In diesem Dokument wird der Kegelbrecherkopf detailliert beschrieben, eine Kernbrechkomponente, die mit dem festen Kegel zusammenarbeitet, um Materialien durch oszillierende Bewegung zu zerkleinern. Die Leistung wirkt sich direkt auf Durchsatz, Produktkörnigkeit und Verschleißfestigkeit aus. Der Aufbau einschließlich Kopfkörper (Kernstruktur), Verschleißauskleidung (Mantel), Lagerbohrung, Montagevorrichtungen und Belüftungs-/Gewichtsreduzierungshohlräume wird zusammen mit ihren strukturellen Eigenschaften beschrieben. Das Gussverfahren für den Kopfkörper wird ausführlich erläutert und umfasst Materialion (Stahlguss oder Sphäroguss), Modellherstellung, Formen, Schmelzen, Gießen, Wärmebehandlung und Prüfung. Auch die Bearbeitung des Kopfkörpers und der Verschleißauskleidung sowie die Montageschritte werden beschrieben. Zudem werden Maßnahmen zur Qualitätskontrolle festgelegt, wie Materialprüfung, Kontrolle der Maßgenauigkeit, Verschleißfestigkeitsprüfung, Montage- und Leistungsprüfung und zerstörungsfreie Prüfung. Diese Prozesse stellen sicher, dass der Kopf eine hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Maßgenauigkeit aufweist und so eine zuverlässige Leistung bei Hochleistungsbrechvorgängen gewährleistet.
Detaillierte Einführung in die Kegelbrecherkopfkomponente
1. Funktion und Rolle des Kegelbrecherkopfes
Der Kegelbrecherkopf (auch als beweglicher Kegel oder 破碎锥 bezeichnet) ist das zentrale Brechelement, das direkt mit dem Material in Kontakt kommt und es zerkleinert. Er bildet zusammen mit dem festen Kegel (Schalenauskleidung) eine Brechkammer und komprimiert und zerkleinert durch seine oszillierende Bewegung (angetrieben durch die Exzenterwelle) Gestein, Erze und andere Schüttgüter. Form, Oberflächenhärte und strukturelle Festigkeit des Kopfes bestimmen direkt den Durchsatz, die Produktkörnigkeit und die Verschleißfestigkeit des Brechers. Unter Hochdruckbedingungen muss er starken Stößen und Reibung standhalten und ist damit eines der kritischsten Verschleißteile der Anlage.
2. Zusammensetzung und Aufbau des Kegelbrecherkopfes
Der Kegelbrecherkopf ist eine Verbundkonstruktion aus Gusseisen- oder Stahlgehäuse und verschleißfester Auskleidung. Zu seinen Hauptkomponenten und Konstruktionsmerkmalen gehören:
Kopf Körper (Kernstruktur): Ein konisches oder kegelstumpfförmiges Gussteil aus hochfestem Stahlguss (z. B. ZG35CrMo) oder Sphäroguss (QT600-3). Es dient als struktureller Träger für die Verschleißauskleidung und ist über eine zentrale Bohrung mit der Exzenterwelle verbunden. Der innere Hohlraum des Gehäuses ist für die Aufnahme der Exzenterbuchse ausgelegt. Passfedernuten oder Schrauben sichern die Verbindung und übertragen das Drehmoment.
Verschleißauskleidung (Mantel): Eine austauschbare Außenschicht aus hochchromhaltigem Gusseisen (Cr20-Cr26) oder legiertem Stahl mit hoher Härte (HRC 55-65). Sie ist über Bolzen, Schwalbenschwanznuten oder Keilblöcke am Kopfkörper befestigt und gewährleistet so einen festen Sitz, um Bewegungen während des Zerkleinerns zu verhindern. Die Oberfläche der Auskleidung ist häufig mit einem konkaven oder konvexen Profil (z. B. Standard-, Grob- oder Feinbrechprofil) versehen, um die Materialhaftung und die Zerkleinerungseffizienz zu optimieren.
Lagerbohrung: Eine zentrale zylindrische oder konische Bohrung im Kopfkörper, die das obere Ende der Exzenterwelle aufnimmt. Die Bohrung ist präzisionsgefertigt, um einen stabilen Sitz mit der Welle zu gewährleisten. Schmierkanäle sind gebohrt, um Öl an die Kontaktfläche zu leiten und so Reibung und Verschleiß zu reduzieren.
Montageflansch oder Bolzenlöcher: Diese Elemente befinden sich an der Basis des Kopfkörpers und sichern die Verschleißauskleidung am Körper. Schwalbenschwanznuten auf der Innenseite der Auskleidung passen zu entsprechenden Vorsprüngen am Kopfkörper und erhöhen so die Verbindungsfestigkeit bei Stoßbelastungen.
Belüftung und Gewichtsreduzierung Hohlräume: Einige große Köpfe verfügen über innere Hohlstrukturen, um das Gewicht zu reduzieren, die Wärmeableitung zu verbessern und übermäßige Trägheit während der Schwingung zu vermeiden. Diese Hohlräume sind so konzipiert, dass sie die strukturelle Integrität des Körpers nicht beeinträchtigen.
3. Gussprozess für den Kopfkörper
Der Kopfkörper wird aufgrund seiner Größe und komplexen Form hauptsächlich im Sandgussverfahren oder im Lost Foam-Verfahren hergestellt. Die Prozessschritte sind wie folgt:
Materialauswahl:
Für große Brecher wird bevorzugt Gussstahl (ZG35CrMo) verwendet, da er eine hohe Zugfestigkeit (≥785 MPa) und Schlagzähigkeit aufweist und sich für das Zerkleinern unter hoher Belastung eignet.
Für mittelgroße Köpfe wird duktiles Gusseisen (QT600-3) verwendet, das eine gute Gießbarkeit und Wirtschaftlichkeit bei ausreichender Festigkeit bietet.
Musterherstellung:
Aus Holz, Schaumstoff oder 3D-gedruckten Materialien wird ein maßstabsgetreues Modell erstellt, das die äußere Form, den inneren Hohlraum und die Befestigungselemente des Kopfes nachbildet. Beim Lost-Foam-Guss enthält das Schaummodell integrierte Angusskanäle und Steigrohre.
Schrumpfungszugaben (2–3 % bei Stahlguss) und Entformungsschrägen (3–5°) werden hinzugefügt, um die Kontraktion nach dem Gießen auszugleichen und das Entfernen des Modells zu erleichtern.
Formen:
Beim Sandguss: Harzgebundener Sand wird um das Modell gepackt, um den Formhohlraum zu bilden. Ein Sandkern wird eingesetzt, um die zentrale Bohrung und die inneren Hohlräume zu erzeugen. Die Form wird ausgehärtet, um Härte und Dimensionsstabilität zu gewährleisten.
Beim Lost-Foam-Guss: Das Schaummodell wird mit einer feuerfesten Aufschlämmung (auf Keramik- oder Zirkoniumbasis) beschichtet, um eine 3–5 mm dicke Schale zu bilden, und dann in trockenen Sand eingebettet.
Schmelzen und Gießen:
Stahlguss wird in einem Lichtbogenofen bei 1500–1600 °C geschmolzen. Zur Erzielung der gewünschten chemischen Zusammensetzung werden Legierungselemente (Cr, Mo) hinzugefügt. Das geschmolzene Metall wird desoxidiert und entschwefelt, um Verunreinigungen zu reduzieren.
Das Gießen erfolgt mit kontrollierter Geschwindigkeit (50–100 kg/s bei großen Köpfen), um Turbulenzen zu vermeiden und eine vollständige Füllung der Form sicherzustellen. Beim Lost-Foam-Guss verdampft das geschmolzene Metall das Schaummuster und ersetzt es im Formhohlraum.
Kühlung und Reinigung:
Um thermische Risse zu vermeiden, lässt man den Guss langsam abkühlen (über 24–48 Stunden) und nimmt ihn dann aus der Form. Sand oder feuerfestes Material werden durch Kugelstrahlen oder Wasserstrahlen gereinigt.
Speiser und Angusssysteme werden abgeschnitten und die Ecken und Kanten geschliffen, um sie für die Bearbeitung vorzubereiten.
Wärmebehandlung:
Köpfe aus Stahlguss werden einer Normalisierung (850–900 °C, luftgekühlt) unterzogen, um die Kornstruktur zu verfeinern. Anschließend erfolgt ein Abschrecken und Anlassen (600–650 °C), um eine Härte von 220–260 HBW zu erreichen und so ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit herzustellen.
Köpfe aus duktilem Eisen werden einem Glühen (900–950 °C) unterzogen, um Karbide zu entfernen und die Zähigkeit zu verbessern.
Gussteilprüfung:
Oberflächendefekte (Risse, Poren, Schrumpfung) werden durch Sichtprüfung und Farbeindringprüfung (DPT) überprüft.
Interne Defekte werden mittels Ultraschallprüfung (UT) und Magnetpulverprüfung (MPT) erkannt, wobei strenge Standards eingehalten werden (keine Defekte größer als φ3 mm in kritischen tragenden Bereichen).
4. Bearbeitungs- und Herstellungsprozess
Kopfkörperbearbeitung:
Schruppbearbeitung: CNC-Drehmaschinen oder Bohrmaschinen werden zum Vordrehen der Außenfläche, des Basisflansches und der Mittelbohrung verwendet, wobei 2–3 mm Feinzugabe verbleiben. Passfedernuten und Bolzenlöcher werden vorgebohrt und mit Gewinden versehen.
Wärmebehandlung: Nach der Grobbearbeitung wird ein Spannungsarmglühen (550–600 °C) durchgeführt, um Restspannungen aus dem Gießen und dem ersten Schneiden zu beseitigen.
Fertigbearbeitung: Die zentrale Bohrung ist auf IT7-Toleranz präzisionsgeschliffen und weist eine Oberflächenrauheit von Ra1,6–3,2 μm auf, um einen festen Sitz mit der Exzenterwelle zu gewährleisten. Der Basisflansch und die Montageflächen sind gefräst, um eine Ebenheit (≤0,1 mm/m) für eine sichere Befestigung der Laufbuchse zu erreichen.
Herstellung von Verschleißauskleidungen:
Besetzung: Laufbuchsen aus hochchromhaltigem Gusseisen werden im Sandgussverfahren hergestellt. Zur Verbesserung der Härte und Verschleißfestigkeit werden Legierungselemente (Cr, Mo, Ni) hinzugefügt. Der Guss wird abgeschreckt und angelassen, um HRC 55-65 zu erreichen.
Bearbeitung: Die Innenfläche der Auskleidung (die mit dem Kopfkörper zusammenpasst) wird so bearbeitet, dass sie in die Schwalbenschwanznuten oder Bolzenlöcher passt und so eine feste Verbindung gewährleistet. Die äußere Quetschfläche wird geschliffen oder poliert, um Gussgrate zu entfernen und das gewünschte Profil zu erzielen.
Montage:
Die Verschleißauskleidung wird mit hochfesten Schrauben (Klasse 8.8 oder 10.9) oder Keilblöcken am Kopfkörper befestigt. Um ein Lösen zu verhindern, wird ein gleichmäßiges Drehmoment (200–500 N·m, je nach Größe) angewendet.
Zwischen der Auskleidung und dem Körper werden Dichtungen oder Dichtmittel angebracht, um das Eindringen von Material zu verhindern, das zu Abrieb zwischen den beiden Komponenten führen könnte.
5. Qualitätskontrollprozesse
Materialprüfung:
Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung (mittels Spektrometrie) wird sichergestellt, dass der Stahl-/Eisenguss den Legierungsstandards entspricht (z. B. ZG35CrMo: C 0,32–0,40 %, Cr 0,8–1,1 %, Mo 0,15–0,25 %).
An Testcoupons aus jeder Gusscharge werden Tests der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit, Härte) durchgeführt.
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Koordinatenmessgeräte (KMG) überprüfen den Außendurchmesser, die Bohrungsgröße und das Laufbuchsenprofil des Kopfkörpers und stellen die Übereinstimmung mit den Konstruktionszeichnungen sicher (Toleranz ±0,5 mm für kritische Abmessungen).
Die Konzentrizität zwischen der Außenfläche des Kopfkörpers und der Mittelbohrung wird gemessen. Um eine Unwucht während der Schwingung zu vermeiden, ist ein Wert von ≤0,05 mm/m erforderlich.
Verschleißfestigkeitsprüfung:
Proben von Verschleißauskleidungen werden einem Abriebverschleißtest (z. B. ASTM G65) unterzogen, um den Gewichtsverlust unter standardisierten Bedingungen zu messen und sicherzustellen, dass die Verschleißrate unter Nennlast ≤0,1 g/h beträgt.
An den Laufbuchsenoberflächen werden Härteprüfungen (Rockwell C-Skala) durchgeführt, um HRC 55–65 zu bestätigen, wobei keine weichen Stellen (≤ HRC 50) zulässig sind.
Montage- und Leistungstests:
Durch Passungstests der Auskleidung wird sichergestellt, dass zwischen der Auskleidung und dem Kopfkörper keine Lücken vorhanden sind (überprüft mit Fühlerlehren, mit einem maximalen Spalt von ≤ 0,1 mm).
Am montierten Kopf wird ein dynamischer Gleichgewichtstest durchgeführt, um eine Schwingungsamplitude von ≤0,1 mm/s bei Betriebsgeschwindigkeit sicherzustellen und so die Belastung der Exzenterwelle zu reduzieren.
Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):
Der Kopfkörper wird nach der Bearbeitung erneut per UT und MPT geprüft, um etwaige während der Verarbeitung entstandene Risse zu erkennen.
Die Lineroberflächen werden mittels Sichtprüfung und DPT auf Gussfehler (Porosität, Risse) überprüft, wobei defekte Liner aussortiert oder repariert werden.
Durch die Einhaltung dieser Guss-, Bearbeitungs- und Qualitätskontrollprozesse erreicht der Kegelbrecherkopf eine hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Maßgenauigkeit und gewährleistet so eine zuverlässige Leistung bei kontinuierlichen, schweren Brechvorgängen.
