Die Kegelbrecherfeder, ein wichtiges Sicherheits- und Pufferbauteil, das um den oberen Rahmen oder zwischen Einstellring und Basis installiert ist, dient hauptsächlich dem Überlastschutz (Absorption von Aufprallenergie zur Vermeidung von Schäden durch Fremdkörper), der Schwingungsdämpfung (Geräuschreduzierung und Verlängerung der Lebensdauer der Komponente), der Bereitstellung von Rückstellkraft (Wiederherstellung der Positionen nach Überlastung) und der Anwendung einer Vorspannung (Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebs). Sie erfordert eine hohe Ermüdungsfestigkeit, Elastizitätsgrenze und Korrosionsbeständigkeit und arbeitet mit einer Vorspannung von 50–80 % der maximalen Druckfestigkeit.
Strukturell handelt es sich um eine Schraubendruckfeder, bestehend aus einer Federwicklung (kohlenstoffreicher Federstahldraht wie 60Si2MnA, 20–80 mm Durchmesser), Stirnflächen (aus Stabilitätsgründen flach geschliffen), Federdurchmesser (Außendurchmesser 150–500 mm, Innendurchmesser, mit 20–100 mm Abstand), optionalen Haken/Verbindungen und Oberflächenbeschichtung (Verzinkung, Epoxidharz usw.). Die Konstruktion bietet eine Federrate von 50–200 kN/mm für große Brecher.
Der Herstellungsprozess (Drahtformung, kein Gießen) umfasst die Materialauswahl und -vorbereitung (Prüfung und Richten von kohlenstoffreichem Federstahldraht), das Wickeln (mit CNC-Maschinen zur Kontrolle von Steigung, Durchmesser und Windungszahl), die Wärmebehandlung (Abschrecken und Anlassen auf eine Härte von HRC 45–50) und die Endbearbeitung (Abschleifen und Entgraten der Enden). Bei Mehrfedersystemen umfasst die Montage die Auswahl/Anpassung, die Montage der Montageplatte und die Einstellung der Vorspannung.
Die Qualitätskontrolle umfasst Materialprüfungen (chemische Zusammensetzung und Zugfestigkeit), Maßprüfungen (KMG für Spulenparameter und Federratenprüfung), Prüfungen der mechanischen Eigenschaften (Härte- und Ermüdungsprüfung), zerstörungsfreie Prüfungen (MPT und UT auf Defekte) und Korrosionsbeständigkeitsprüfungen (Salzsprühnebelprüfung). Diese gewährleisten einen zuverlässigen Schutz der Feder vor Überlastung und dämpfen Vibrationen, wodurch ein stabiler Brecherbetrieb auch in rauen Umgebungen gewährleistet wird.
Detaillierte Einführung in die Kegelbrecher-Federkomponente
1. Funktion und Rolle der Feder
Die Kegelbrecherfeder (auch Sicherheitsfeder oder Druckfeder genannt) ist ein wichtiges Sicherheits- und Pufferelement, das um den oberen Rahmen oder zwischen Einstellring und Basis installiert ist. Zu ihren Hauptfunktionen gehören:
Überlastschutz: Absorbieren der Aufprallenergie, wenn Fremdkörper (z. B. Metallschrott) in die Brechkammer gelangen, Komprimieren, um eine vorübergehende Trennung der beweglichen und festen Kegel zu ermöglichen und so Schäden an der Hauptwelle, den Zahnrädern und den Auskleidungen zu verhindern.
Schwingungsdämpfung: Reduzierung der beim Zerkleinern entstehenden hochfrequenten Vibrationen, Minimierung der Geräuschentwicklung und Verlängerung der Lebensdauer von Lagern und anderen Präzisionskomponenten.
Reset-Kraft: Nach einer Überlastung sorgt die Rückstellkraft dafür, dass der Einstellring bzw. der bewegliche Kegel wieder in die Ausgangsposition zurückkehrt und der Brechspalt erhalten bleibt.
Vorladeanwendung: Konstanter Druck auf den Einstellring, um ein Lösen zu verhindern und einen stabilen Betrieb bei unterschiedlichen Materialbelastungen zu gewährleisten.
Aufgrund ihrer Rolle bei der Aufnahme dynamischer Lasten muss die Feder eine hohe Ermüdungsfestigkeit, Elastizitätsgrenze und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und typischerweise mit einer Vorspannung von 50–80 % ihrer maximalen Druckfestigkeit arbeiten.
2. Zusammensetzung und Struktur der Feder
Kegelbrecherfedern sind in der Regel Schraubendruckfedern in robuster Ausführung, bestehend aus folgenden Hauptkomponenten und konstruktiven Details:
Federspule: Der Hauptkörper besteht aus kohlenstoffreichem Federstahldraht (z. B. 60Si2MnA oder 50CrVA) mit einem Durchmesser von 20 mm bis 80 mm. Die Spule weist eine gleichmäßige Helixstruktur mit einer festgelegten Anzahl aktiver Spulen (normalerweise 5–15) und Endspulen (1–2) für einen stabilen Sitz auf.
Stirnflächen: Die oberen und unteren Windungsenden können flach geschliffen (bei Federn mit parallelen Enden) oder rechtwinklig geschliffen (bei nicht geschliffenen Enden) sein, wodurch die Rechtwinkligkeit zur Federachse und eine gleichmäßige Lastverteilung gewährleistet werden.
Federdurchmesser: Einschließlich Außendurchmesser (OD, 150–500 mm) und Innendurchmesser (ID), mit einer Steigung (Abstand zwischen benachbarten Windungen) von 20–100 mm, um einen ausreichenden Kompressionshub zu ermöglichen (normalerweise 10–30 % der freien Länge).
Haken- oder Anschlussfunktionen (optional): Bei kleineren Federn können Endhaken geformt sein, um sie am Einstellring oder an der Basis zu befestigen, obwohl die meisten großen Brechfedern flache Enden für den direkten Kontakt verwenden.
Oberflächenbeschichtung: Eine Schutzschicht wie eine Verzinkung, eine Epoxidbeschichtung oder eine Ölimmersion zum Schutz vor Korrosion, insbesondere in feuchten oder staubigen Bergbauumgebungen.
Die Federkonstruktion ist durch ihre Federrate (Steifigkeit) gekennzeichnet, die so berechnet wird, dass sie die erforderliche Kraft-Weg-Reaktion liefert – typischerweise 50–200 kN/mm für große Kegelbrecher.
3. Herstellungsverfahren für die Feder (Drahtformung, kein Gießen)
Im Gegensatz zu Metallkomponenten werden Federn nicht gegossen, sondern durch Drahtformung und Wärmebehandlung hergestellt. Die wichtigsten Schritte sind:
Materialauswahl und -vorbereitung:
Federstahldraht mit hohem Kohlenstoffgehalt (60Si2MnA) wird aufgrund seiner hervorragenden Elastizitätsgrenze (≥1200 MPa) und Dauerfestigkeit ausgewählt. Der Draht wird auf Oberflächenfehler (Kratzer, Risse) geprüft und gerichtet, um einen gleichmäßigen Durchmesser (Toleranz ±0,1 mm) zu gewährleisten.
Aufwickeln:
Der Draht wird einer CNC-gesteuerten Federwickelmaschine zugeführt, die ihn mithilfe von Präzisionsdornen und -rollen spiralförmig biegt. Die Maschine steuert:
Tonhöhe: Sicherstellung eines gleichmäßigen Abstands zwischen den Spulen (Toleranz ±0,5 mm).
Durchmesser: Beibehaltung des Außendurchmessers innerhalb von ±1 mm des Konstruktionswerts.
Anzahl der Spulen: Präzises Zählen der aktiven und Endwindungen, um die freie Längenspezifikation einzuhalten (Toleranz ±2 mm).
Wärmebehandlung:
Abschrecken und Anlassen: Die Spiralfeder wird in einem Ofen auf 850–880 °C erhitzt, 30–60 Minuten lang gehalten und dann in Öl abgeschreckt, um eine martensitische Struktur zu erhalten. Anschließend wird sie 1–2 Stunden lang bei 420–480 °C angelassen, um die Sprödigkeit zu verringern. Das Ergebnis ist eine Härte von 45–50 HRC und eine Zugfestigkeit von 1600–1900 MPa.
Durch diesen Vorgang werden die elastischen Eigenschaften der Feder festgelegt und sichergestellt, dass sie wiederholter Kompression ohne bleibende Verformung standhält.
Endverarbeitung:
Die Endwindungen werden mit einer Flächenschleifmaschine plan geschliffen, um Parallelität (≤0,1 mm/m) und Rechtwinkligkeit zur Federachse (≤0,5°) zu erreichen und so einen stabilen Sitz auf dem Oberrahmen und der Basis zu gewährleisten.
Durch das Entgraten werden scharfe Kanten von den geschliffenen Enden entfernt, um Spannungskonzentrationen und Schäden an den Passflächen zu vermeiden.
4. Herstellungsprozess für Federbaugruppen (große Mehrfedersysteme)
Einige Brecher verwenden mehrere kleinere Federn, die kreisförmig angeordnet sind. Ihre Montage umfasst:
Federauswahl und -anpassung:
Die Federn werden nach freier Länge und Federrate (Steifigkeit) sortiert, um eine gleichmäßige Lastverteilung zu gewährleisten. Federn mit einer Ratenabweichung von 5 % werden aussortiert, um eine ungleichmäßige Belastung zu vermeiden.
Installation der Montageplatte:
Zur Positionierung der Federn dienen obere und untere Montageplatten (Stahl oder Gusseisen) mit Bohrungen entsprechend dem Federaußendurchmesser. Jede Feder wird in ihre Bohrung eingesetzt und mit Sicherungsringen gegen seitliches Verschieben gesichert.
Vorladeeinstellung:
Die Baugruppe wird (mithilfe einer hydraulischen Presse) auf die angegebene Vorspannung komprimiert und mit Unterlegscheiben fixiert, um sicherzustellen, dass jede Feder die gleiche Last trägt (gemessen über Kraftmessdosen mit einer Toleranz von ±2 %).
5. Qualitätskontrollprozesse
Materialprüfung:
Die Analyse der chemischen Zusammensetzung (Spektrometrie) bestätigt, dass der Federstahl den Normen entspricht (z. B. 60Si2MnA: C 0,56–0,64 %, Si 1,50–2,00 %, Mn 0,60–0,90 %).
Durch Zugversuche an Drahtproben werden die Zugfestigkeit (≥ 1600 MPa) und die Dehnung (≥ 6 %) gemessen.
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) prüft Spulendurchmesser, Steigung, freie Länge und Endflachheit und stellt die Einhaltung der Konstruktionstoleranzen sicher.
Ein Federprüfgerät misst die Rate (Kraft pro mm Kompression), um sicherzustellen, dass sie innerhalb des angegebenen Bereichs (±5 %) liegt.
Prüfung mechanischer Eigenschaften:
Durch Härteprüfungen (Rockwell) wird sichergestellt, dass die Feder eine Härte von HRC 45–50 aufweist. Die Kernhärte wird durch Mikrohärteprofilierung überprüft, um eine gleichmäßige Wärmebehandlung zu bestätigen.
Bei Ermüdungstests wird die Feder 10⁶ Kompressionszyklen (von 10 % bis 70 % der maximalen Auslenkung) ausgesetzt, ohne dass Risse oder dauerhafte Verformungen auftreten dürfen.
Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):
Durch die Magnetpulverprüfung (MPT) werden Oberflächenrisse in den Spulen erkannt, insbesondere an den Spulenkrümmungen (Spannungskonzentrationspunkte). Jeder Riss mit einer Länge von weniger als 0,2 mm führt zur Ablehnung.
Bei der Ultraschallprüfung (UT) wird der Draht auf innere Defekte (z. B. Einschlüsse) untersucht, die die Lebensdauer verkürzen könnten.
Korrosionsbeständigkeitsprüfung:
Bei einem 48-stündigen Salzsprühtest (ASTM B117) werden verzinkte oder lackierte Federn bewertet, wobei auf kritischen Oberflächen kein Rotrost zulässig ist.
Durch diese Prozesse erreicht die Kegelbrecherfeder einen zuverlässigen Überlastschutz und eine Schwingungsdämpfung, wodurch sichergestellt wird, dass der Brecher unerwartete Fremdkörper verarbeiten und einen stabilen Betrieb in rauen Bergbauumgebungen aufrechterhalten kann.
