebo montmorinolitické jíly. Poznámka: Pojem rozplavitelnost zemin si lze osvětlit na myšlenkovém pokusu. Pokud vhodíme do vody určitý objem písku nebo písčité zeminy, tak se ve vodě rozplyne při mírném zamíchání do celého objemu nádoby s vodou. Vznikne tak disperze částic v disperzním prostředí – vodě. Stane se tak i bez míchání. Méně rozplavitelné zeminy a v extrémním pojetí např. jílovité zeminy při vhození do vody klidně drží původní tvar vhozeného objemu, např. hroudy. Bez jejich hnětení, promačkávání a čeření vody jsou časy vytvoření disperze ve vodě mimořádně dlouhé.

SPSKS

zrnitá

voštinová

houbovitá

Obr. 254 Možné struktury zemin

8.1 SPRCHY Sprchy jsou relativně jednoduchá technická zařízení, ve kterých je proud tlakové vody přiváděn do trysek, kde se tlaková energie mění podle bernoulliho rovnice na kinetickou energii (rychlost). Proud vody čistí materiál na povrhu od nečistot, které znehodnocují jeho kvalitu. Takovými nečistotami jsou zeminy, ale může to být také prach nejjemnějších frakcí.

-255-

Nesnadněji se pro technologii praní odstraňují zeminy se zrnitou strukturou, která je z hlediska terminologie složení zemin zeminou písčitou. Nejobtížnější pro rozplavení proudem vody jsou zeminy se strukturou houbovitou, což jsou přilnavé kaolinitické, illitické nebo montmorilonitické jíly. Protože technologie sprchování vyžaduje „obracení zrn“, je tato technologie spojena s tříděním na vibračních sítech. Další možností jsou rotační síta s tandemovým uspořádáním apod. Trysky se instalují na vstupu, kde dochází k rozprostření materiálu. Nejčastěji se jedná o vibrační síta se síty nad sebou. Z pohledu technologie praní se sprchy zařazují při praní v pračkách na konec pracího procesu, kde slouží jako oplach po předchozím praní. Poznámka: Sprchy mají z technologického hlediska jakousi výhodu v čistotě produktu. Ta je dána skutečností, že při sprchování se znečistěná voda odvádí k čistění. Při praní se materiál pere ve znečistěné vodě. Toto snese srovnání s osobní hygienou, kdy můžeme srovnat koupel ve vaně a ve sprše. Vana poskytuje očistu s tím, že nečistoty na těle rozpustí do vody, ve které mohou znečistit čisté části těla. Sprcha nečistotu prostě okamžitě odvádí a přivádí vodu čistou. Mezi nejjednodušší konstrukce strojního zařízení pro praní patří sestava vibračního třídiče a sprchové baterie na obr. 255. Intenzivní vibrace při dalším postupu materiálu po skloněném sítu účinně oklepává vodu. Zvodnělé kamenivo s volnou vodou se tak vyskytuje pouze v podsítném posledního síta. Pro nadsítné všech sít platí, že vlivem vibrací zrna obsahují pouze kapilární vodu, tedy jsou mokrá. Z pohledu technologie došlo po vyprání k dehydrataci neboli zbavení volné vody.

SPSKS

přívod tříděného a praného materiálu

baterie vodní sprchy

síta třídiče

voda + podsítné + kontaminační složka cyklické odvádění rmutu

Obr. 255 Schéma sprch kombinovaná s vibračním třídičem

-256-

Podobná sestava pro praní sprchou může být konstruována jako prosté štěrbinové síto, kterého úkolem však není kamenivo třídit, ale přenášet na něj vibrace a účinně odvádět vodu. Taková konstrukce je stejná jako na obrázku 255, ale je zde pouze jedno síto.

8.2 PRAČKY Pračky jsou speciální zařízení, která jsou součástí linek na úpravu a zpracování zrnitých materiálů. Technologicky mají za úkol očistit zrnitý materiál od nečistot na jejich povrchu. Negativní definice spočívá v tom, že se nejedná o přídavné zařízení jiného stroje, jako je tomu u sprch. Základní rozdíl v technologii praní spočívá v tom, že pračky se integrují do linek v případě kontaminace zeminami se špatnou rozplavitelností. V takovém případě nestačí přítomnost vody, ale zemina musí být mechanicky rozrušována za přítomnosti vody. Mechanické rozrušení lze realizovat nuceným otěrem zrn mezi sebou nebo případně o lopatky mísicího zařízení, které vyvolávají nucený pohyb zrn. Takový postup je možný pod hladinou vody, což je ekvivalent koupele ve vaně (viz poznámka). Uvolněná zemina tak vytváří disperzi ve vodě a celý proces probíhá „ve špinavé vodě“, která se mění jenom pomalu. Proto se pračky při větším znečistění konstruují jako vícestupňové, kdy jsou zrna po nejhrubším očistění vynesena do další vodní lázně nebo dalších stupňů čistění. V následujících stupních je použito buď sprchy, která okamžitě znečistění odnáší, nebo je zde lázeň s vyšší čistotou. Velmi dobrým prostředkem, který rozrušuje mechanicky špatně rozplavitelnou zeminu, je použití vibrace. Mikropohyby částic a cyklická změna směru pohybu vyvolává kavitační jevy, které velmi účinně rozrušují houbovitou strukturu zemin. Pračky můžeme dělit podle pohybu materiálu na. - s nuceným pohybem materiálu (šnekové, nožové, bubnové), - vibrační.

SPSKS

8.2.1 PRAČKY ŠNEKOVÉ, NOŽOVÉ A BUBNOVÉ míchací a transportní šnek

vynášecí kolesa

odvod znečistěné vody

první stupeň praní (hustá disperze)

přívod čisté vody

výstup vypraného materiálu

přepážka

druhý stupeň praní („máchání“)

základní varianta šnekové pračky se sekundárním praním - plný šnek

-257-

žlab

šnekovice po obvodu

nožová konstrukce

Obr. 256 Schéma základních konstrukcí praček

SPSKS

Ze schématu šnekových a nožových praček je zřejmé, že nucený pohyb zrn se děje pod vodní hladinou. Šnekovice nebo soustava nožů prohrabuje vrstvu zrn, která tím nutí k otáčení a vzájemném otěru. Podle určitých parametrů se pak zrna posouvají ve žlabu podél osy šnekovice ve směru jejího stoupání a rotace. Takto dojde k rozplavení zeminy, která se oddělí od povrchu zrn a s vodou vytvoří disperzi zeminy ve vodě. Tato silně znečistěná voda je ze žlabu kontinuálně odváděna do recyklačního zařízení. Zrna se po vykonání pohybu podél osy stroje, dostávají k vynášecímu kolu. To je konstrukčně řešeno stejně jako jednokomorové koleso. Jeho korečky jsou vyrobeny z děrovaného plechu. Zrna jsou tak vyzdvižena nad úroveň hladiny a děrovaným korečkem se zbaví silně kontaminované vody. Po vyzdvižení jsou přesypána do části žlabu za přepážkou do vody, která je udržována s větší čistotou díky přívodu čisté vody a výskytu již vypraného kameniva. Tato lázeň sníží koncentraci kontaminované vody. Následně jsou zrna dalším kolesem stejné konstrukce vynesena mimo žlab. Zrna jsou po opuštění takto konstruované pračky mokrá, ale fakticky dvakrát vypraná. Pokud jejich čistota vyhovuje, lze prací proces pokládat za ukončený. Pokud jsou nároky na čistotu větší zařazuje se po této technologii oplach sprchou. Z hlediska toku materiálu jde o protiproud. Kamenivo postupuje proti postupu čisté vody. To má za následek postupné čistění kameniva. Výpusť technologické vody je pak umístěna v místech s největším znečistěním. Existují i další varianty konstrukcí šnekových a nožových praček pro praní materiálů s poněkud snadnější rozplavitelností a menším znečistěním. Tyto fungují jako jednostupňové, kdy se materiál nepere v další lázni (viz obr. 257).

-258-

přívod praného materiálu

naklápěcí šnekovice

odvod znečistěné vody

přívod čisté vody

vypraný materiál

šikmá vana (žlab)

Obr. 257 Schéma jednostupňové šnekové pračky Taková pračka obsahuje pouze šnekovici, která je obvykle výkyvná. Vana je uložena šikmo, šnekovice prohrabuje praný materiál a posouvá jej šikmo vzhůru po dnu vany proti proudu přiváděné čisté vody. Vypraný materiál pak opouští prostor vany buď přes přepážku, nebo okraj vany. Šnekovice se do tříděného materiálu buď spouští naklopením, nebo může být i trvale nakloněna s osou rovnoběžnou se dnem vany. Bubnové pračky neperou materiál ve žlabu, ale v rotujícím bubnu. Ten je nakloněn svojí osou tak, aby materiál při rotaci a unášení nálitky postupoval po směru osy. Pračku opouští materiál i kontaminovaná voda přes hradítko. Dále pak musí být materiál odvodněn. Z principu se tak jedná o jednostupňové praní, které je vhodné pro lehce rozplavitelné zeminy. Obecně pak existují varianty bubnových a šnekových praček, kde se mohou vyskytovat dvě šnekovice nebo je konstrukce v provedení „duble“ (dva stroje vedle sebe). I způsoby vynášení vypraného kameniva jsou různé. Vedle hradítek se mohou vyskytovat kuželová síta, vynášecí kolesa, ale i jiné podobné konstrukce, např. vynášením čerstvého betonu z mobilních domíchávačů.

SPSKS nálitky

přívod praného materiálu

přívod čisté vody

vypraný materiál přes hradítko + kontaminovaná voda

rotující buben

Obr. 258 Schéma bubnové pračky

-259-

8.2.2 VIBRAČNÍ PRAČKY Vibrační pračky se vyznačují vytvářením otěru a obracením jednotlivých zrn pomocí vibrací. Obecně je kmitavý pohyb velmi účinným nástrojem na rozrušení zemin nejenom rozplavením, ale i mechanizmy synezeze a především tixotropie. S ohledem na znalosti tvaru kmitání se zde používá výhradně kruhových vibrací. Obecná konstrukce je tvořena kmitajícím sítem a sprchou, ale není vyloučeno ani kmitání části síta pod vodou. Obvyklým rozdělením vibračních praček jsou: - vibrační pračka (bubnová), - vibrační třídicí pračka. V případě vibrační pračky bubnové se konstrukčně jedná obvykle o dva bubny, které jsou opatřeny na obvodovém plášti otvory pro odvádění kontaminované vody. Kombinací vodní sprchy a vibrací kameniva uvnitř válcových plášťů dochází k intenzivnímu otěru s odvodem nečistot. Osy bubnů jsou obvykle skloněny o 3°, ale lze docílit i postupu materiálu vhodným tvarováním vibrace. sprcha

pružiny

SPSKS odvod kontaminované vody

vypraný materiál

budič kmitů

Obr. 259 Schéma vibrační bubnové pračky

Vibrační třídicí pračka integruje vedle praní i mokré třídění materiálu. Z technologického hlediska je třeba pamatovat na podsítné pod dolním sítem, které mizí v kalech. Toto uspořádání totiž může kontaminovat vodu i složkami kameniva, které lze využít lépe. Postup materiálu po sítech proti gravitaci je možný díky tzv. usměrněné vibraci (případně asymetrické usměrněné vibraci). Toho se využívá u odvodňovačů, protože toto uspořádání velmi účinně zbavuje kamenivo i kapilární vody.

-260-

budič s usměrněnou vibrací

sprchy

přívod materiálu

odvod vody (přepad) odvod kalů

vypraný, roztříděný a odvodněný produkt hrubší síto jemnější síto

nádrž odvod kalů

Obr. 260 Schéma vibrační třídící pračky

8.3 ODVODŇOVAČE – DEHYDRÁTORY

SPSKS

Odvodňovače – dehydrátory, ale také kalolisy jsou strojní zařízení, která v technologii těžby a zpracování hornin zajišťují snížení množství volné a případně i kapilární vody. Voda se v technologickém procesu dostává jako nežádoucí složka finálního výrobku různými cestami. Může to být voda při těžbě z vody, transportní tekutina při vodní dopravě, zbytky vody po praní, ale také voda zadržená na volných skládkách vlivem povětrnostních podmínek. Samostatnou kapitolou jsou v technologickém procesu tzv. kaly, které je nutné dehydrovat. Pro některá použití materiálů je nepřípustný obsah vody. Klasickým příkladem je kamenivo do asfaltových betonů, protože kamenivo musí být suché. Sebemenší obsah vody by znemožnil přilnutí asfaltu na povrch. Technologie, které mají požadavek pouze na odvodnění zrnitých materiálů od volné vody, mají fyzikální princip založený na gravitaci. Pokud zvodnělou směs vystavíme účinkům gravitace, např. vyzdvižením nad hladinu v sítu, volná voda gravitací steče. Účinky gravitačního zrychlení lze zesílit použitím odstředivé síly. Technologie, které mají za cíl zbavit zrna kapilární vody, jsou mnohem náročnější a používají různých kombinací fyzikálních, ale i chemických metod, které mohou končit sušením, např. horkým vzduchem. Obecně platí, že čím jemnější frakce je nutné odvodnit, tím větší technologickou náročnost odvodňování vyžaduje. Důvodem je skutečnost, že drobné frakce mají při svém kontaktu více kapilár a menších rozměrů. Dále mají jemnější frakce při stejné hmotnosti mnohem větší povrch, který na sebe vodu váže. Jakmile velikost částic dosáhne 50 µm, zrna tvoří suspenzi (suspenze je disperze tuhých částic v disperzním prostředí – vodě). Pokud jsou částice ještě menší, na hranici 4 µm vzniká koloidní roztok. Odvodnění koloidního roztoku je problém, protože takováto velikost částic podléhá Brownovu pohybu. To znamená, že koloidní roztok není schopen sedimentace, jako např. suspenze. Technologicky proto odličujeme odvodňovače (dehydrátory) a zahušťovače. Dehydrátory odvodňují směsi zrnitého materiálu a vody. Zahušťovače pak oddělují disperze.

-261-

Poznámka: Pro základní orientaci v terminologii disperzí poslouží tabulka. disperzní prostředí

tuhé

kapalné

plynné

dispergovaná fáze

název hrubě disperzní soustavy

příklady

tuhá

tuhá směs

žula, šedá litina, sklo

kapalná

tuhá pěna

formela, tmely

plynná

tuhá pára

pemza

tuhá

suspenze

hašené vápno, barviva, maziva

kapalná

emulze

mléko

plynná

pěna

mýdlová pěna

tuhá

dým, kouř

popel ve vzduchu

kapalná

mlha, déšť

déšť

plynná

neexistuje

neexistuje

Z pohledu konstrukce strojů a zařízení, které slouží k odvodňování, můžeme tyto rozdělit na: - odvodňovací zásobníky, - korečkové odvodňovače, - šnekové odvodňovače, - vibrační odvodňovače.

SPSKS

8.3.1 ODVODŇOVACÍ ZÁSOBNÍKY

Odvodňovací zásobníky jsou zásobníky, které jsou pro odvodňování přizpůsobeny konstrukcí usnadňující odvod vody ve směru gravitačního zrychlení. Jde o libovolnou konstrukci zásobníku, která je navíc vybavena děrovanými drenážními kanály. Voda tak nemusí protékat mezerami mezi zrny v celé výšce. Uložení (poloha) odvodňovacích kanálů je různé a jde o empirické řešení. Tyto kanály odvedou gravitací přebytečnou vodu rychleji a snáze než její přirozený průtok. Míra odvodnění je pak úměrná velikosti zrn a časem pobytu zrn v zásobníku bez odběru a doplňování. Z praxe jsou ověřeny časy od 8 – 48 hodin. Z pohledu technologie jde pouze o to, aby byla k dispozici baterie zásobníků, která umožňuje zásobu na potřebný čas. Řízený odběr pak znamená, že skupina zásobníků distribuuje materiál. Skupina zásobníků má technologickou prodlevu k odvodnění a poslední skupina zásobníků je plněna. V běžné praxi funkci odvodňovacího zásobníku zvládne i dobře odvodněná volná skládka.

-262-

odvodňovací kanály

zásobník

Obr. 261 Odvodňovací zásobník se čtvercovým průřezem (možné uložení kanálů)

8.3.2 KOREČKOVÉ ODVODŇOVAČE

SPSKS

Korečkové odvodňovače jsou velmi rozšířené stroje. Jejich základem je koreček konstrukčně podobný korečku na kolesech nebo korečkových řetězech rypadel. Koreček je však vyroben z děrovaného plechu nebo obecněji síta. Odvodňovaný materiál je kontinuálně nabírán korečky a vynášen nad hladinu. Pohyb korečku je pomalejší, než je tomu u těžby, protože voda je z nabrané dávky odvodňovaného materiálu odváděna pouze gravitací. Odvodněné kamenivo je následně z korečků vysypáno a odvedeno. Míra odvodnění není příliš vysoká a technologové často za těmito odvodňovači řadí ještě odvodňovače vibrační. Jejich předností je jednoduchost, spolehlivost a výkon. Kruhový korečkový odvodňovač je také součástí pračky na obr. 256, kde vynášecí kolesa nejsou ničím jiným než odvodňovači, protože první odvodňovač zbaví materiál silně kontaminované vody do další čistější lázně. Druhé vynášecí koleso pak odvodní tříděný materiál z druhé lázně a vysype jej mimo pračku. Odvodňovač tak nemusí být samostatné strojní zařízení, ale může být integrován do zařízení jiného. Řetězový korečkový odvodňovač může z principu poskytovat delší časy pro odvodnění gravitací bez nároku na zvětšení rozměrů strojního zařízení. Na obrázku 262 je veden šikmo, ale může být i ve svislé poloze. V takovém případě se jedná o korečkový elevátor s funkcí odvodňovače. Z technologického hlediska lze takové transportní a odvodňovací zařízení používat v případě odběru volných skládek pod hladinou vody u těžby z vody.

-263-

odvod odvodněného materiálu

přívod materiálu

kruhový korečkový odvodňovač

řetězový korečkový odvodňovač

Obr. 262 Schéma korečkových odvodňovačů

8.3.3 ŠNEKOVÉ ODVODŇOVAČE Šnekové odvodňovače jsou opět jednoduchá zařízení pro kontinuální odvodňování zrnitých materiálů, kde se jedná o heterogenní směs a ne disperzi nebo suspenzi. Jejich technologickou výhodou je vysoký výkon, spolehlivost a konstrukční jednoduchost. Konstrukce je identická se šnekovým dopravníkem ve žlabu, ale v šikmé poloze. Fyzikální princip odvodňování je opět gravitace. Jistou výhodou je skutečnost, že vysegregovaná voda teče proti proudu odvodňovaného kameniva a dochází zde tedy k určité formě dodatečného oplachu protiproudem.

SPSKS

Obr. 263 Schéma šnekového odvodňovače

-264-

8.3.4 VIBRAČNÍ ODVODŇOVAČE Princip vibračních odvodňovačů je velmi podobný vibračním třídičům. Rozdíl v konstrukci je pouze v tom, že obvykle mají opačný sklon, tzn. že odvodněný materiál postupuje šikmo proti gravitaci (vzestupně). Důvod opačného sklonu je v potřebě vystavit odvodňovaný materiál vibracím po dostatečnou dobu. Síta vibračních odvodňovačů jsou obvykle štěrbinová s mezerami šířky 0,25 – 0,5 mm. Fyzikální princip odvodnění vibrací souvisí s proměnlivým zrychlením, které vzniká jako vektorový součet gravitačního zrychlení a zrychlení vibrací. Dále se pak na dobrém odvodnění podílí jev, který se nazývá tixotropie. Vibrační odvodňovače svedou odvodňovat i velmi jemné frakce na hranicích disperzí a koloidů. V takovém případě vykonávají funkci zahušťovačů. Poznámka: Tixotropie je vlastnost některých především koloidních (zvláště jemnozrnných) látek za nezměněné teploty přecházet do kapalného stavu. S takovým jevem se lze setkat v praxi u nátěrových hmot, které mají strukturní viskozitu. Po otevření obalu jsou velmi tuhé, ale po chvilce míchání ztrácejí viskozitu a jsou „tekutější“. Dobře se následně nanášejí v tenké vrstvě na povrch, kde následkem klidu opět tekutost ztrácejí.

budič s usměrněnou vibrací přívod materiálu

SPSKS štěrbinové síto

nádrž odvod vody

Obr. 264 Schéma vibračního odvodňovače

-265-

odvodněný produkt

sprcha na vibračním třídiči

detail kruhového korečkového dehydrátoru na šnekové pračce

Obr. 265 Fotografie konstrukčního řešení praček a dehydrátorů

8.4 ZAHUŠŤOVAČE Zahušťovače slouží ke snížení obsahu vody u kalů, které jsou produktem praní, např. kameniva. Jedná se o vodní suspenze nebo až koloidní roztoky. Dalším technologickým užitím zahušťovačů je technologie zpracování např. kaolínu a keramických hlín. Základním rozdílem mezi odvodňováním a zahušťováním je složení dispergované složky a její zrnitost. Fyzikální princip zahušťování je složitější, protože zrnitost disperzních nebo koloidních částic je malá a začínají se zde uplatňovat i elektrostatické síly. Pokud jsou tyto síly přibližně stejné velikosti jako síly gravitační, postačí jejich odpudivá síla k nemožnosti se částicím shlukovat. Zahušťování proto vyžaduje vedle využití gravitace k sedimentaci ještě další fyzikální princip, kterým je neutralizace odpudivých elektrostatických sil. Proto se do kalů přidává elektrolyt vhodným dávkováním a mísením. Za takové elektrolyty lze považovat vápno, síran železnatý nebo některé soli hliníku. Kromě anorganických elektrolytů lze použít i organické látky s podobnými účinky. Mezi ně patří škrob, klih a deriváty celulózy. Ještě dokonalejšími látkami jsou tzv. flokulační činidla. To jsou látky, které vedle eliminace odpudivých elektrostatických sil vyvolávají koagulaci. To znamená, že jemné částice spojí do větších shluků, které obvykle připomínají vločky. Takovéto větší částice jsou pak schopny v gravitačním poli sedimentovat. Kaly, nebo obecněji suspenze, obsahují 15 – 30 % sušiny a 70 – 85 % vody. Fyzikální principy zahušťování po flokulaci mohou být tyto: - sedimentace (nádrže, kuželové a kruhové zahušťovače), - vakuování – filtrace (vakuové filtry, lisy), - odstředivá síla (odstředivé zahušťovače).

SPSKS

8.4.1 SEDIMENTAČNÍ NÁDRŽE Sedimentace je principem několika konstrukcí zahušťovačů. Nejjednodušší konstrukce je ukládání disperzních látek do vytěžených prostor nebo vyhloubených jam. Jde o zemní konstrukci z hlediska stavebního podobnou rybníku. Do nich se přivádějí disperzní látky s volnou hladinou. Voda je odváděna odparem a někdy je přípustný i její průsak do podloží. Takto jsou deponovány např. elektrárenské popílky nebo disperze hlušiny v rudném hornictví. Trvá obvykle řadu let, než se disperze vysuší natolik, že její povrch se stává únosným. Tato

-266-

technologie nemá za cíl recyklovat vodu a vracet ji zpět do původní technologie. Přebytečná voda je odváděna ryze přírodními procesy a konstrukcí stěn a dna nádrže. Po vyčerpání projektované kapacity takové nádrže se její povrch pokryje ornicí a rekultivuje. Sedimentační nádrže, jako např. nádoby z kovu nebo plastu, se používají k čištění ropy nebo jako součást recyklace vody v kamenických provozech, kde je sedimentem produkt abrazivních metod obrábění kamene (vrtání, broušení, leštění apod). Sedimentace je zde cyklickou technologií, kdy se nádrž po dosažení určité výšky vybere a zahuštěný kal se deponuje nebo zpracovává.

8.4.2 KUŽELOVÉ ZAHUŠŤOVAČE Sedimentace u kuželových zahušťovačů probíhá v nádrži kuželovitého tvaru. Disperze se přivádí do prostoru zahušťovače středem. Důvodem je eliminace víření. Po flotaci klesají koagulované částice gravitací ke dnu. Vyčeřená voda přetéká přes horní okraj obvodového odváděcího žlabu. Zahuštěné kaly se pak cyklicky vypouštějí po dosažení určité výšky v nádrži. Odváděcí žlab je ustaven velmi přesně do vodorovné polohy. Tím se dosáhne toho, že vyčeřená voda odchází ve velmi tenké vrstvě. Tato technologie se může používat v několika stupních za sebou. Její výhodou je možnost vyčeřenou vodu použít zpět v technologii úpravy, což má zásadní význam pro ochranu životního prostředí.

8.4.3 KRUHOVÉ ZAHUŠŤOVAČE

SPSKS

Kruhové zahušťovače jsou nízké válcovité nádoby. Jejich průměr je v řádu až desítek metrů, výška 2 – 4 m. Do této nádrže se přivádí disperze s flokulantem. Obvykle je přívod realizován otočným ramenem, které při rotaci přivádí vrstvu suspenze na hladinu nádrže. Koagulovaná disperze gravitací klesá ke dnu. Při dnu nádrže se pohybuje další rameno, které je osazeno hřeblovými lopatkami. Tyto seškrabují usazeninu ze dna nádoby a posouvají ji ke středu nádoby, odkud je následně odváděna. Pohyb ramene s hrably je velmi pomalý, aby nedocházelo k čeření. Obvodová rychlost je 7 – 8 m . min-1. U velmi jemných kalů se ještě snižuje. Odvod vody je opět přes hranu válcové nádoby. Tato hrana musí být velmi přesně nivelována, aby voda odtékala v tenké vrstvičce. Konstrukce nádob mohou být ocelové, ale dnes jsou častěji z plastu nebo kompozitu.

-267-

rameno pro přívod disperze

odvod sedimentu

rameno s hřeblovými lopatkami

odvod vody

odvod vody

přívod disperze

odvod sedimentu

SPSKS

kuželový zahušťovač

kruhový zahušťovač

Obr. 266 Schéma kuželového a kruhového zahušťovače

8.4.4 VAKUOVÉ ZAHUŠŤOVAČE Fyzikální princip vakuových zahušťovačů spočívá ve vynucení filtrace. Filtr si lze představit jako síto s velmi malými otvory, kde se již uplatňují u zvodnatělých disperzí kapilární jevy, které nedovolí průchod částic. Gravitační síly jsou u filtrace obvykle nedostatečné, avšak lze je znásobit účinky podtlaku nebo kombinací přetlaku a podtlaku. Filtr obecně plní úlohu přepážky, která je schopna propustit vodu, ale nikoli koagulovanou disperzi. Nejpoužívanější konstrukcí je vakuový bubnový filtr, který je kontinuální technologií. Plášť bubnu je tvořen kostrou potaženou filtračním materiálem. Buben rotuje kolem vodorovné osy a jeho povrch je smáčen v disperzi. Uvnitř bubnu je vývěvou vytvářen podtlak. Suspenze ve vrstvě je tak vystavena silám, které odvádí vodu přes filtrační materiál. Pevná složka pak v důsledku ztráty vody vytváří tzv. filtrační koláč. To je vrstva polotuhého materiálu. Tento je následně před opětovným ponořením do lázně s disperzí odloupnut stěračem a odveden. Póry filtračního materiálu jsou cyklicky čištěny tak, že se uvnitř bubnu vytvoří kompresorem přetlak, jenž vytlačí z pórů pevné částice, které jsou setřeny. Následně se opět vytvoří podtlak.

-268-

8.4.5 LISY (KALOLISY)

desky

sevření sestavy

SPSKS

rámy

přívod suspenze

přetlak (atmosférický tlak)

dehydrovaný koláč

Fyzikální princip filtrace je účinný jedině tehdy, když máme k dispozici dostatečnou sílu, která dokáže protlačit kapalnou fázi (nejčastěji vodu) disperze miniaturními póry filtračního materiálu. Jednou z možností je použití lisů, které jsou schopny vyvolávat vysoké tlaky v určitém uzavřeném objemu. Taková zařízení jsou logicky cyklická. Existují však i konstrukce, kde je proces lisování kontinuální. V uzavřeném prostoru není technicky problém vyvolávat vysoké hodnoty tlaku na zahušťovanou disperzi. Nejčastější konstrukcí je rámový kalolis. Jádrem zařízení je sestava rámů a desek, které jsou spojeny v jeden celek předpjatými šrouby, jež svírají sestavu deka - rám. Desky jsou potaženy filtrační tkaninou, která je schopna odvádět vodu. V rozích desek i rámů jsou po jejich sestavení kanály pro přívod suspenze (rámy) a odvod filtrátu (desky). Přívodními kanálky se do uzavřeného prostoru pod tlakem asi 0,6 MPa vhání suspenze. Disperzní prostředí, tj. kapalina (voda), se odvádí dalšími kanálky ven. Po naplnění komor se rámy a desky rozdělají a z prostoru se vybere filtrační koláč.

vakuový bubnový filtr

filtry

odvod vody

stěrač

vana

podtlak

přívod suspenze

sestava rámového kalolisu

Obr. 267 Schéma zahušťovačů na bázi tlaku

8.4.6 ODSTŘEDIVÉ ZAHUŠŤOVAČE Fyzikální princip odstředivých zahušťovačů je odvozen od odstředivé síly. Odstředivé zrychlení je technicky nejsnazší vyvodit rotací. Ta je možná v uzavřeném prostoru v rotační nádobě a princip fungování je podobný jako u odstředivky. Další technicky často využívanou možností je přivedení tekutiny tečně do kruhové nádoby relativně vysokou rychlostí. Ta dosahuje hodnot 3 – 10 m . s-1. Proud tekutiny musí kopírovat vnitřní plášť kruhové nádoby.

-269-

Tento pohyb vyvozuje odstředivé zrychlení, které se sčítá se zrychlením gravitačním. Částice, které tvoří suspenzi, jsou těžší, a proto překonávají viskozitu suspenze a pohybují se směrem ke stěně nádoby. V dolní kuželové části nádob se proud mění na vzestupný a unáší lehčí částice nahoru. Technicky správný název odstředivých zahušťovačů je hydrocyklon. Identickým zařízením, které se nazývá cyklón, pracuje s disperzí na bázi vzduch – pevné částice (dým, kouř). Tato zařízení čistí např. prašné provozy a technologie. Tento fyzikální princip je z pohledu řízení a technologie relativně snadno ovladatelný regulací rychlostí na vstupu do hydrocyklónu. Takto lze dosáhnout tak přesných poměrů v chování suspenze, že je možné oddělovat dispergované částice podle hmotnosti. Takto lze oddělit jemné frakce kameniva od hlinitých a jílovitých příměsí. Zařízení pracuje kontinuálně.

odstředivá síla

odvod kapaliny a lehčích částic

SPSKS

odstředivá síla

plášť hydrocyklonu

odvod hmotnější frakce

Obr. 268 Schéma hydrocyklónu

-270-

gravitace

tangenciální přívod suspenze

tangenciální přívod suspenze (půdorys)

OBSAH SLOVO ÚVODEM 1.0 STROJE A ZAŘÍZENÍ PRO DOPRAVU A MANIPULACI 1.1 STROJE PRO SVISLOU DOPRAVU A MANIPULACI 1.2 JEŘÁBY 1.2.1 JEŘÁBY MOSTOVÉ 1.2.2 JEŘÁBY PORTÁLOVÉ 1.2.3 JEŘÁBY POLOPORTÁLOVÉ 1.2.4 JEŘÁBY SLOUPOVÉ 1.2.5 JEŘÁBY VĚŽOVÉ 1.2.6 JEŘÁBY LANOVÉ 1.2.7 JEŘÁBY VÝLOŽNÍKOVÉ 1.2.8 JEŘÁBY KONZOLOVÉ 1.2.9 STABILITA JEŘÁBŮ 1.2.10 PŘÍSLUŠENSTVÍ JEŘÁBŮ 1.2.10.1 LANOVÉ PŘEVODY - LANA 1.2.10.2 NAVIJÁKY 1.2.10.3 KOČKY 1.2.10.4 HÁKY A MANIPULAČNÍ PROSTŘEDKY 1.3 JEDNODUCHÁ ZDVIHADLA 1.3.1 ZVEDÁKY 1.3.2 KLADKOSTROJE 1.4 VÝTAHY 1.4.1 OSOBNÍ VÝTAHY 1.4.2 NÁKLADNÍ VÝTAHY 1.4.3 POHONY VÝTAHŮ A ZABEZPEČOVACÍ ZAŘÍZENÍ 1.4.4 ZDVIHACÍ A SPOUŠTĚCÍ PLOŠINY 1.5 ELEVÁTORY 1.6 VYSOKOZDVIŽNÉ VOZÍKY 1.6.1 ZDVIHACÍ ZAŘÍZENÍ VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ 1.6.2 PODVOZKY VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ 1.6.3 HNACÍ AGREGÁTY VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ 1.6.4 STABILITA A OVLÁDÁNÍ VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ 1.6.5 PŘÍDAVNÁ ZAŘÍZENÍ PRO VYSOKOZDVIŽNÉ VOZÍKY 1.6.6 VYSOKOZDVIŽNÉ VOZÍKY S BOČNÍM ZDVIHEM 1.6.7 VARIANTY KONSTRUKCÍ VYSOKOZDVIŽNÝCH VOZÍKŮ 2.0 STROJE PRO VODOROVNOU DOPRAVU 2.1 PÁSOVÁ DOPRAVA (DOPRAVNÍKY S TAŽNÝM ELEMENTEM) 2.1.2 KONSTRUKCE PÁSOVÝCH DOPRAVNÍKŮ 2.1.2.1 KONSTRUKCE DOPRAVNÍCH PÁSŮ 2.1.2.2 KONSTRUKCE VÁLEČKOVÝCH TRATÍ (HORNÍ VĚTVE) 2.1.2.3 KONSTRUKCE VÁLEČKŮ 2.1.2.4 STRÁŽNÍ VÁLEČKY 2.1.2.5 POHÁNĚCÍ STANICE A POHÁNĚCÍ BUBNY 2.1.2.6 NAPÍNACÍ ZAŘÍZENÍ 2.1.2.7 PŘÍSLUŠENSTVÍ PÁSOVÝCH DOPRAVNÍKŮ 2.2.1 NÁKLADNÍ AUTOMOBILY

SPSKS

-271-

1 2 2 2 4 8 9 10 12 14 15 17 17 21 21 25 27 28 30 30 33 36 36 37 38 38 39 42 43 44 45 46 46 47 48 48 49 49 49 50 52 52 53 54 55 56

2.2.2 DUMPERY 2.2.3 POHONY NÁKLADNÍCH AUTOMOBILŮ A DUMPERŮ 2.3 LANOVÁ DOPRAVA 2.3.1 POHONY LANOVÝCH DRAH 2.3.2 PODPĚRY VISUTÝCH LANOVÝCH DRAH 2.4 ŽELEZNIČNÍ (KOLEJOVÁ) DOPRAVA 2.4.1 KONSTRUKCE ŽELEZNIČNÍHO SVRŠKU 2.4.2 ROZCHOD KOLEJÍ 2.4.3 KOLEJNICE 2.4.4 TAŽNÁ ZAŘÍZENÍ KOLEJOVÉ DOPRAVY 2.4.5 VYKLÁDKA A VYPRAZDŇOVÁNÍ VAGÓNŮ 2.5 STROJE PRO DOPRAVU ŘÍČNÍ A NÁMOŘNÍ 2.5.1 NÁKLADNÍ ČLUNY 2.5.2 KONSTRUKČNÍ UZLY NÁKLADNÍCH ČLUNŮ 2.5.3 REMORKÉRY 2.6. ŠNEKOVÉ DOPRAVNÍKY 2.6.1 KONSTRUKČNÍ UZLY ŠNEKOVÝCH DOPRAVNÍKŮ 2.7 POTRUBNÍ DOPRAVA (PNEUMATICKÁ A HYDRAULICKÁ) 2.7.1 PODTLAKOVÁ DOPRAVA 2.7.2 PŘETLAKOVÁ DOPRAVA 2.7.3 KOMBINOVANÁ DOPRAVA 2.7.4 ČEŘICÍ ŽLABY 2.8 OSTATNÍ DRUHY VODOROVNÉ DOPRAVY 2.8.1 DOPRAVA KAPALNÝCH A PLYNNÝCH LÁTEK 2.8.2 ZÁVĚSNÁ DOPRAVA 2.8.3 HRNOUCÍ DOPRAVNÍKY 2.8.4 VÁLEČKOVÉ TRATĚ 2.8.5 DOPRAVNÍ SKLUZY 2.8.6 VIBRAČNÍ DOPRAVNÍKY 2.8.6.1 POHYBLIVÉ DOPRAVNÍ ŽLABY 2.8.6.2 TŘASADLA 2.8.6.3 DOPRAVNÍKY S MIKROVRHEM 2.8.7 VZDUCHOVÉ POLŠTÁŘE 3.0 STROJE A ZAŘÍZENÍ PRO TĚŽBU SYPKÝCH A ZRNITÝCH HMOT 3.1 ROZDĚLENÍ RYPADEL 3.2 PLOVOUCÍ RYPADLA 3.2.1 PLOVOUCÍ KOREČKOVÁ RYPADLA 3.2.2 PLOVOUCÍ DRAPÁKOVÁ RYPADLA 3.2.3 PLOVOUCÍ SACÍ RYPADLA 3.2.4 OBECNĚJŠÍ KONSTRUKČNÍ UZLY PLOVOUCÍCH RYPADEL 3.2.4.1 NAVIJÁKY 3.2.4.2 PLOVÁKY 3.2.4.3 POHONY PLOVOUCÍCH RYPADEL 3. 3 KOLESOVÁ RYPADLA 3.3.1 KONSTRUKCE KOLES 3.3.2 KONSTRUKCE VÝLOŽNÍKU 3.3.3 KONSTRUKCE PODVOZKŮ 3.3.4 DOPRAVNÍ CESTY KOLESOVÝCH RYPADEL

SPSKS

-272-

58 60 63 67 68 69 70 71 72 72 73 74 75 77 79 79 81 82 84 85 85 86 88 88 89 89 90 92 93 95 96 96 97 98 98 103 103 108 112 114 115 116 117 118 118 119 120 122

3.3.5 POHONY KOLES A OSTATNÍCH AGREGÁTŮ 3.4 KOREČKOVÁ RYPADLA 3.4.1 KOREČKOVÝ ŘETĚZ 3.4.2 VÝLOŽNÍKY KOREČKOVÝCH RYPADEL 3.4.3 DOPRAVNÍ CESTY 3.4.4 POHONY DOBÝVACÍHO ZAŘÍZENÍ A OSTATNÍCH AGREGÁTŮ 3.5 LOPATOVÁ RYPADLA 3.5.1 KINEMATIKA ROZPOJOVACÍCH ORGÁNŮ 3.5.2 PODVOZKY LOPATOVÝCH RYPADEL 3.5.3 LOPATY A OSTATNÍ NÁSTROJE LOPATOVÝCH RYPADEL 3.5.4 POHONY LOPATOVÝCH RYPADEL 3.6 RYPADLA S VLEČNÝM KOREČKEM - DRAGLINE 3.6.1 KONSTRUKCE VLEČNÉHO KOREČKU 3.7 HYDROMONITORY 4.0 VRTACÍ STROJE 4.1 TEORETICKÉ ZÁKLADY ROZPOJOVÁNÍ HORNIN PŘI VRTÁNÍ 4.1.1 MECHANICKÉ ROZPOJOVÁNÍ HORNIN 4.1.2 NEMECHANICKÉ (FYZIKÁLNÍ) ROZPOJOVÁNÍ HORNIN 4.2 MECHANICKÉ VRTÁNÍ - PRINCIPY 4.2.1 KONSTRUKCE VRTACÍCH KORUNEK PRO MECHANICKÉ VRTÁNÍ 4.2.2 KONSTRUKCE VRTÁKU 4.3 ZAŘÍZENÍ PRO VYPLACHOVÁNÍ VRTU 4.4 TECHNICKÉ ŘEŠENÍ PŘÍKLEPU PŘI VRTÁNÍ 4.5 TECHNICKÉ ŘEŠENÍ ROTACE NÁSTROJŮ S PŘÍKLEPEM 4.6 ROZDĚLENÍ A CHARAKTERISTIKA PŘÍKLEPNÝCH VRTACÍCH KLADIV 4.7 ROZVODY VRTACÍCH KLADIV 4.7 VRTACÍ SOUPRAVY 4.7.1 VÝVOJOVÉ TRENDY V KONSTRUKCI VRTACÍCH KLADIV 4.8 SBÍJECÍ KLADIVA 5.0 STROJE PRO ZDROBŇOVÁNÍ HORNIN 5.1 FYZIKÁLNÍ PRINCIP ZDROBŇOVÁNÍ 5.2 DRTIČE 5.3 STATICKÉ DRTIČE 5.3.1 ČELISŤOVÉ DRTIČE 5.3.1.1 DVOJVZPĚRNÝ DRTIČ 5.3.1.2 JEDNOVZPĚRNÝ DRTIČ 5.3.1.3 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ ČELISŤOVÝCH DRTIČŮ 5.3.1.4 ZABEZPEČENÍ ČELISŤOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM 5.3.1.5 PŘÍSLUŠENSTVÍ ČELISŤOVÝCH DRTIČŮ 5.3.2 KUŽELOVÉ DRTIČE 5.3.2.1 KUŽELOVÉ DRTIČE SE ZAVĚŠENÝM KUŽELEM 5.3.2.2 KUŽELOVÉ DRTIČE S PODEPŘENÝM KUŽELEM 5.3.2.3 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ KUŽELOVÝCH DRTIČŮ 5.3.2.4 ZABEZPEČENÍ KUŽELOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM 5.4 VÁLCOVÉ DRTIČE 5.4.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ VÁLCOVÝCH DRTICŮ

SPSKS

-273-

123 124 124 125 127 127 128 130 132 133 135 136 137 138 139 141 141 143 145 149 153 156 159 164 164 166 167 169 170 173 173 177 177 178 179 181 183 186 186 188 190 191 192 193 195 195

5.4.2 POHON VLÁCOVÝCH DRTIČŮ 5.5 DYNAMICKÉ DRTIČE 5.5.1 KLADIVOVÉ DRTIČE 5.5.1.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ KLADIVOVÝCH DRTIČŮ 5.5.1.2 POHON KLADIVOVÝCH DRTIČŮ 5.5.1.3 ZABEZPEČENÍ KLADIVOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM 5.5.2 ODRAZOVÉ DRTIČE 5.5.2.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ ODRAZOVÝCH DRTIČŮ 5.5.2.2 POHON ODRAZOVÝCH DRTIČŮ 5.5.2.3 ZABEZPEČENÍ ODRAZOVÝCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM 5.5.3 METACÍ DRTIČE 5.5.3.1 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ METACÍCH DRTIČŮ 5.5.3.2 POHON METACÍCH DRTIČŮ 5.5.3.3 ZABEZPEČENÍ METACÍCH DRTIČŮ PROTI NEDRTITELNÝM PŘEDMĚTŮM 5.6 MLÝNY 5.6.1 BUBNOVÉ MLÝNY 5.6.1.1 KULOVÉ BUBNOVÉ MLÝNY 5.6.1.2 TYČOVÉ BUBNOVÉ MLÝNY 5.6.1.3 AUTOGENNÍ BUBNOVÉ MLÝNY 5.6.1.4 PLANETOVÉ MLÝNY 5.6.1.5 VIBRAČNÍ MLÝNY 5.6.2 KOLOVÉ MLÝNY 5.6.3 TRYSKOVÉ MLÝNY 5.6.4 KLADIVOVÉ MLÝNY 6.0 STROJE PRO TŘÍDĚNÍ ROZPOJENÝCH HORNIN 6.1 TŘÍDICÍ STROJE A ZAŘÍZENÍ NA BÁZI SÍT 6.1.1 VLIV ŘAZENÍ SÍT 6.1.2 KONSTRUKCE SÍT 6.1.2.1 ÚČINNÁ PLOCHA SÍTA 6.1.2.2 ROZBOR PROCESU TŘÍDĚNÍ 6.1.3.1 NAKLONĚNÁ SÍTA 6.1.3.2 ROTUJÍCÍ SÍTA 6.1.4 VIBRAČNÍ TŘÍDIČE 6.1.4.1 GENERÁTORY VIBRACÍ 6.1.4.2 TVARY VIBRACE A TŘÍDÍCÍ PROCES 6.1.4.3 KONSTRUKCE SKŘÍNÍ VIBRAČNÍCH TŘÍDIČŮ A TLUMENÍ KMITŮ 6.1.4.4 ČÍSTĚNÍ SÍT VIBRAČNÍCH TŘÍDIČŮ 6.1.5 ROTAČNÍ TŘÍDIČE 6.2 STROJE PRO TŘÍDĚNÍ PODLE HMOTNOSTI ZRNA – BEZSÍTNÉ TŘÍDĚNÍ 7.0 ZÁSOBNÍKY A DÁVKOVÁNÍ MATERIÁLŮ 7.1 ZÁSOBNÍKY PRO PLYNNÉ PRODUKTY 7.2 ZÁSOBNÍKY PRO KAPALNÉ PRODUKTY 7.3 ZÁSOBNÍKY PRO SYPKÉ PRODUKTY 7.3.1 SKLÁDKY 7.3.1.1 SPODNÍ ODBĚR SKLÁDEK 7.3.2 ZÁSOBNÍKY

SPSKS

-274-

196 197 197 198 200 201 201 202 203 203 203 204 205 205 205 206 207 210 210 210 211 213 214 215 215 216 216 217 219 219 221 222 223 224 227 231 232 232 234 238 238 240 241 241 244 245

7.3.3 SILA 7.3.4 BUNKRY A POLOBUNKRY 7.4 VÝPUSTĚ - UZÁVĚRY 7.5 DÁVKOVAČE 7.6 VYHRNOVAČ – PROPEREL 7.7 PŘÍSLUŠENSTVÍ ZÁSOBNÍKŮ 7.7.1 MĚŘENÍ VÝŠKY HLADINY 7.7.2 ZABEZPEČENÍ PROTI ÚNIKU SKLADOVANÝCH LÁTEK 7.7.3 PROSTŘEDKY ELIMINACE KLENBOVÝCH EFEKTŮ 8.0 STROJE A ZAŘÍZENÍ PRO MOKRÉ PROCESY ÚPRAVY 8.1 SPRCHY 8.2 PRAČKY 8.2.1 PRAČKY ŠNEKOVÉ, NOŽOVÉ A BUBNOVÉ 8.2.2 VIBRAČNÍ PRAČKY 8.3 ODVODŇOVAČE – DEHYDRÁTORY 8.3.1 ODVODŇOVACÍ ZÁSOBNÍKY 8.3.2 KOREČKOVÉ ODVODŇOVAČE 8.3.3 ŠNEKOVÉ ODVODŇOVAČE 8.3.4 VIBRAČNÍ ODVODŇOVAČE 8.4 ZAHUŠŤOVAČE 8.4.1 SEDIMENTAČNÍ NÁDRŽE 8.4.2 KUŽELOVÉ ZAHUŠŤOVAČE 8.4.3 KRUHOVÉ ZAHUŠŤOVAČE OBSAH

SPSKS

-275-

246 247 248 249 251 251 252 252 252 253 255 257 257 260 261 262 263 264 265 266 266 267 267 268

SPSKS

-276-

SPSKS

-277-

SPSKS