Der Backenbrecher ist die älteste und am weitesten verbreitete Maschine für das primäre Brechen. Sein Prinzip ist einfach – das Material zwischen einer festen Backe und einer beweglichen Backe zu zerkleinern – doch seine Umsetzung gibt es in zwei Technologien mit sehr unterschiedlichem Verhalten: dem Einfachkniehebel und dem Doppelkniehebel.
Zu verstehen, was sie unterscheidet, bedeutet zu verstehen, warum die eine heute den Markt dominiert und die andere bestimmten Anwendungen vorbehalten bleibt.
Das Prinzip: Zerkleinern zwischen zwei Backen
Das Material wird zwischen zwei Backen zerkleinert, einer festen und einer beweglichen. Die große Mehrheit dieser Maschinen verfügt über vertikale Backen: Der Materialdurchgang durch die Maschine erfolgt dann durch die Schwerkraft.
Für spezielle Anforderungen gibt es auch horizontale Brecher, bei denen ein Plattenband den Materialtransport durch die Maschine gewährleistet. Brecher und Förderband bilden dabei eine homogene mechanische Einheit.
Einfach- und Doppelkniehebel
Der Einfachkniehebel-Brecher
Auch als Einfachkniehebel-Brecher bezeichnet, stellt er heute die gängigste Konfiguration dar.
Die bewegliche Backe ist in ihrem oberen Teil mit einer Exzenterwelle verbunden, während ihr unterer Teil auf einem Gelenkkniehebel ruht. Daraus resultiert eine begrenzte Hubbewegung, zu der ein Reibungseffekt zwischen Backe und Material hinzukommt.
Die bewegliche Backe beschreibt somit ein abwechselndes Gleiten: von unten nach oben während der Öffnungsphase, von oben nach unten während des Schließens, über eine Distanz, die etwa dem Doppelten der Exzentrizität der Welle entspricht.
Der Doppelkniehebel-Brecher
Abgeleitet vom 1858 patentierten Blake-Gerät, basiert der Doppelkniehebel-Brecher – oder Doppelkniehebel – auf einer wesentlich komplexeren Kinematik.
Die bewegliche Backe wird von einem Pendel getragen, das um eine feste Achse in seinem oberen Teil schwenkt. Hinten an diesem Pendel empfängt eine Pleuelstange in ihrem oberen Teil eine gleichmäßige Kreisbewegung, die von einer auf vier Lagern montierten Exzenterwelle übertragen wird.
Ein System mit zwei Kniehebeln – das einerseits den unteren Teil des Pendels mit der Pleuelstange und andererseits die Pleuelstange mit dem Rahmen verbindet – wandelt diese Kreisbewegung in eine periodische Hubbewegung des unteren Teils des Pendels um.
Aufgrund ihrer erheblichen Masse und damit ihrer Kosten sind Doppelkniehebel-Brecher heute hauptsächlich für die Zerkleinerung von sehr abrasiven Materialien wie Ferrolegierungen reserviert.
Was sie wirklich trennt
Der Doppelkniehebel bietet zwei klare Vorteile: die Abwesenheit direkter Reibung am Material und eine überlegene Eignung für abrasive Materialien – beides hängt zusammen.
Seine Grenzen erklären jedoch, warum er an Boden verloren hat:
- fast doppelte Kosten bei gleicher Öffnung;
- eine geringe Amplitude am Backenkopf, die Blöcke 20 bis 30 % kleiner als die Nennöffnung erfordert;
- eine erhebliche Masse, die seinen Einsatz auf mobilen Anlagen begrenzt.
Der zweite Punkt wird bei der Dimensionierung oft unterschätzt: Eine Nennöffnung führt nicht direkt zu einer zulässigen Blockgröße.
Wie der Einfachkniehebel den Abstand verringert hat
Mehrere Optimierungen haben die historischen Grenzen des Einfachkniehebels schrittweise aufgehoben.
Die entscheidendste betrifft den Gelenkpunkt: Seine vertikale Verschiebung erhöht die Neigung des Kniehebels und erzeugt eine elliptische Bewegung der beweglichen Backe. Das Gleiten nimmt ab – und damit der Verschleiß –, während der horizontale Hub zunimmt, also der Durchsatz. Der Nachteil liegt in höheren mechanischen Belastungen.
Hinzu kommen die Optimierung von Rahmen, Exzenter, Pleuelstange und Backen durch Berechnung und CAD, der Einsatz widerstandsfähigerer Stähle und die hydraulische Unterstützung, die die Stillstandszeiten für Wartung reduziert.
Diese Entwicklungen ermöglichen es heute, den Einfachkniehebel unter weitaus anspruchsvolleren Bedingungen als früher einzusetzen.
Die anderen Typen, zur Erinnerung
Es gibt oder gab andere Architekturen, denen ein Planer bei älteren Anlagen begegnen kann.
Der Brecher mit umgekehrtem Kniehebel, oder Dodge-Typ, besitzt eine dreieckförmige bewegliche Backe, die um eine Achse an ihrem unteren Ende schwenkt. Die maximale Amplitude befindet sich somit am Einlauf. Seine Produktionskapazität ist geringer, aber er erzeugt weniger Abrieb. Er ist heute praktisch aufgegeben.
Erwähnenswert sind auch die Brecher mit vorgezogener Aufhängung, deren Pleuelstangen-Kniehebel-Mechanismus zur Reduzierung der Reibung optimiert und in einem staubdichten Gehäuse untergebracht ist, das als Ölreservoir dient; diejenigen mit Pleuelstangen- und Hebelsteuerung; und diejenigen mit Nocken- und Hebelsteuerung.
Der Prallbackenbrecher verdient eine besondere Erwähnung. Seine feste Backe ist um etwa 55° geneigt, und die bewegliche Backe schwingt um eine auf Lagern montierte Welle, wobei ihr unterer Teil mit einem Querträger verbunden ist, der über zwei Zugstangen mit Federn an einer Exzenterwelle befestigt ist – dies dient zur Aufnahme von Überlastungen und dem Durchgang von nicht brechbaren Materialien.
Seine Brechkammer weist eine sich entwickelnde Geometrie auf: Die Backen bilden zunächst einen Winkel von etwa 40°, dann im unteren Teil einen Winkel von fast 60° zur Horizontalen. Das Material bewegt sich daher am Anfang langsam, dann schneller. Da Geschwindigkeit und Hub größer sind als bei herkömmlichen Geräten, nimmt die Bewegung zu und die Spaltebenen sind der Kompression besser ausgesetzt.
Die Austragsöffnung einstellen
Bei Einfach- wie auch Doppelkniehebel-Maschinen ist die Einlauföffnung eine Konstruktionsgröße, die schwer zu ändern ist. Nur die Austragsöffnung wird durch Verschieben des Gelenkkniehebels eingestellt, dessen hinterer Teil auf einem Querträger des Rahmens ruht.
Die Einstellung erfolgt über einen Spindelmechanismus oder einfacher durch Hinzufügen oder Entfernen von Distanzstücken. Einige Modelle verfügen über einen Hydraulikzylinder, der die Distanzstücke schnell löst, oder zwei verschiebbare Keile, die von einem Zylinder betätigt werden – letztere Lösung ermöglicht die Integration der Maschine in eine automatisierte Kette.
Diese Einstellung erfüllt zwei unterschiedliche Anforderungen: die Anpassung der Korngröße des Produkts oder die Kompensation des Backenverschleißes.
Vorsichtsmaßnahmen
Die horizontale Einstellung ist üblich, insbesondere zur Kompensation des Verschleißes. Die vertikale Einstellung mittels Distanzstücken sollte hingegen prinzipiell vom Hersteller in Abhängigkeit vom zu verarbeitenden Material vorgenommen werden.
Nach jedem Eingriff sind zwei Überprüfungen erforderlich: die Parallelität zwischen der Kniehebelachse und der Rotationsachse sowie der korrekte Sitz des Kniehebels über seine gesamte Breite.
Blockaufnahme und Verstopfung
Gemäß der europäischen CECE-Norm wird die Einlauföffnung durch die Breite und die Aufnahme des Brechers definiert. Diese Öffnung wird senkrecht zur Winkelhalbierenden der Backen gemessen, von der Spitze der Verzahnung der festen Backe bis zur Spitze der beweglichen Backe in maximaler Öffnungsstellung.
Um ein Verstopfen – das Zurücksteigen des Materials in die Brechkammer – zu vermeiden, müssen die Kompressionskräfte ausgeglichen und senkrecht zur Winkelhalbierenden der Brechkammer stehen. Dies setzt ausreichende Reibungsbedingungen voraus.
Was den Durchsatz wirklich bestimmt
In der oberen Hälfte der Brechkammer werden die Blöcke praktisch einzeln zerkleinert, in unterschiedlichen Höhen je nach ihren Abmessungen. Die Fragmente fallen dann durch die Schwerkraft bis zu einem Abschnitt, der ihrer neuen Größe entspricht.
Da der Durchgangsquerschnitt allmählich abnimmt, verdichten sich die Materialien beim Herabfallen. In der unteren Hälfte bildet sich so eine Blockierungszone, in der das Brechen einer kompakten Materialschicht stattfindet – eine Schicht aus Blöcken und feineren Fragmenten, die sich selbst zerkleinern und die das durch Kompression gewonnene Volumen beibehalten.
Eine theoretische Studie von Paul Angelier, veröffentlicht in Mines & Carrières, beleuchtet die praktische Konsequenz. Im Falle eines Backenbrechers mit geraden Backen zeigt die Analyse der Bewegung einer Materialschicht, dass ihre Fortschrittsgeschwindigkeit bis zu einem Minimum abnimmt, das an der Austragsöffnung erreicht wird. Es ist also der Durchsatz auf dieser Ebene, der den Gesamtdurchsatz der Maschine bestimmt.
Die fünf Parameter
- Die Geschwindigkeit: Der Durchsatz steigt mit ihr bis zu einem kritischen Wert, jenseits dessen die Materialien langsamer vorankommen als das Schließen der Backen.
- Die Breite: Der Durchsatz ist proportional dazu.
- Die Einstellung: Der Durchsatz steigt mit der Austragsöffnung.
- Der Hub: Ein größerer Hub fördert einen höheren Durchsatz.
- Der Backenwinkel: Der Durchsatz steigt, wenn der Winkel abnimmt.
Diese Parameter sind nicht unabhängig voneinander. Wenn die Breite zunimmt, neigt man dazu, den Hub zu erhöhen und die Geschwindigkeit zu reduzieren. Und konstruktionsbedingt nimmt der Hub im Allgemeinen mit der Einstellung zu. Ein Gewinn bei einem Parameter geht daher oft auf Kosten eines anderen.
Die gebogenen Backen
Der Einfluss des Backenwinkels, kombiniert mit der Variation des Durchsatzes im unteren Teil der Brechkammer, wo sich die Materialien verdichten, hat zur Entwicklung von gebogenen Backen geführt.
Ihr Profil bietet drei Vorteile:
- den Durchsatz auf verschiedenen Ebenen der Brechkammer zu vereinheitlichen;
- den Verschleiß besser zu verteilen;
- die Lebensdauer der Backen zu erhöhen.
Dies ist eine der bedeutendsten Entwicklungen bei diesen Maschinen, da sie gleichzeitig die Produktivität und die Betriebskosten beeinflusst.
Einen Backenbrecher auswählen
Drei Fragen strukturieren die Auswahl: die Abrasivität des Materials, die einen Doppelkniehebel rechtfertigen kann; die Größe der Blöcke am Einlauf, die mit der tatsächlichen Aufnahme und nicht mit der Nennöffnung verglichen werden muss; und die Mobilität der Anlage, da die Masse des Doppelkniehebels ihn für mobile Einheiten disqualifiziert.
WEIL Brechertechnik entwickelt und fertigt in Deutschland eine Reihe von Backenbrechern mit dokumentierten Korngrößenkurven für jede Öffnungseinstellung. Entdecken Sie die WEIL Backenbrecher und ihre detaillierten technischen Eigenschaften.
