CC BY
32
Беззубцева М. М. Методические подходы к разработке электромагнитных механоактиваторов // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2017. -№2 (9) апрель - июнь. - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2017/2/00334.pdf. - ISSN 2413-4066
УДК 663.915
Беззубцева Марина Михайловна
Доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»,
г. Санкт-Петербург
mysnegana@mail.ru
Методические подходы к разработке электромагнитных механоактиваторов
Аннотация. Процесс механоактивации твердых тел представляет собой крупную научную и техническую проблему, вызванную отсутствием обобщенной теории, всесторонне объясняющей этот процесс и дающей достаточно точный математический аппарат для проектирования измельчающего оборудования (механоактиваторов), отвечающего требованиям производства по показателю энергоэффективности и селективности производимой продукции. В этой связи продукты помола отличаются завышенной энергоемкостью. В результате комплексного исследования выявлено несоответствие между технологическим и физически обоснованным энергопотреблением мельниц практически на всех стадиях диспергирования и механоактивации. Для решения этой актуальной проблемы необходим качественный переход к конструированию измельчающих устройств, основанных на принципах, обеспечивающих максимальное приближение энергии, потребляемой устройством из сети, к физическим обоснованным энергозатратам с учетом упрочнения частиц при уменьшении их размера в процессе помола. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что к адаптивным системам, обеспечивающим сбалансированное и управляемое энергетическое воздействие на частицы измельчаемого продукта, относятся электромагнитные механоактиваторы (ЭММА).
Ключевые слова: механоактивация, энергетические теории, селективность процесса
В настоящее время еще не разработана теория, которая полностью объясняет процесс механоактивации и дает точный математический аппарат для расчета энергии, затрачиваемой на формирование этого процесса при измельчении материалов. Все известные энергетические теории приемлемы только для определенного класса измельчения, конкретного типа мельниц и перерабатываемого продукта с определенными физико-химическими и реологическими свойствами. В этой связи при проектировании новых типов мельниц необходимо проходить путь от модели до промышленного образца с теоретическим и экспериментальным подтверждением полученных результатов [ 1, 2].
Идеальная методика технологии измельчения предусматривает выбор оптимального измельчающего аппарата при известных свойствах, количестве исходных материалов и создание соответствующих условий для проектирования и управления процессом. Однако в настоящее время еще не созданы такие условия и по-прежнему полагаются на опыт. Это объясняется специфическим подходом к разработке теории измельчения и принципов
создания измельчающих машин. Основной недостаток в решении указанных проблем заключается в узкоцелевом подходе к их решению.
Для решения задач о деформации и разрушении тел необходима более полная информация о поведении среды при нагружении [3]. Поэтому, необходимо иметь уравнение состояния, характеризующее физическое поведение среды а = а (е, е, Т...). Механическое поведение среды при нагружении устанавливает связь меду инвариантами — интенсивностью напряжений а, как основной характеристикой касательных напряжений и интенсивностью деформаций е как основной характеристикой сдвиговых деформаций в зависимости от температуры Т, скорости деформаций е и других параметров [4].
В исследованиях энергетических затрат, затрачиваемых на получение новой поверхности при измельчении, необходимо выделить теоретическую энергию разрушения Ец энергию раскалывания одиночных частиц Ее и механическую энергию измельчения агрегатов Ет. Между этими тремя видами энергии существует соотношение 1:57:910. Известно, что полный КПД измельчителя всегда меньше 1% [1]. В этой связи необходим пересмотр механизма работы этих машин. Следует критически проанализировать теоретические и технические взгляды на известные способы измельчения материалов и способы формирования диспергирующих усилий в мельницах. Почти двадцатикратная разница между энергией единичного раскалывания и энергией измельчения сырья указывает на необоснованность подхода с одной и той же меркой к данным о распределении продукта измельчения машин по форме, крупности и механизму единичного раскалывания. Сколько бы тщательно ни изучали дробление единичных частиц и, с другой стороны, не собирали обширные данные о работе машин для измельчения и не выводили эмпирических формул, между ними нет связи и они не могут непосредственно служить для расчета машин для измельчения - механоактивации. Физические принципы и явления измельчения, а также существующие машины и технология для измельчения имеют свои специфические размеры.
Самыми крупными недостатками, которые необходимо устранить с помощью дальнейших исследований, можно назвать, в частности, неопределенность влияния формы частицы на затраты энергии, используемой на разрушение, а также постоянство значений п в формулах вне зависимости от свойств материала и механизме разрушения частиц (по Риттингеру п = 2, по Кику п = 1 по Бонду п = 1,5) [3]. С другой стороны, в самое последнее время над существующими теориями измельчения стала преобладать энергетическая теория измельчения. Эта теория по своей сути представляет собой самый обычный закон сохранения материи, не содержит в себе ничего нового и не описывает прямо теорию измельчения. Вместе с тем, тот факт, что удалось аналитически описать процесс измельчения, заслуживает высокой оценки за то, что это пролило свет на теорию измельчения будущего. Энергетическая теория, которая возникла первоначально в результате экспериментальных наблюдений Арбитера, и для которой была сформулирована точка зрения, основанная не законе сохранения материи, выряжается по Годэну и Мелою следующим образом. Процесс измельчения можно описать, следуя основным положениям закона сохранения материи. Однако, определение избирательной функции и функции распределения проблематично. Первая из них не зависит от развития измельчения и задается функцией только размера частиц. В противоположность этому положению, предположение о постоянстве функции, выражающей распределение по крупности частиц, образовавшихся при разрушении единичной частицы, и об отсутствии значительной разницы для различных веществ, если исходить из физических представлений, нельзя назвать совершенным. В конечном счете, энергетические теории измельчения базируются на теории упругости и теории пластичности. Некоторые теории разрушения, например, теория Гриффитса и теория разрушения, основанная на энергии деформаций, существуют самостоятельно и образуют систему своеобразных теорий. Значительное превышение энергии, затрачиваемой на дробление и измельчение в современных машинах для измельчения, над сопротивлением твердых частиц разрушению является доказательством отсутствия учета физических свойств
и состояния твердых тел. В результате этого в конечном итоге падает к.п.д. машин для измельчения [5]. Это является также причиной того, что измельчение - механоактивация, представляющее собой процесс уменьшения крупности веществ, имеет до сих пор низкие экономические показатели. Известно, что прежние теории измельчения непригодны для непосредственного проектирования измельчительного оборудования, поскольку они базируются на не согласующихся (не адекватных) масштабах внутримельничных процессов и масштабов механизма разрушения в машинах для измельчения. И хотя, как упоминалось, в качестве формулы, описывающей явления в машинах для измельчения, существует уравнение теории энергетического измельчения, проблемным запросом является определение избирательной функции и функции распределения, входящих в это уравнение.
Большинство машин для измельчения, применяемых в нестоящее время, принадлежат к типам, в основу которых положен принцип: «При столкновении частиц обязательно происходит разрушение, однако вероятность столкновения мала и изменяется в зависимости от типов машины» [1]. Вероятность столкновения и коэффициент распределения частиц по крупности в результате разрушения, независимо от главнейших факторов, определяются механизмом разрушения в измельчающих машинах и пригодны только для качественного описания процесса и не заслуживают серьезного внимания. Необходимо отметить, что при столкновении частицы не обязательно разрушаются, но вероятность столкновения составляет 100%. Избирательная функция в таком процессе всегда постоянна и равна 1 или 100, поэтому можно учитывать только функцию распределения, отражающую свойства измельчаемого вещества. Если, исходя из положения о том, что частицы не обязательно разрушаются, разработать теорию вероятности разрушения, основанную на теории упругости и теории пластичности частиц, то будет сформулирована новая теория измельчения, определены напряжения, приводящие к разрушению. Упростится процесс проектирования мельниц, обеспечивающих соответствующие напряжения. Тогда будет обоснована новая технология измельчения с помощью математических и физических принципов.
Машина для измельчения должна осуществлять заданную селективность процесса измельчения при минимальных затратах энергии [6]. Тогда такой тип аппарата можно считать универсальным и сочетающим в себе функции механоактиватора-измельчителя, классификатора и сепаратора. Особенно это актуально в области наиболее энергоемкого тонкого и сверхтонкого измельчения [7]. Совмещение стадий диспергирования в одном аппарате является приоритетным направлением развития техники измельчения. Внедрение способа механоактивации, обеспечивающего высокие показатели селективности, требует детального изучения энергокинетических закономерностей процессов [3] .
Ссылки на источники
1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Прикладные исследования электромагнитных механоактиваторов: монография. Издательство LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2016. - 174с.
2. Беззубцева М.М., Волков В.С., Обухов К.Н.. Научное обоснование внедрения импортозамещающего способа электромагнитной механоактивации в аппаратурно-технологические системы шоколадного производства: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 2016. -197 с.
3. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование селективности процесса измельчения в электромагнитных механоактиваторах: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 2016. - 248 с.
4. Беззубцева М.М., Волков В.С. Энергокинетические закономерности электромагнитной механоактивации: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 2016. - 270 с.
5. Беззубцева М.М., Волков В.С. Механоактиваторы агропромышленного комплекса. Анализ, инновации, изобретения: Монография. - СПб.: СПбГАУ, 2014. - 162 с.
6. Беззубцева М.М., Волков В.С., Обухов К.Н., Котов А.В. Энергетическая теория способа формирования диспергирующих нагрузок в электромагнитных механоактиваторах // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 12-6. - С. 11571161.
7. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование энергоэффективности дискового электромагнитного механоактиватора путем анализа кинетических и энергетических закономерностей // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 10-9. - С. 1899-1903.
Marina Bezzubtseva
Doctor of Technical Sciences, Professor, SPbGU, Saint Petersburg
Methodological Approaches to the Development of Electromagnetic Mechanoactivation
Abstract. The process of mechanical activation of solids is a major scientific and technical problem caused by the lack of a generalized theory, thoroughly explaining the process and giving a precise mathematical apparatus for designing grinding equipment (mechanoactivation), meet the requirements of production in terms of efficiency and selectivity of products. In this regard, the products of different grinding high energy consumption. As a result of comprehensive research revealed a mismatch between technological and physically-based energy consumption of the mills at all stages of dispersion and mechanical activation. To solve this pressing problem requires a qualitative shift to the design of the grinding device, based on the principles of providing maximum approximation of the energy consumed by the device from the network to the physical-based energy, given the hardening of particles with decreasing size in the crushing process. On the basis of theoretical and experimental studies, adaptive systems, providing a balanced and controlled energy effect on the particles of the comminuted product are solenoid mechanoactivation (EMMA).
Keywords: the activation energy theory, the selectivity of the process.
