CC BY
7Уральский В.И., канд. техн. наук, проф., Дубинин Н.Н., канд. техн. наук, проф.
Рубанов В.Г., д-р техн. наук, проф., Стативко С.А., вед. инженер Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УРАВНОВЕШИВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПОМОЛЬНОГО АГРЕГАТА
WIURAL@mail.ru
В статье представлены научно-технические разработки по созданию эффективной системы уравновешивания рычажного механизма центробежного помольного агрегата с возможностью автоматической регулировки в ходе технологического процесса измельчения при изменении величины мелющей загрузки в рабочих камерах.
Ключевые слова: помольный агрегат, рычажный механизм, уравновешивание, противовес, дифференциальный механизм.
Одним из направлений повышения эффективности помольного оборудования является создание энергосберегающих центробежных измельчителей с различными траекториями движения рабочих камер для обеспечения избирательного динамического воздействия на измельчаемый материал на всех стадиях его помола, а также с расширенными технологическими возможностями в соответствии с требованиями технологического процесса.
В Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова коллективом авторов разработаны и созданы центробежные помольные агрегаты (ЦПА), основу конструкции которых составляет рычажный механизм (рис. 1) [1...3].
Технические характеристики опытно-экспериментального образца ЦПА с одним помольным блоком представлены в таблице 1.
Таблица 1
Технические характеристики центробежного
Рис. 1. Общий вид центробежного помольного
агрегата
Центробежный помольный агрегат (рис. 2) состоит из станины 23; трех помольных камер 3, 9, 15, жестко закрепленных на подвижной раме 24; разгрузочных 5, 11, 17 и загрузочных 1, 7, 13 патрубков с ограничительными решетками 2, 4, 8,10, 14, 16 и противовесов 19 для балансировки рычажного механизма. Подача материала осуществляется через загрузочный бункер, снабженный горизонтальной заслонкой и работающий как вибробункер. С загрузочным патрубком верхней помольной камеры бункер связан гибким соединительным патрубком.
Помольный агрегат снабжен противовесами, расположенными на концах эксцентрикового вала, который является входным звеном кри-вошипно-ползунного механизма. Противовесы имеют возможность ручного перемещения и установки в требуемое положение, которое определяется в зависимости от массы подвижных частей агрегата, включая мелющую загрузку в рабочих камерах. Такой принцип уравновешивания позволяет обеспечить статическую балансировку рычажного механизма, которая
помольного ^ агрегата
Характеристики Размер мерность Обозначение Значение
Диаметр камеры помола м Ан 150 ■ 10-3
Длина камеры помола м Lk 500 10"3
Коэффициент загрузки камер Ф 0,25...0,35
Частота вращения эксцентрикового вала мин-1 n 350...420
Величина эксцентриситета м е (5.25) 10"3
Мощность привода кВт РХдв 2,2
Габаритные размеры: -длина -ширина -высота м L B H 2340 10"3 816 10"3 1286 10"3
малоэффективна, так как при работе агрегата подвижные части движутся с достаточно большими скоростями, изменяющимися по величине и направлению. Возникают значительные ускорения и инерционные нагрузки, следствием которых является вибрация конструкции, что негативно сказывается на прочностных характеристиках агрегата (возникновение усталостных явлений, дополнительных напряжений и т.п.).
n
рп p)=ip .
(1)
Рис. 2. Схема центробежного помольного агрегата
Кроме этого, в процессе измельчения материалов с различными физико-механическими свойствами может появляться необходимость изменения параметров режимов работы агрегата, например, изменение коэффициентов загрузки рабочих камер. Следовательно, меняется величина массы и положение центра масс помольного блока. Все это приводит к появлению дополнительной вибрации, что влечет за собой снижение ресурса работы узлов и деталей помольного агрегата и отрицательно сказывается на его работе в промышленных условиях в це-лом.Проведенные ранее исследования динамики механической системы агрегата [4, 5, 6] позволяют количественно оценить динамические характеристики конструкции.
Для оценки влияния на энергосиловые характеристики ЦПА движения мелющей загрузки внутри помольных камер рассмотрена работа агрегата без учета и с учетом воздействия мелющей загрузки на звенья рычажного механизма. Расчетная схема рычажного механизма представлена на рис. 3.
Для решения поставленной задачи использован метод определения приведенных моментов, который заключается в равенстве мощностей, развиваемых приведенным моментом (приложенным к звену приведения - звену 1) и заменяемыми силами и моментами, приложенными к звеньям механизма, т.е.
Применим данный метод к рычажному механизму ЦПА для режима установившегося движения (угловая скорость вращения звена 1 ю = const).
Представим мощность, необходимую для преодоления сил сопротивлений, выражением
pn (p) = mc (p)to, (2)
где МС - приведенный момент сил сопротивлений, Н м; ю - угловая скорость звена приведения (эксцентрикового вала), рад/с.
Y
/ 3
F и2 ЧУ т) \Ми2
2 S2 4 у
^TG2
A ^p;
ю; 4 XjM у ■x
о_/
Рис. 3. Расчетная схема рычажного механизма без учета действия мелющей загрузки
Величину приведенного момента МС можно представить в следующем виде
IЛ
Mc (p) = ~L
(3)
ю
где I Pj будет определяться выражением
ЁР =Ё+ ЁМЛ , (4)
1 1 1
где Р7 - сила, приложенная к звену 7, Н; М7 -момент, приложенный к звену 7, Н м; у7 - скорость точки приложения силы ^ , м/с; ш7 - угловая скорость звена 7, рад/с; а7 - угол между векторами силы ^ и скорости ^^ , град.
1
un
1
В результате получено выражение для определения приведенного момента МС сил сопротивлений для различных положений механизма в зависимости от угла поворота ф эксцентрикового вала. Начало отсчета угла от положительного
направления оси Х (рис. 3). Массу ползунов (звена 3) не учитываем, т.к. она мала по сравнению с массами эксцентрикового вала и подвижной рамы с закрепленными на ней помольными камерами (звена 2).
mci= (g v
- Ci
+ 2 • gn-уп
51г
• COS^i + G2 •Vs2i
COS &2i + РИ 2i •VS2i
COS«3i +MИ 2i -^2, +
COS«4, + 2 РИп
cosa
(5)
где МС7 - приведенный момент сил сопротивлений для 7-го положения механизма, Нм; 01 - сила тяжести эксцентрикового вала, Н; G2 -сила тяжести подвижной рамы с закрепленными на ней помольными камерами (помольного блока), Н; ^И27 - сила инерции помольного блока для 7-го положения механизма, Н; МИ27 - момент сил инерции помольного блока для 7-го положения механизма, Нм; Gп - сила тяжести противовеса, Н; Рп - сила инерции противовеса, Н; У517 - скорость центра масс эксцентрикового вала, м/с; У527 - скорость центра масс помольного блока для 7-го положения механизма, м/с; У5п - скорость центра масс противовеса, м/с; ю - угловая скорость эксцентрикового вала,
град; а37 - угол между векторами РИ2, и У32,,
град; а47 - угол между векторами Оп и У3п,
град; а5 - угол между векторами Рип и У3п , град.
Для опытно-экспериментального образца ЦПА с величиной эксцентриситета е = 0,02 м определено максимально возможное значение момента МС = 19,55 Нм.
По результатам исследования движения мелющих тел в камерах ЦПА составлена расчетная схема, представленная на рис. 4.
Для данного случая выражение (3) имеет
вид:
рад/с; а27 - угол между векторами О2 и У32,,
МС, = (°1 • У51, ■ СОв ац + 02 • у2, ' ^ а2г + Риъ • у2г • СОв азг + МИ2г • ®2, +
+ 2 °п •Уцп-COS a4¿ + 2 рИп VSп
cos а
• COS a8i + р
+ gmз • vsmз, •COS аюг + fsи3i • vsmз, •COS аиг)/®i
5 + GMi • VSMi • COS a6i +
+ РИМi • VSMi • COS a7i + GM2 • VSM2
ИМ2 • VSM2 • COS a9i +
(6)
где GМ1 - сила тяжести мелющей загрузки нижней камеры, Н; ^ИМ1 - сила инерции мелющей загрузки нижней камеры, Н; GМ2 - сила тяжести мелющей загрузки средней камеры, Н; ^ИМ2 -сила инерции мелющей загрузки средней камеры, Н; GМ3 - сила тяжести мелющей загрузки верхней камеры, Н; ^ИМ3 - сила инерции мелющей загрузки верхней камеры, Н; а67 - угол
между векторами Ом 1 и УЗМ1, град; а77 - угол
между векторами Римх и ¥ш 1, град; а8г- - угол
между векторами ОМ2 и УЗМ2, град; а97 - угол
между векторами Рим 2 и Уш 2, град; аш - угол
между векторами Ом з и Уш з, град; аш
- угол между векторами Р^и 3 и У^М 3 град.
Максимально возможное значение момента составляет МС = 28,90 Нм. Увеличение приведенного момента сил сопротивления на 47,8% свидетельствует о значительном влиянии мелющей загрузки на динамические свойства механической системы.
f им1
Sm1
Рис. 4. Расчетная схема рычажного механизма с учетом действия мелющей загрузки
В результате становится очевидной необходимость создания для агрегатов подобного типа двух систем уравновешивания. Одна система,
основная, уравновешивает непосредственно рычажный механизм; вторая, дополнительная, уравновешивает действие мелющей загрузки в помольном блоке. Причем, дополнительная система должна иметь возможность автоматического регулирования в зависимости от изменения величины массы и расположения центра масс помольного блока.
Исходя из поставленной задачи, разработано модульное уравновешивающее устройство, обеспечивающее в процессе работы агрегата дополнительное уравновешивание механизма и снижение уровня вибрации [7]. Схемы привода ЦПА без дополнительного устройства и с модульным уравновешивающим устройством представлены на рис. 5.
Узлы агрегата смонтированы на станине 1. Вращение от электродвигателя 2 через клиноре-менную передачу 3 передается на эксцентриковый вал 4. Для предотвращения упругих деформаций эксцентрикового вала вследствие его значительной длины используются зубчатые передачи 5 и промежуточный вал 6. Рама 7 является шатуном в кривошипно-ползунном механизме, а
она шарнирно связана с эксцентриковым валом 4 и ползунами 8. На эксцентриковом валу 4 расположены противовесы 9, уравновешивающие рычажный механизм. Модульное уравновешивающее устройство, представляющее собой дифференциальный зубчатый механизм, содержит шестерни 10 для передачи крутящего момента от эксцентрикового вала 4 на дополнительный полый вал 13, который соединен с во-дилом 14 дифференциального механизма. Внутри вала 13 расположены полуоси 15, связанные с коническими зубчатыми колесами полуосей дифференциального механизма и электромагнитными муфтами 11. Противовес 12 через ходовой винт и передачу «винт-гайка» связан с сателлитом дифференциального механизма и осуществляет поступательное перемещение по направляющим, закрепленным на водиле, в одну или другую сторону при изменении частоты вращения одной из полуосей. Электромагнитные муфты управляются системой управления, в состав которой входят программируемый контроллер, датчик положения противовеса и блок питания.
б
Рис. 5. Схема привода ЦПА: а - без модульного уравновешивающего устройства; б - с модульным уравновешивающим устройством
Работает модульное уравновешивающее устройство следующим образом. При установленном допустимом уровне вибрации стойки агрегата (заданной точки) муфты отключены и сателлиты неподвижны по отношению к зубчатым колесам полуосей 15. Полуоси 15 и промежуточный вал 13 вращаются с одной угловой скоростью. При изменении уровня вибрации система управления включает одну из муфт, угловая скорость полуоси уменьшается, в результате чего получает относительное вращение сателлит дифференциального механизма и связанный с ним ходовой винт. Противовес 12 перемещается вдоль оси ходового винта до тех пор, пока уровень вибрации не достигнет установ-
ленной величины. Следует отметить, что масса противовеса 12 (2 кг) существенно меньше массы основных противовесов 9, т.к. рассчитывается, исходя из величины номинальной массы мелющей загрузки в рабочих камерах.
Таким образом, разработанная система автоматического снижения вибрации, содержащая модульное уравновешивающее устройство, может поддерживать заданную амплитуду вибрации или периодически ее изменять в зависимости от условий технологического процесса без остановки агрегата.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент РФ №2005118705/03, 24.06.2005. Гридчин А.М., Севостьянов В.С., Лесовик В.С., Уральский В.И., Синица Е.В. Помольно-смесительный агрегат // Патент России №2277973. 2006. Бюл. №17
2. Патент РФ №2008109444/03, 11.03.2008. Гридчин А.М., Севостьянов В.С., Лесовик В.С., Уральский В.И., Уральский А.В., Синица Е.В. Помольно-смесительный агрегат // Патент России №2381837. 2010.Бюл. №5.
3. Уральский А.В., Севостьянов В.С. Многофункциональный центробежный агрегат с параллельными помольными блоками // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. №1. С. 106 -112.
4. Гридчин А.М., Севостьянов В.С., Лесовик В.С., Уральский В.И, Синица Е.В., Уральский А.В. Энергосберегающие помольные комплексы для получения механоактивированных композиционных смесей // Известия вузов. Строительство. 2009. №5. С. 68-79.
5. Синица Е.В., Уральский А.В., Плетнев А.В. Влияние движения мелющей загрузки на динамику центробежного помольно-смесительного агрегата // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сб. докладов Международной научно-практической конференции. -Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. С.188-192.
6. Севостьянов В.С., Уральский В.И., Синица Е.В., Уральский А.В. Вопросы динамического исследования центробежного помольно-смесительного агрегата // Вибрационные машины и технологии: Сборник науч. тр. / редкол: С.Ф. Яцун (отв. ред.) [и др.]; Курский гос. техн. унив-т. - Курск, 2008. - С. 596-601.
7. Патент РФ №2012117656/13, 27.04.2012. Глаголев С.Н., Рубанов В.Г., Севостьянов В.С., Уральский В.И., Стативко А.А., Стативко С.А., Бушуев Д.А. Помольно-смесительный агрегат с автоматической балансировкой // Патент России № 2494813. 2012. Бюл. №28.
