ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КУСКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

05.20.01 - ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА _(ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)_

М.Б. Балданов, канд. техн. наук, доц., e-mail: munko.baldanov@mail.ru Ю.А. Сергеев, д-р техн. наук, проф. Д.Б. Лабаров, д-р техн. наук, проф.

Ц.И. Гармаев, канд. техн. наук, и.о. доц.

Бурятская ГСХА им. В.Р. Филиппова, г. Улан-Удэ

УДК 621.3

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КУСКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Целью данной работы является энергетическая оценка поцесса измельчения материалов в новом измельчителе. В статье рассмотрены некоторые теоретические вопросы процесса измельчения кусковых материалов, в частности фуражного зерна. На основании теоретического и патентного исследований разработана и изготовлена экспериментальная установка для измельчения кусковых материалов. В качестве теоретической основы для изучения технологического процесса и выявления энергетических показателей измельчения принята рациональная формула В.П. Горячкина как наиболее полно отражающая процессы, происходящие в измельчительных машинах. В.П. Горячкин предложил данную формулу первоначально для определения силы тяги плуга. Однако оказалось, что она применима и для определения силы сопротивления резанию металла и дерева резцом и сельскохозяйственных материалов ножом, сопротивления воды перемещению парохода, сопротивления воздуха полету аэроплана и т.д. Чтобы подтвердить применимость этой формулы к измельчительным машинам, проведен предварительный анализ трехчленного уравнения, и после преобразования получено уравнение энергетического баланса работы нового измельчителя кусковых материалов. Данный измельчитель может применяться для предварительной подготовки угля для современных энергоблоков нового поколения и для измельчения продуктов растениеводства.

Ключевые слова: измельчение, монолитный молоток, дека, «удар влет», «скалывание - срез», энергетические показатели, энергетический баланс.

M.B. Baldanov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.

Yu.A. Sergeev, Dr. Sc. Engineering, Prof.

D.B. Labarov, Dr. Sc. Engineering, Prof. Ts.I. Garmaev, Cand. Sc. Engineering

ENERGY EVALUATION OF THE GRINDING PROCESS OF LUMP MATERIALS

Topic: Energy evaluation of the process of grinding lump materials. The purpose of this work is - energy evaluation of the process of grinding materials in a new shredder. Some theoretical questions of grinding process of lump materials in particular feeding grain are considered in the article. On the basis of theoretical and patent research, we have developed and manufactured an experimental installation for grinding lump materials. The rational formula of V. P. Goryachkin is accepted as a theoretical basis for the study of the technological process and the identification of energy parameters of grinding, as the most fully reflecting the processes occurring in grinding machines. V. P. Goryachkin proposed this formula, initially to determine the thrust of the plow. However, it turned out that it can be used to determine the strength of resistance to cutting metal and wood cutter and agricultural materials with a knife, water resistance to the movement of the ship, the resistance of air to the flight of the airplane, etc. To confirm the applicability of this formula to the grinding machines, a preliminary analysis of the three-term equation was carried out and after the conversion we obtained the equation of the energy balance of the new shredder of lump materials. This chopper can be used for preliminary preparation of coal for modern power units of a new generation andfor grinding of crop products.

Key words: grinding, monolithic hammer, deck, "blow-substituting the fly value", "cleavage-slice", energy parameters, energy balance.

Введение

Измельчение - процесс разрушения кусков твердого материала до необходимого размера.

Измельчение применяют во многих отраслях промышленности, в том числе и аграрной. В цветной и черной металлургии измельчению подвергается практически весь объем горной массы [1]. А уголь уже давно используется людьми в качестве энергетического топлива. Однако этот вид топлива имеет существенный недостаток - при его сжигании в атмосферу выделяются вредные газообразные выбросы, являющиеся продуктами неполного сгорания угля. Чтобы уменьшить выброс данных веществ и увеличить калорийность топлива, материал перед сжиганием предварительно измельчают. Для этих целей применяется дробилка для угля, предназначенная для измельчения крупных кусков топлива на мелкие куски определенного размера. Для того чтобы использовать уголь более рационально, эффективно и результативно, его обрабатывают и дробят на различные размеры. А в животноводческой отрасли обязательным условием является измельчение фуражного зерна и корнеклубнеплодов для кормления животных и птиц. Измельчение является одним из наиболее энергоемких процессов при переработке кормов [2, 4].

Предмет исследования - закономерности, условия и режимы функционирования измельчителя и связь с затратами энергии на процесс измельчения.

Материал и методы исследования

Измельчение осуществляют методами раздавливания, раскалывания, излома, срезывания и истирания. На основании проведенного исследования предлагается измельчитель зерновых и кусковых материалов.

Ротор измельчителя состоит из двух дисков, на которых крепятся монолитные молотки на шарнирно-подвижных осях.

Рабочий орган измельчителя отлит монолитно в форме трехгранной призмы с двумя стойками для шарнирного закрепления на диске ротора. Молоток - в виде трехгранной призмы с двумя режущими кромками для измельчения материала выполнен по длине измельчающей камеры.

В измельчающей камере материал попадает под ударное воздействие монолитного молотка (способ измельчения «удар влет») и получает частичное разрушение (микротрещины). Частично разрушенный материал приобретает ускорение, направленное перпендикулярно к неподвижной грани деки, где происходит его полное разрушение между острыми кромками

монолитного молотка и острыми ребрами граней неподвижной деки (способ «скалывание -срез) [3].

Для определения энергетических показателей измельчителя и теоретического обоснования технологического процесса измельчения за основу взята рациональная формула В.П. Го-рячкина как наиболее полно отражающая процессы, происходящие в измельчительных установках.

Для определения силы тяги и сопротивления резанию сельскохозяйственных машин применяется формула (1), но она может быть применена и для процесса измельчения.

P=f G+k а Ь п +е а Ь п V2. (1)

Формулу (1) можно представить в виде:

F=Fo+kab +■abv2, (2)

где Fo - сопротивление на протаскивание рабочего органа в среде, где материалы этой среды не подвергаются деформации.

Формулу (2) можно выразить как мощность (кВт):

Р = F0 +К ■ а■ Ь ■ V + Е abv3. (3)

По аналогии с формулой (3) можно получить и такую формулу:

А=А1+А2+АЗ. (4)

а , С".

Применительно к машине для измельчения материала

А - общая работа машины;

А1 - работа, затрачиваемая на холостой ход рабочих органов, т.е. энергия, затрачиваемая на преодоление вредных сопротивлений;

А2 - работа, затрачиваемая на процесс измельчения материала при воздействии рабочих органов;

Аз - работа, затрачиваемая на перемещение и отбрасывание материала в процессе измельчения.

Чтобы подтвердить применимость этой формулы к измельчительным машинам, проведем предварительный анализ трехчленного уравнения (4) [1].

Результаты исследования

Первый член А1 уравнения (4) применительно к измельчителю выражает работу на преодоление вредных сопротивлений (холостой ход) рабочих органов. Вредные сопротивления вызываются двумя причинами: трением в подшипниках и сопротивлением воздуха.

По теории молотильного барабана, разработанной В.П. Горячкиным, мощность холостого хода измельчителя, т.е. мощность на преодоление вредных сопротивлений, равна:

Рхх=Ао а + В0®3;

о • 3 3

Рхх=Rоп■ /п ■ г ■ а + у ■■г ■ гла , Вт, ла 2

где Яоп - суммарная реакция в опорах; ^ - коэффициент трения в подшипниках; г - радиус цапфы; г - число кронштейнов с подвешенными на них молотками; а - угловая скорость,

Ж ■ п

где у^ - плотность воздуха, обычно принимается равной 1,2 кг/ м3; Sл - лобовая площадь одного комплекта кронштейнов с молотками, расположенных поперек направления движения, м2; Гл - расстояние центра лобовой поверхности от оси вращения барабана, м; Ао и Во - коэффициенты, выражающие сопротивление трения и сопротивления воздуха при его вытеснении; Рхх - мощность холостого хода при различных частотах вращения ротора.

Второй член А2 формулы (4) выражает работу, затрачиваемую на процесс измельчения материала.

Основной расход работы в процессе измельчения идет на образование новых поверхностей и деформацию материала, т.е. используется на способы измельчения «удар влет» и «скалывание - срез».

Первая статья расхода энергии зависит от свойств измельчаемого материала. Эта часть работы при измельчении однородного материала постоянна и подчиняется закону пропорциональности затраченной работы на образование микротрещин на поверхности материала в результате его измельчения.

Вторая статья расхода энергии идет на деформацию материала и зависит от способа измельчающих усилий и от вида деформации «скалывание - срез».

Из теоретической механики известно, что работа, используемая для разрушения материала при ударе, пропорциональна квадрату скорости соударения

Ам = т 'Пуд , Дж, (5)

где т - масса материала, находившаяся в технологическом процессе за 1 с; и соуд - скорость соударения молотка с частицей зерна, равна

и соуд = ир- и с, м/с, (6)

где Пуд - число ударов наносимых монолитными молотками по материалу в одну секунду.

59

Пс=— = — с-1. (8)

П ^ = ■ nn, (10)

Для определения количества ударов Пуд в секунду необходимо знать частоту вращения ротора

Пр = ^, с1 (7)

р 60

и частоту вращения измельчаемого материала за это же время

_ 1 U

1с="

ti Sc

Количество ударов за секунду определяется по формуле:

n1

^ ■ nn = пуд. (9)

Пс

Подставляя значения пр из выражений (7) и (8) в (9), получим:

npSt

60 и

с

где Sc - длина измельчающей камеры, мм; Пп - число монолитных молотков на роторе.

Заменив значения m, U соуд, п уд, определяемых формулами (23, 6, 9) в формуле (5) и преобразуя, получим:

U-ис )2 ■npSc'nn Qt (ир - fe-ир )2 ■n p 'S с' nn qt=-=-. (11)

2■3600■60■ис 2■60■3600■ fc ■up

S ■ n

Обозначив постоянные величины формулы через-с—п— = К , получим

* F ' F 2-60-3600 '

Р2= Q т пр Up ( f- - 2 + /с )K¡ , Вт. (12)

Поскольку работа измельчителя расходуется на создании новых поверхностей, то производительность будет зависеть от степени измельчения, определяемой площадью вновь образуемых поверхностей:

Qт = S, -, (13)

Sj ч

где S - поверхность, которую может образовать измельчающий аппарат, м2/ ч, определяемая кинематикой и конструктивными особенностями измельчителя; S1 - величина поверхности, которую необходимо получить в измельченном материале, м2/кг, определяемая крупностью частиц, обусловливаемою зоотехническими требованиями.

На основании вышеизложенного формулу (12) можно записать в виде:

S 2 1

P2=— ■np •Up ■ Sin¿a(— - 2 + /с)KM. (14)

S1 1с

Третий член А3 формулы (4) выражает расход работы на отбрасывание материала и преодоление сил трения. Следовательно, расход мощности на этот вид сопротивления определится:

Р3=Ротб+Ртр. (15)

Известно, что

Рт^тр. Uñ, (16)

где

F^= fg. (17)

Подставляя в уравнение (16) значение сил трения, получим:

т иС

Ртр=—ис-/8. (18)

К

Скорость движения и с определяется путем деления длины измельчающей камеры & на время пребывания частицы в измельчающей камере:

ис=—. (19)

^с

Путь частицы & в метрах в измельчающей камере определяются:

&=(2 жК - С), (20)

где С - часть рабочей длины деки, не участвующая в технологическом процессе, т.е. длина окна камеры для вывода измельченной массы из измельчителя.

Если нет трения измельчаемого материала о внутреннюю поверхность измельчающей камеры, то скорость его движения должна быть равна скорости движения рабочих органов (молотков), а следовательно, число оборотов корма в камере измельчения должно равняться числу оборотов ротора машины, т.е.

жD'nc Ж' D'nh

-=- или Пс= Пр.

60 60 р

Однако при движении в камере измельчения имеет место трение о деку и другие частицы измельчающей камеры, поэтому введен коэффициент/с, условно названный коэффициентом скольжения. Практически справедливо уравнение:

пс=/спр, (21)

где Пр - частота вращения ротора, мин-1; Пс - число смен порции измельчаемого материала внутри камеры измельчения в минуту.

Отсюда следует, что если в минуту ротор измельчителя совершает Пр оборотов, то число рабочих ходов в минуту будет равно Пс=/ ■ Пр.

Таким образом, если измельчитель имеет производительность Qт кг/ ч, то за каждую смену порции в камере измельчения будет измельчено:

Я" -, (22)

ч 60 ■ /с-Пр к '

где я' - количество материала, находящегося в технологическом процессе, в кг.

Масса материала, находящаяся в технологическом процессе за одну секунду, определится:

Ч = & Пс _ &

т = ■

кг, (23)

g 60/сПр 60 3600 где g - ускорение сил свободного падения, м/с2.

Поставляя значение т из формулы (23) в выражение (18) и учитывая, что иЙ = /сиб, получим:

= МХ^ кВт. (24)

3600gК

Кинетическая энергия, затрачиваемая на отбрасывание (ускорение) измельчаемого материала в процессе его измельчения, равна

т ■ и2

Тотб=т^от^. (25)

2

При прямом центральном ударе скорость отбрасываемых частиц равна скорости монолитного молотка в точке удара, поэтому и отб= и р. Предположим, что и р - это скорость конца монолитного молотка и удары наносятся по частицам только концами молотков. Тогда Тотб.=

т • ир

-— а при эксцентричном ударе

2

т • (ор • Sina)

Тотб=-, (26)

2

где а - угол наклона ударной грани молотка к поверхности деки. Подставляя значение массы т из (23) в (26), получим:

0Т (и^та)2 дж

Ротб= ^^--, — (Вт). (27)

2•3600 с

Отсюда мощность, расходуемая на отбрасывание измельчаемой массы при

производительности измельчителя Qт, —, будет:

ч

Рт.-Ь-Ъ-*™? . (28)

2•3600

Таким образом, мощность, затрачиваемая на ускорение частиц и преодоление трения измельчаемого материала в процессе измельчения, определяется:

Рз=Ротб. (29)

Обозначая постоянные величины первой части формулы через-1-= К ,

2-3600

получаем:

Рз= QтКw( Ор-Мпа)2,Вт. (30)

Таким образом, определены все три члена теоретической формулы для энергетического расчета измельчителя кусковых материалов [5].

Формула потребной мощности при производительности Qт (кг/ч) имеет вид:

Р = 1

1 тр

V

( „, с V „3 л (

YeSn-i-r3

2 J

1

Ron-fn-r-0 + 'в \ л 03 + QTßpvp — -2 + fc -Км + QTRw (Vp-Sinay. (31)

fc

✓T w V p

\J c J

Вывод

Получено уравнение энергетического баланса работы нового измельчителя кусковых материалов. Данный измельчитель может применяться для предварительной подготовки угля для современных энергоблоков нового поколения и для измельчения фуражного зерна и корнеклубнеплодов .

Библиография

1. Балданов М.Б. Определение параметров малогабаритной молотковой дробилки фуражного зерна: дис. ...канд. техн. наук. - Новосибирск, 2008.-167 с.

2. Лисица А. В. Дробление твердых пород в центробежно-ударных дробилках [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 25.00.13: защищена 10.12.2002 / Лисица Андрей Васильевич. - Минск, 2002. - 23 с.

3. Патент на изобретение № 2478008 Монолитный молоток универсального измельчителя / Шагдыров И.Б., Балданов М.Б. - 27.03.2013.

4. Райханова Г.Е. Обоснование и выбор параметров силовой установки механизированного комплекса для измельчения смерзшегося угля [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06: защищена 10.05.2011 / Райханова Галия Елеубаевна. - М., 2011. - 20 с.

5. Шагдыров И.Б. Механико-технологические основы создания многостадийных измельчителей фуражного зерна: монография [Текст] / И.Б. Шагдыров, М.Б. Балданов; Бурятская гос. сельскохоз. акад. - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА, 2010. - 234 с.

Bibliography

1. BaldanovM.B. Determination of parameters of small-sized hammer crusher for coarse grains: dis. ... cand. tech. sciences. - Novosibirsk, 2008. - 167 p.

2. LisitsaA.V. Crushing of hard rocks in centrifugal impact crushers [Text]: author. dis. ... cand. tech. sciences: 25.00.13: protected 10.12.2002 / Lisitsa Andrey Vasilevich. - Minsk, 2002. - 23 p.

3. Patent for invention N 2478008 Monolithic hammer of universal shredder / I.B. Shagdyrov, M.B. Baldanov 03/27/2013.

4. Raykhanova G.E. Justification and selection of parameters of the power plant of the mechanized complex for grinding frozen coal [Text]: author. dis. ... cand. tech. sciences: 05.05.06: protected on 10.05.2011 / Raykhanova Galiya Eleubaevna. - M., 2011. - 20 p.

5. Shagdyrov I.B. Mechanical and technological foundations of the creation of multi-stage shredders of coarse grains: Monograph [Text] / I.B. Shagdyrov, M.B. Baldanov; Buryat State agricultural Acad. - Ulan-Ude: BSAA, 2010. - 234 p., ill. - Bibliogr .: p. 155 ... 177 - 100 copies. - ISBN 978-5-8200-0189-