CC BY
7УДК 621.926.4
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДВУХФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ
Корохов В.Г., Бурова И.В., Бородачева Т.И., Гармаш М.А.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «Крымский Федеральный университет имени В.И. Вернадского», 295943 г. Симферополь, ул. Киевская, 181, е-тай: vladlen.korokhov@mail.ru
Аннотация. Рассматривается влияние конструктивных особенностей компановки и рабочих органов дробилки ударного действия на ее производительность при выполнении двух функций - измельчении крупных фракций сырья и классификации полученной массы по размерным показателям.
Ключевые слова: строительные материалы, фракции сырья, дробилка, измельчитель, классификация, минимизация энергопотребления, производительность.
ВВЕДЕНИЕ
Приводится анализ и обоснование работоспособности молотковой дробилки, рекомендуемой к изготовлению, для получения сыпучих строительных материалов, с точки зрения возможности эффективного выполнения ею двух функций: измельчение твердого материала и фракционирование получаемого мелко и среднезернистого продукта при минимальных энергозатратах и номинальной производительности. Актуальной проблемой в строительном производстве является вторичное использование отходов строительных материалов. Возможность применения измельчителя ударного действия и одновременной классификации измельченного сырья, позволит перерабатывать фракции известняка, гипса, глины, керамики, обрезков древесины, картона и хрупкого пластика, которые поступают в загрузочный бункер дробилки, для получения из них сыпучих строительных материалов в результате разрушения сырья свободными ударами молотков. Дробилка этого типа может использоваться также для получения мелкозернистой массы из органического сырья. Своими конструктивными особенностями устройства рабочих органов и режимными характеристиками дробилка должна удовлетворять основным эксплуатационным требованиям, таким как получение однородного состава гранул заданных размеров при оптимальной производительности и минимальном энергопотреблении, обладать высокой надежностью в работе, долговечностью, ремонтопригодностью и простотой обслуживания, поэтому целесообразна к изготовлению. Аналогом для рекомендуемой к созданию дробилки, является разработанная Короховым В. Г. высокоэффективная дробилка марки ВДМ-10 для измельчения семечковых плодов, производительностью 10 т/час. Дробилка защищена авторским свидетельством № 691189, серийно была выпущена и успешно использовалась в различных хозяйствах Крыма. Вместе с тем, в ней не решался вопрос классифицирования получаемых твердых частиц на фракции зернистую и порошкообразную. Ниже приводимый анализ и расчеты обосновывают возможность успешного выполнения в дробилке второй необходимой функции - указанного фракционирования материалов.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Проблема создания высокопроизводительного и экономически эффективного оборудования для измельчения твердого сырья и его классификации подробно рассматривается Софроновым В.Л. [1]. Вместе с тем, представляет интерес вопрос сепарации мелкодисперсного сырья, изложенный Соломаковой Т. С. и Чебышевой К.В. [2]. Исследование и создание новых технологий и оборудования для утилизации промышленных отходов и переработки сырья рассматривались авторами Лавриневым П.Г., Короховым В.Г. [3]. Пневмомеханический активатор для дисперсных стройматериалов был исследован Короховым В.Г. [4]. Особенности конструкций и расчет мощности энергосберегающих дробилок для минерального и органического сырья представлены в работе Корохова В.Г. и Буровой И.В. [5]. Расчет технико-эксплуатационных показателей измельчителей и формующего оборудования для строительных материалов был дан Лавриневым П.Г., Короховым В.Г., Буровой И.В. [6]. Конструкции многофункционального оборудования рассмотрены в Патенте РФ № 99123303/43 [7] и Авторском Свидетельстве СССР № 691189 [8]. Методика кинематического и динамического расчета механического оборудования приведена Артоболевским И.И. и Эдельштейном Б.В. [9].
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В статье сформулированы целесообразность и конкретные рекомендации по изготовлению высокоэффективной дробилки ударного действия производительностью 5... 10 т/час для получения средне и мелкозернистых строительных материалов как из природных минеральных веществ, так и из отходов различных отраслей производства, ранее не используемых. Целью настоящей работы является расчетное обоснование влияния конструктивных особенностей рабочих органов на выполнение, помимо измельчения, фракционирования получаемого мелкозернистого материала. Измельчение твердого материала осуществляется односторонним силовым воздействием ударного инструмента, вызывающего в зоне контакта с материалом сжимающие и растягивающие напряжения, с последующим возникновением радиальных и кольцевых трещин, разрушающих материал на фракции различного размера с содержанием порошкообразных частиц. Исследуется
также результативность нестандартного подхода к использованию в рассматриваемой конструкции известных физических закономерностей: воздействия на твердое тело центробежных сил инерции (при вращении тела) и вентиляционного эффекта скоростного потока воздуха, осуществляющих одновременное и непрерывное фракционирование разноразмерных частиц сырья, практически, - в момент измельчения материала.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе будет использована хорошо зарекомендовавшая себя методика исследований дробилки при переработке органического сырья, которая состояла в определении эффективности измельчения и отделения гранул нужного размера, в измерении производительности машины при использовании рабочих органов различной геометрии и при различной частоте вращения ротора, а также, в определении способов минимизации энергопотребления. В период испытаний экспериментального образца дробилки нами проверена возможность измельчения гипса, известняка и обрезков древесины, размерами не более 80 мм, и получены положительные результаты.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Применяемые в промышленности сыпучие материалы среднезернистой и мелкозернистой гранулометрии получают дроблением кускового материала различной твердости и прочности. Использование, при этом, значительной совокупности оборудования - измельчителя, классификатора, сепаратора и вспомогательных транспортировочных механизмов, оказывается вынужденно экономически оправданным. В отличие от этой принятой технологической схемы, дробилка рекомендуемой конструкции характерна бесступенчатым исполнением необходимых операций, совмещая в себе одновременное выполнение дробления, фракционирования и пневматической сепарации, с обеспечением общего технологического процесса, который основан на использовании известных физических закономерностей [5, 6]. Ниже приводимый расчет [9] обосновывает возможность выполнения второй технологической функции, т. е. фракционирования сырья под воздействием инерционных сил.
Учитывая, что скорость вращения ротора с обечайкой классификатора п = 725 об/мин, угловая скорость ротора будет:
тогда окружная скорость ротора радиусом Я = 0,34 м, создающая вентиляционный эффект, будет равна:
У = ш • И = 75,88 • 0,34 = 25,8 ^ . (2)
Центростремительное ускорение (нормальное), создающее силу инерции, которая действует на гранулы сырья, определится из зависимости:
а = а)2 • Я = 75,882 ■ 0,34 = 1957,76 М (3)
Объем V шаровидной гранулы, диаметром 3 мм (г = 1,5 мм), например, из керамического материала, равен:
V = ^ г3 = ^ •п • 1,53 = 14,13 мм3 = 0,01413 см3 (4)
Вес в этой гранулы при плотности керамики будет равен:
Сила инерции, действующая на каждую гранулу, и направленная по радиусу от центра, т.е. противоположно вектору ускорения, будет равна:
Ри = —т • а (6)
= с ^ а = о,оз25-1о~3 ^ 1957,76 = 6,48 • ю~з кг = 6,48 г (7)
и д 9,81 4 '
Таким образом, на частицу керамики диаметром 3 мм и весом 0, 0325 г действует сила инерции, равная 6,48 г, которая почти в 200 раз (6,48 : 0,0325 = 199,38) превосходит ее вес. Вследствие этого происходит интенсивное удаление требуемого зернового состава фракций через отверстия вращающейся обечайки классификатора. Вместе с этими гранулами удаляются воздушным потоком вентиляционного эффекта и мелкие частицы, витающие в этом потоке. Вследствие этого, быстро освобождается рабочее пространство со стороны внутренней поверхности классификатора для беспрепятственного продолжения взаимосвязанных операций измельчения и удаления раздробленного сырья из классификатора.
Таким образом, приведенный расчет и анализ являются достаточно весомым обоснованием выполнения в дробилке второй технологической операции - фракционирования сырья, что позволяет отказаться от применения нескольких машин, вместо которых создать малогабаритную, легкую двухфункциональную машину, требуемой производительности и малым энергопотреблением.
Рис.1. Молотковая дробилка ВДМ-10
На рис. 1 показано фото дробилки ВДМ-10. Опыт испытаний и доведения ее технико-эксплуатационных показателей до требуемых, позволяет рассматривать ее, как надежную базовую конструкцию для создания необходимой производству двухфункциональной машины, измельчающей и классифицирующей минеральное и органическое сырье, с целью получения из него нужных в применении сыпучих строительных материалов. Дробилка компактная и легкая - ротор диаметром 680 мм, длиной 150 мм, вес в сварном исполнении 390 кг, в литом (при серийном выпуске) 525 кг, в обоих вариантах - с учетом электродвигателя весом 250 кг. На рис. 1 видно, что корпус, с расположенными в нем измельчающим и классифицирующим устройствами, смонтирован на фланце электродвигателя исполнения Щ2/Ф2, который лапами установлен на подмоторной плите [7, 8]. К крышке корпуса прикреплен загрузочный бункер. Ротор измельчителя с молотками и цилиндрическим классификатором закреплен на валу этого электродвигателя мощностью 10 кВт, со скоростью вращения 725 об/мин, и приводится им во вращение.
Подлежащее измельчению сырье поступает в загрузочный бункер корпуса, из которого - в центральную часть вращающегося ротора. Центробежными силами сырье разбрасывается радиально в разные стороны и ударами молотков разбивается на мелкие фракции. Гранулы, размер которых менее диаметра отверстий классификатора, под действием центробежных сил, пролетают через эти отверстия, попадают во внутреннюю полость корпуса и далее - в выгрузной патрубок. Недоизмельченные фракции сырья снимаются с вращающегося классификатора неподвижными контрножами и потоком направляются под удары молотков для доизмельчения вместе с вновь поступающим сырьем.
Компактность дробилки достигается тем, что она смонтирована на фланце электродвигателя, а ротор размещен непосредственно на валу двигателя. Это исключает необходимость использования для привода ротора специальной передачи с валом и подшипниками, что позволило сократить размеры и вес машины. В отличие от известных моделей молотковых дробилок, классификатор данной дробилки, выполнен не в виде желоба с небольшой площадью сепарации, а в виде вращающегося цилиндра с отверстиями, расположенными в шахматном порядке на всей его площади. Это повышает производительность дробилки и экономит энергопотребление при интенсивном удалении измельченных фракций. Упомянутый выше вентиляционный эффект, так же повышает производительность операций. Испытания показали, что наряду с классификатором высокой производительности, измельчающий механизм с молотками, размер которых определяется размерами наиболее крупных фракций исходного сырья, позволяет достигнуть производительности, значительно превышающей требуемую - 10 т/час.
ВЫВОДЫ
Рассмотренные характеристики рабочих органов дробилки и принципов ее работы, с выполнением двух технологических операций, обоснованных приводимым анализом и расчетными процедурами, содержат в себе широкую перспективу вариации необходимого увеличения или понижения производительности этой двухфункциональной машины при минимальном энергопотреблении.
Таким образом, производительность (Р) дробилки является сложной функцией, зависящей от длины молотков (), количества молотков (7) и шага (1) расположения их на оси, от количества осей (8) с молотками, а также - от диаметра отверстий классификатора относительной площади живого сечения и диаметра классификатора , его длины (, количества контрножей (к) и скорости вращения ротора (п), т.е. справедлива зависимость:
Q= /0мол, 5, й, у, £кл, 1КЛ, к, п). (8)
Рассмотренная компактная конструкция молотковой дробилки для получения сыпучих строительных материалов из отходов строительного производства твердого минерального и органического сырья, экономически эффективна для производительности не менее 5 т/час.
ЛИТЕРАТУРА
1. Софронов, В.Л. Машины и аппараты химических производств [Текст] / В.Л. Софронов. - Северск: СГТА, 2008. - 269 с.
2. Соломакова, Т.С. Центробежные вентиляторы. Аэродинамические схемы и характеристики [Текст] / Т. С. Соломакова, К.В. Чебышева. - М.: Машиностроение, 1980. - 176 с.
3. Корохов, В.Г. Оборудование для переработки сельскохозяйственного сырья [Текст] / В.Г. Корохов, П.Г. Лавринев. - Симферополь: НАПКС, 2006. - 139 с.
4. Корохов, В.Г. Пневмомеханический активатор для дисперсных стройматериалов [Текст] / В.Г. Корохов // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. - Симферополь: НАПКС, 2005. - Вып.10. -С.116-117.
5. Корохов, В.Г. Особенности конструкций и расчет мощности энергосберегающих дробилок для минерального и органического сырья [Текст] / В.Г. Корохов, И.В. Бурова // - Motrol - Commission of motorization and power industry in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin, 2010-2011. - 86-94 p.
6. Корохов, В.Г. Расчет технико-эксплуатационных показателей измельчителей и формующего оборудования для строительных материалов [Текст] / В.Г. Корохов, И.В. Бурова, П.Г. Лавринев // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. - Симферополь: НАПКС, 2009. - Вып.28. -С. 44-47.
7. Молотковый измельчитель: пат. 2195368 Рос. Федерация: МПК7 В 02 С 13/284/ Корохов В.Г.; заявитель и патентообладатель Корохов Владлен Григорьевич. - № 99123303/13 (024648); заявл. 04.11.99; опубл. 27.12.02, Бюл. №36. - 4 с: ил.
8. Молотковая дробилка: Авторское Свидетельство 691189 СССР: М. Кл. B 02 С 13/02/ Корохов В.Г.; заявитель и патентообладатель Симферопольский филиал Севастопольского приборостроительного института. - №2511738/29-33; заявл. 01.08.77; опубл. 15.10.79, Бюл. №38. - 3 с: ил.
9. Артоболевский, И.И. Сборник задач по теории механизмов и машин [Текст] / И.И. Артоболевский, Б.В. Эдельштейн. - М.: Наука, 1975. - 256 с.
THEORETICAL GROUND OF THE TWO-FUNCTIONAL PURPOSE OF HAMMER
CRUSHER
Korohov V.G., Burova I.V., Borodacheva T.I., Garmash M.A.
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea
Annotation. The article deals with influence of structural features of location and working organs of crusher on its performance in the process of performing two functions - growing of large factions of raw material and classification of the resulting mass by dimensional parameters.
Keywords: building materials, factions of raw material, crusher, grinding down, classification, minimization of energy consumption, productivity.
