CC BY
31
УДК 622.7 С.М. Федоров
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИКИ ШАРОВ В ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЕ
Семинар № 15
~П настоящее время возросла по-
Х^требность в увеличении производства мелкодисперсных материалов в химической, строительной, лакокрасочной и других отраслях промышленности. Для получения этих материалов на обогатительных фабриках используются различные мельницы, среди которых следует выделить вибрационные мельницы, обеспечивающие при достаточной производительности высокую дисперсность материала, достигаемую в результате воздействия измельчающих тел, в качестве которых чаще всего используются стальные шары.
В последние десятилетия широкое распространение получили конструкции вибрационных мельниц с горизонтальным расположением помольных камер и инерционным вибровозбудителем (рис. 1), работающие в зарезонансном режиме.
Для изучения механики движения шаров в помольной камере горизонтальной трубной вибрационной мельницы в лаборатории кафедры горной механики и транспорта Московского государственного горного университета был смонтирован вибрационный стенд, схема которого представлена на рис. 2. Стенд позволял изменять частоту вращения и статический момент дебаланса в широких пределах. Одна из торцевых сторон помольной камеры была изготовлена из плексигласа, что дало возможность наблюдать за меха-
никой процессов, проходящих внутри камеры. Диаметры шаров и помольной камеры составляли соответственно 10 мм и 150 мм. Амплитуда колебаний помольных камер варьировалась в пределах 1-4 мм. Колеблющаяся часть стенда совершала движения по траектории, близкой к круговой. Для изменения частоты колебаний использовался частотный преобразователь марки БЯ8-5208 БСЯ фирмы “МЙБиЫзЫ”. Движение шаров внутри помольных камер фиксировались с помощью видеокамеры фирмы “8опу”. Затем видеоизображение оцифровывалось на жесткий диск ПК с целью дальнейшей обработки результатов. В процессе экспериментов помольные камеры последовательно заполнялись на 70, 80 и 90 % их объема стальными шарами. Для каждого случая заполнения изменялась частота вращения дебаланса от 100 до 2500 мин-1 и его статический момент (таблица).
На рис. 3 приведены примеры видеокадров движения шаров в помольной камере без загрузки (а) и с загрузкой (б) измельчаемого материала. В качестве последнего использовали хрупкие материалы, например поваренную соль.
Шары без материала совершали циркуляционное движение с одинаковой угловой скоростью Юц, в данном случае по часовой стрелке, в сторону противоположную вращению дебаланса с образованием угла а. Кроме того, все шары враща-
Статический момент дебаланса, кг*м 0,0108 0,0162 0,027 0,0378
Амплитуда колебаний стенда, мм 1,8 2,2 2,5 3,5
Рис. 3. Видеокадры движения шаров в помоль-
лись вокруг своего центра.
При циркуляции шаров с загрузкой материала в центре помольной камеры образовывалась застойная зона, в которой измельчающее воздействие шаров на материал минимальное.
В результате анализа видеофильма на рис. 4. выделено 5 зон различающихся характером движения шаров и загрузки.
В зоне 1, в которой шары расположены возле внутренней стенки помольной камеры, шары совершали циркуля-ционное движение с угловой скоростью юц и вращались вокруг своего центра со скоростью Юш. В этой зоне происходило наиболее интенсивное истирание материала, который разрушается при взаимодействии “мелющее тело - материал - внутренняя стенка помольной камеры”. Скорость циркуля-
Рис. 1. Общий вид вибрационной мельницы с горизонтальным расположением помольных камер: 1 -
помольные камеры; 2 - вибровозбудитель; 3 - электродвигатель; 4 -і пружины; 5 и 6 - верхний и нижний
патрубки; 7 - рама
Рис. 2. Схема вибрационного
\ ( стенда: 1 - помольные камеры; 2 -
дебалансы; 3 - электродвигатель; 4 - плита; 5 - пружины; 6 - рама
ции юц определялась частотой
и амплитудой колебаний и находилась в диапазоне 3-17 мин-1.
Из зоны 1 шары попадают в зону 3 и затем в зону 4. В зоне 3 происходит ударно -истирающее разрушение материала, а в зоне 4 - ударное. Чем выше угол наклона загрузки а, тем с большей скоростью и ударным импульсом шары скатываются, соударяясь с шарами находящимися слоем ниже, и попадают в зону 4. За счет увеличения угла наклона загрузки а возрастает ударный импульс в зоне 4, так как шары с большей силой соударяются с внутренней стенкой помольной камеры. На величину угла влияют частота вращения и статический момент дебаланса. С ростом частоты и амплитуды колебаний угол плавно увеличивается и достигает максимального значения, при котором дальнейшее увеличение значений амплитуды и частоты колебаний не влияют на изменение угла а.
Менее интенсивное разрушение материала наблюдалось в зоне 2 ударно - истирающими воздействиями шаров, которые вращались хаотично относительно своих центров и циркулировали с угловой
скоростью Юц.
б
Значения для скорости циркуляции шаров вокруг своего центра в зонах 1 , 2, и 3 различны и лежат в пределах Юш= = 120
- 180 об/мин.
В застойной зоне 5 разрушающее воздействие шаров на материал практически отсутствует, так как ударный импульс шаров, передаваемый от нижней внутренней стенки помольной камеры, достигает минимальных значений. Материал находится в данной зоне без воздействия на него разрушающего воздействия со стороны мелющих шаров очень длительное время, из-за чего ухудшаются качество измельчаемого материала, пропускная способность мельниц, производительность, и, как следствие, увеличиваются удельные энергозатраты на измельчение ной тонны готового продукта.
Образование застойной зоны в центре загрузки является недостатком конструкций мельниц с горизонтальным расположением помольных камер.
Таким образом, процесс измельчения материала в помольной камере происходит за счет:
• истирания о внутреннюю стенку при циркуляции загрузки относительно неподвижной камеры;
• истирания материала между шарами, вращающимися вокруг своего центра;
• ударного воздействия шаров на материал.
Наиболее интенсивно материал измельчается в зонах 1, 3, 4.
Рис. 4. Разбиение загрузки на динамические зоны
а
По результатам видеосъемки определялись линейные скорости циркуляции шаров в помольной камере.
Рис. 5. Зависимости линейной
скорости движения шаров в зоне 1 от частоты вращения дебаланса
Рис. 6. Зависимости линейной
скорости движения шаров в зоне 1 от частоты вращения дебаланса
Рис. 7. Зависимости линейной
скорости движения шаров в зоне 1 от амплитуды колебаний помольных камер
На рис. 5. показаны зависимости изменения движения шаров находящихся в зоне 1 загрузки от частоты вращения дебаланса при коэффициенте заполнения помольной камеры к = 0,9, где к = УК / Уш, Ук -объем камер, Уш - объем шаров.
Из графика на рис. 5 видно, что на скорость циркуляции загрузки влияют амплитуда колебаний и частота вращения вибровозбудителя.
Причем, чем больше статический момент дебаланса, и следовательно, выше амплитуда колебаний помольной камеры, тем при меньшей частоте его вращения начинается циркуляция шаров. Таким образом, для обеспечения циркуляции шаров при маленьких амплитудах колебаний помольной камеры необходимо повышение частоты вращения вибровозбудителя. Линейная скорость движения шаров в зоне 1 с ростом частоты вращения дебаланса стабилизируется.
На скорость циркуляции шаров влияет степень заполнения ими помольных камер. На рис. 6 приведены зависимости из-
менения скорости движения шаров от частоты вибровозбудителя при различных коэффициентах к заполнения помольных камер стальными шарами. Амплитуда колебаний составляла 3,5 мм.
Из графиков видно, что при заполнении помольной камеры на 90% ее объема скорость циркуляции шаров и загрузки максимальная, а при заполнении на 70 % -минимальная. Полученный результат
можно объяснить тем, что при большем заполнении увеличивается взаимодействие с внутренней стенкой помольной камеры.
Графики изображенные на рис. 7 показывают изменение линейной скорости движения шаров в зоне 1 от амплитуды колебаний стенда при различных частотах вращения дебаланса. Из графиков видно, что линейная скорость движения шаров увеличивается с ростом амплитуды и частоты колебаний.
• в горизонтальной вибрационной мельнице с траекториями движения помольных камер, близкими к круговым, в загрузке по характеру движения в камере можно выделить пять основных зон. Наиболее активные 1, 3 и 4 и застойная 5 зоны.
• измельчение материала в помольных камерах проходит от его истирания шарами (зона 1, 2), ударов и истирания (зона 3) и ударного разрушения (зона 4). Процесс истирания материала обеспечивается вращениями шаров загрузки вокруг своих центров тяжести.
• для получения небольших амплитуд колебаний камеры А < 2,5 мм, что необходимо при особо тонком помоле повышать частоту вращения вибровозбудителя свыше 2000 мин-1.
• анализируя механизм движения шаров, можно заключить, что в горизонтальной трубной мельнице помол материала происходит, в основном, за счет его истирания.
Выводы:
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Федоров С.М. - аспирант, Московский государственный горный университет.
--------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Тавхитов P.P. Экономическое состояние нефтяной отрасли Республики Башкортостан (№ 413/08-05 — 25.05.05) 2 с.
2. Тавхитов P.P. Базовая методология оценки минерально-сырьевой безопасности (№ 414/08-05 -
- 25.05.05) 6 с.
© Д. С. Кулагин, 2005
