CC BY
1Машиностроение и машиноведение
УДК 622.734:001.891.53
Павлиненко О. И., к.т.н. Левченко Э. П.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА
РАСКАЛЫВАНИЕ СТАЛЬНОЙ ДРОБИ ПРЯМЫМ СТЕСНЕННЫМ УДАРОМ
Представлены результаты исследования влияния ударного воздействия при измельчении стальной дроби. Определены минимальные энергозатраты с помощью процесса раскалывания дробинок на экспериментальной установке ударного действия.
Ключевые слова: эксперимент, стальная дробь, раскалывание, энергозатраты, затвердевание, дефекты, прямой стесненный удар.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
В настоящее время в производственных циклах многих промышленных предприятий используются технологические операции по очистке отливок и заготовок, осуществляемые в дробеметных или дробеструйных камерах с применением чугунной или стальной дроби. Особенно эффективно для выполнения этих операций зарекомендовала себя колотая стальная дробь [1], в связи с чем ежегодная потребность в ней возрастает. Отсюда возникла острая проблема в разработке принципиально новых машин для дробления, обладающих повышенной производительностью по выходу годного продукта и низкими удельными энергозатратами на дробление. Последнее очень важно, т. к. процесс дробления и измельчения является одним из самых энергоемких.
Главным вопросом теории измельчения является установление связи между затратами энергии и размерами конечных и начальных кусков материала, их формой, взаимным расположением, физико-механическими свойствами и т. п. В связи с большим количеством влияющих факторов существующие теории измельчения характеризуют энергозатраты в общем виде с учетом лишь наиболее важных параметров процесса и материала.
Затраты энергии, нагрузки на элементы измельчителей и качество исходного про-
дукта зависят от твердости, прочности, хрупкости, упругости, абразивности и плотности разрушаемых материалов.
Постановка задачи. Задачей данной работы является экспериментальное определение энергозатрат при раскалывании стальной дроби.
Изложение материала и его результаты. Для проведения эксперимента была разработана и собрана экспериментальная установка, отличающаяся простотой конструкции и эксплуатации, а также малой металлоемкостью (рис. 1).
Испытания основаны на принципе измерения энергии, затраченной на разрушение образца стальной дроби. Сопротивляемость стальной дроби ударному воздействию характеризует их хрупкость или способность сопротивляться динамическим напряжениям. Сущность метода заключается в определении минимальной высоты падения груза, при которой образец разрушается под действием прямого стесненного удара.
Отобранная по размеру дробь устанавливается в центр падения груза, где подвергается воздействию падающего рабочего органа (груза), массу которого можно увеличивать или уменьшать в зависимости от размера или количества раскалываемых частиц. При этом определяющими являются напряжения сжатия, под действием чего материал дроби подвергается деформации по всему объему.
Машиностроение и машиноведение
1 — стальная платформа; 2 —груз; 3 — образец стальной дроби; 4 — мерная линейка; 5 — шкив Рисунок 1 Экспериментальная установка для ударного воздействия
Когда внутренние напряжения достигают предела прочности на сжатие, частица дроби разрушается. При этом образуются частицы различного размера и формы [2].
Метод предназначен для одиночных и массовых испытаний по разрушению стальной дроби в лабораторных условиях.
В качестве показателя сопротивления стальной дроби ударному воздействию принимается минимальная высота сбрасывания груза, при которой происходит разрушение дроби.
Первый удар производится с минимальной высоты, заранее определяемой для каждого диаметра испытуемого образца дроби, при которой образец еще не разрушается. Каждый последующий удар наносят с постепенным увеличением высоты поднятия груза на 1 см. Испытания проводят до тех пор, пока образец дроби не разрушится. При необходимости увеличивают массу груза.
Если после очередного удара образец дроби не разрушается, а только лишь сминается, то такая дробь заменяется на новую для повышения точности эксперимента.
Сопротивление стальной дроби ударному воздействию вычисляется как среднее арифметическое значение результатов испытаний не менее трех образцов.
Результаты испытаний занесены в таблицу 1.
Энергия удара (энергия, затрачиваемая на разрушение дроби), рассчитывается по формуле [4]:
Е = ш • g • Кр, Дж
(1)
где ш — масса груза, кг; g — ускорение свободного падения; — среднее арифметическое значение высоты сбрасывания груза, м.
Объем сферической дробинки [4]:
„ 4 з 1 з з V = —•л • г = — •л • а , мм , 3 6
где а — диаметр дробинки, мм. Удельные энергозатраты:
Е
(2)
вл, = —, Дж/мм .
V V
2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2017. № 8(51)
Машиностроение и машиноведение
Таблица 1
Экспериментальные показатели раскалывания дроби
Среднее
№ п/п Диаметр дробинки 0, мм Масса груза т, кг значение высоты сбрасывания груза hep, м Энергия удара, Е, Дж Объем дробинки V, мм3 Удельные энергозатраты еп Дж/мм3
1 1,8 0,93 0,0325 0,30 3,05 0,10
2 2,1 2,55 0,107 2,68 4,85 0,55
3 2,2 2,55 0,205 3,42 5,58 0,61
4 2,3 2,55 0,200 5,00 6,37 0,78
5 2,4 2,55 0,250 6,25 7,24 0,86
6 2,5 3,36 0,200 6,59 8,18 0,81
7 2,6 3,36 0,250 8,24 9,20 0,90
8 2,7 4,15 0,223 9,08 10,31 0,88
9 2,8 4,96 0,190 9,24 11,49 0,80
10 2,9 4,96 0,190 9,24 12,77 0,72
11 3,0 2,53 0,068 1,69 14,14 0,12
12 3,1 2,53 0,050 1,24 15,60 0,08
13 3,2 1,74 0,065 1,11 17,16 0,06
14 3,3 0,93 0,173 1,58 18,82 0,08
15 3,6 4,15 0,230 9,36 24,43 0,38
Как видно из таблицы 1, при увеличении диаметра дроби энергия удара сначала возрастает и достигает максимума при d = 2,8...2,9 мм. При увеличении диаметра дроби до 3,0 мм происходит резкое падение энергии ударного разрушения, при этом минимум достигается при d = 3,1.3,2 мм. Дальнейшее увеличение диаметра дроби снова приводит к резкому возрастанию энергии удара.
По мере увеличения диаметра частицы дроби энергозатраты возрастают и достигают своего максимума при d = 2,6 мм. Аналогично происходит резкое снижение энергозатрат при увеличении диаметра дроби до d = 3,0 мм. При d = 3,2 мм удельные энергозатраты достигают минимума. При дальнейшем увеличении диаметра дробинки удельные энергозатраты увеличиваются.
В соответствии с полученными данными, при увеличении диаметра дробинки с 2,9 мм до 3,0 мм, т. е. на 0,1 мм или на 3 %, энергия удара и удельные энергозатраты, требуемые для раскалывания, резко
снизились соответственно в 5,5 и 6,0 раз. При этом диаметры дробинок различаются в 1,4 раза, т. е. на 21 %. При диаметре, превышающем 3,3 мм, значения энергетических параметров процесса разрушения увеличились в 4,4-5,5 раза. Поэтому для проверки адекватности полученных результатов опыты с 10 по 15 были проведены повторно при одинаковой массе груза 2,55 кг. Полученные данные представлены в таблице 2, из которой видна достаточная согласованность проведенных экспериментов при незначительных отклонениях.
Кроме того, был проведен аналогичный эксперимент по определению величины энергии удара от количества одновременно раскалываемых частиц дроби. При этом в центр удара устанавливалось несколько частиц дроби.
В таблице 3 представлены экспериментальные данные по определению влияния количества раскалываемых дробинок на энергию удара.
Машиностроение и машиноведение
Таблица 2
Контрольные экспериментальные показатели раскалывания дроби
Среднее
№ п/п Диаметр дробинки d, мм Масса груза т, кг значение высоты сбрасывания груза hep, м Энергия удара, Е, Дж Объем дробинки V, мм3 Удельные энергозатраты еп Дж/мм3
10 2,9 2,55 0,36 9,00 12,77 0,70
11 3,0 2,55 0,07 1,75 14,14 0,12
12 3,1 2,55 0,06 1,50 15,60 0,10
13 3,2 2,55 0,05 1,25 17,16 0,07
14 3,3 2,55 0,07 1,75 18,82 0,09
15 3,6 2,55 0,37 9,26 24,43 0,38
Таблица 3
Влияние количества одновременно раскалываемых дробинок на энергию удара
Диаметр дробинки d, мм Количество дробинок п, шт. Масса груза т, кг Среднее значение высоты сбрасывания груза hep, М Энергия удара, Е, Дж
1 2,55 0,200 5,00
2,3 2 4,15 0,200 8,14
3 5,785 0,300 17,03
1 1,74 0,065 1,11
3,2 2 4,15 0,130 5,29
3 4,15 0,180 7,33
4 4,15 0,215 8,75
Для того чтобы объяснить полученные данные, необходимо рассмотреть процесс получения литой дроби, используемой в эксперименте. Данная дробь получается распылением расплава потоками воздуха (рис. 2). Сущность этого способа заключается в том, что струя металла, вытекающая через калибровочное отверстие из метал-лоприемника 1, диспергируется потоками энергоносителя 6, выходящими из коллектора 4. Распыленные частицы 7 под действием сил поверхностного натяжения сфероизируются, разлетаясь по сложным траекториям, и охлаждаются в воде 9.
Процесс охлаждения капель влияет на форму, структуру частиц и другие важные характеристики дроби.
Экспериментально доказано [3], что частицы размером 0,1.. .0,5 мм окончательно затвердевают во время свободного полета, а более крупные частицы, как в нашем случае (1,8.3,6 мм), закаливаются в водяной ванне из жидкого состояния.
Отсюда следует, что для мелких капель характерно быстрое объемное затвердевание (за 0,01-0,05 с) [3], при котором температура в центре и на поверхности частиц может быть принята одинаковой. Для более крупных частиц затвердевание длится на один-два порядка дольше и носит объемно-последовательный характер: сначала затвердевает сферическая оболочка, а затем — внутренняя часть дроби.
Таким образом, расколотая дробь диаметром 1,8...2,9 мм практически не имеет
Машиностроение и машиноведение
дефектов и обладает высокой плотностью. Что нельзя сказать о дроби диаметром 3,0.3,3 мм. После затвердевания дроби данной фракции в ней возникают раковины и трещины различной длины (рис. 3), являющиеся концентратами напряжений и способствующие резкому снижению прочностных свойств дроби.
Так, при контакте груза с дробинкой у её вершины сначала образовывается трещина, после чего происходит ее распространение по дробинке в зону высоких напряжений. Когда трещина достигает об-
разовавшихся при затвердевании пустот, она разрывает металл [5].
Данные трещины, образовавшиеся в процессе затвердевания металла и при последующей закалке дроби, являются источниками концентраторов напряжений, что проявляется при ударном раскалывании круглых частиц. Это объясняет то, что для раскалывания дроби большего диаметра требуется меньшая энергия разрушения в связи с повышенным количеством внутренних дефектов ее структуры по сравнению с дробью малого диаметра, у которой внутренних дефектов значительно меньше.
|1 — металлоприемник; 2 — расплав металлический; 3 — клапан металлоприемника; 4 — коллектор; 5 — струя металла; 6 — поток энергоносителя; 7 — частицы металла распыленные; 8 — камера;
9 — частицы в воде
Зоны: I — ферростатики; II — сплошных струй; III — диспергирования струи и формообразования частиц;
IV — кристаллизации; V — закалки
Рисунок 2 Схема установки для получения металлической дроби распылением расплава
потоками воздуха
Рисунок 3 Дефекты структуры стальной дроби, изготовленной на ООО «Алчевский завод стальной дроби»
Машиностроение и машиноведение
Кроме того, на энергозатраты непосредственно влияет толщина слоя материала между образовавшимися дефектами и наружной поверхностью дробинки. Именно этот фактор является причиной повышения энергозатрат на раскалывание дробинок диаметром свыше 3,6 мм. В них так же, как и в дробинках диаметром 3,0.3,3 мм, образуется большее количество дефектов, но все они значительно меньших размеров и располагаются ближе к центру, тем самым увеличивая толщину слоя материала. Следовательно, при ударе мелкие
дефекты сминаются, а сопротивление разрушению повышается [6].
Выводы и направление дальнейших исследований.
Проведенные исследования показали, что для достижения наименьшим расходом энергии к раскалыванию рекомендуется дробь диаметром d = 3,1.3,3 мм.
При этом повышается эффективность процесса разрушения, снижаются энергозатраты, возрастает производительность дробильного оборудования и тем самым увеличивается выход готового продукта.
Библиографический список
1. Андреев, Е. Е. Дробление, измельчение и подготовка сырья к обогащению [Текст] / Е. Е. Андреев, О. Н. Тихонов. — СПб : Санкт-Петербургский горный институт, 2007. — 439 с.
2. Борщев, В. Я. Оборудование для измельчения материалов: дробилки и мельницы : учебное пособие [Текст] / В. Я. Борщев. — Тамбов : Издательство Тамбовского технического университета, 2004. — 75 с.
3. Гурченко, П. С. Производство стальной литой термообработанной дроби в условиях машиностроительных предприятий [Текст] / П. С. Гурченко и др. — Минск : Беларусская Навука, 2014. — 113 с.
4. Механическое разрушение горных пород : учеб. пособие для вузов /Г. Г. Каркашадзе. — М. : Издательство Московского государственного горного университета, 2004. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN5741803016.html.
5. Экспертные исследования причин разрушения материалов : лекции [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www. studmed. ru/docs/document30004?view =1.
6. Павлиненко, О. И. Особенности структурообразования и производства колотой стальной дроби [Текст] / О. И. Павлиненко, М. А. Савицкая, Э. П. Левченко // Материаловедение : материалы республиканской студенческой научно-практической конференции. — Донецк : Дон-НТУ, 2017. — С. 44-48.
© Павлиненко О. И.
© Левченко Э. П.
Рекомендована к печати зав. каф. МОЗЧМДонНТУ, д.т.н., проф. Еронько С. П.,
к.т.н., проф. каф. ММКДонГТУ Ульяницким В. Н.
Статья поступила в редакцию 27.09.17.
Павлиненко О. I., к.т.н. Левченко Е. П. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕНЕРГОВИТРАТ НА РОЗКОЛЮВАННЯ СТАЛЕВОГО ДРОБУ ПРЯМИМ СТИСНЕНИМ УДАРОМ
Подано результати досл1дження впливу ударног дп при подр1бнент сталевого дробу. Визна-чем м1тмальт енерговитрати за допомогою процесу розколювання дробинок на експеримен-тальмй установц ударног дИ.
Ключовi слова: експеримент, сталевий др1б, розколювання, енерговитрати, затверд1ння, дефекти, прямий стиснений удар.
6ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2017. № 8(51)
Машиностроение и машиноведение
Pavlinenko O. I., PhD Levchenko E. P. (DonSTU, Alchevsk, LPR)
EXPERIMENTAL STUDIES OF ENERGY CONSUMPTION ON STEEL SHOT SPLITTING BY DIRECT CONSTRAINED STROKE
The research results of the shot impact at steel shot grinding are presented. The minimum energy consumption has been calculated due to the process of pellets cleaving at the experimental impact station.
Key words: experiment, steel shot, splitting, energy consumption, solidification, defects, direct constrained stroke impact.
