CC BY
12
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 621.926.88
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-232-238
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ЧАСТИЦ В КАМЕРЕ ПОМОЛА ТОРООБОРАЗНОЙ ФОРМЫ СТРУЙНОЙ МЕЛЬНИЦЫ
В.Г. Дмитриенко, Е.Г. Шеметов, О.М. Шеметова
В статье рассмотрены основы поведения частиц в камере помола торообраз-ной формы струйной мельницы, которые позволяют определить профиль тангенциальных скоростей потока и граничный размер частицы с радиусом её равновесной траектории, при заданной высоте камеры помола. Аналитически получено соотношение для определения тангенциальной скорости воздушного потока в зоне помола с учетом количества воздуха, подаваемого при выходе из сопла подачи энергоносителя.
Ключевые слова: струйная мельница, камера помола торообразной формы, частица, двухфазный поток, коэффициент сопротивления.
В связи с изменением объема и номенклатуры производства цемента, мела, пигментов, керамики, пластмасс, резино-технических изделий, а также в бумажной и фармацевтической промышленности, в последние время высокие требования предъявляют к дисперсности готового продукта. В производстве пластмасс и кабельной про-мышлености высококачественные наполнители должны составлять 90% частиц менее 10 мкм, а остальные 10% не крупнее 40 мкм [1,21. При создании композиционных материалов для защиты от радиации частицы смеси компонентов органосиликата свинца и полимеров не должны превышать 5 мкм [3-5]. Основным оборудованием для получения порошков высокой дисперсности являются мельницы струйной энергии. Внедрение инновационных конструкций мельниц в производство затрудняется из-за отсутствия их методик расчета. Поэтому расчет струйных мельниц с торообразной камерой помола является актуальной задачей.
Интенсивность и эффективность большинства технологических процессов, использующих материал в порошкообразном состоянии, увеличивается с ростом величины удельной поверхности порошка. Струйные мельницы являются основным помольным агрегатом для получения сверхтонких порошков. Особый интерес представляет струйная мельница с торообразной помольной камерой горизонтального исполнения с комбинированным воздействием способов измельчения на материал [7-10]. Проектирование рациональной конструкции камеры помола возможно при понимании движения в ней двухфазного потока, а именно поведения частиц разного размера при условии отклонения их от радиуса равновесной траектории [11-12].
В Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова активно ведётся разработка струйной мельницы с торообразной камерой помола [6].
Для проектирования рациональной конструкции помольной камеры и подбора расхода воздуха из сопла подачи рабочего энергоносителя необходимо понимание характера движения двухфазного потока в зоне помола, где под действием центробежной силы частицы прижимаются к внутренней поверхности камеры помола, описывая растянутую спираль, и измельчаются за счет истирания материала об стенку.
Модель камеры помола для теоретических исследований, представляет из себя схему модели плоской камеры (рис. 1).
?'вш 1 1
1 1
я г° _
Рис. 1. Схема модели плоской помольной камеры
Зона помола представляет собой плоский торообразный осесимметричный объем, воздух в который поступает тангенциально и отводится через центральное отверстие.
Уравнение движения частицы в проекции на радиус-вектор в подвижной системе координат имеет вид:
»Т^ц-'с, (1)
где т - масса частицы, кг; I - время перемещения частицы, сек; ¥ц - центробежная сила, Н; ¥с- сила аэродинамического сопротивления, Шг - радиальная составляющая скорости частицы, м/с.
Центробежная сила, действующая на частицу, определяются по формуле:
Рц =
шш
Ч, (2)
где щ - тангенциальная скорость частицы, м/с.
Выражая массу частицы через ее объем и плотность, перепишем формулу (2) в следующем виде:
Рц-—Р2—,
'ц - 6 VI г > (3)
где 5 - диаметр частицы, м; р2 - плотность частицы, кг/м3; г - текущий радиус камеры помола, м.
Сила аэродинамического сопротивления движению частицы в воздухе:
Р _ с-Гм-{^г~Уг)2Р1 (4)
где С - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы, равный [68]:
24
С = ^ + (5)
Кв
где Со - коэффициент лобового сопротивления в области автомодельности для частиц неправильной формы (Со = 1,8); Ке - число Рейнольдса, которое рассчитывается по формуле (6):
(6)
где р1 - плотность воздуха, кг/м3; рл - коэффициент динамической вязкости воздуха, Па с; /м - миделево сечение частицы, м2.
/„^ (7)
Если предположить отсутствие влияния силы тяжести на частицу в зоне помола, то частица будет двигаться под действием центробежной
силы Рц, стремящейся отбросить ее на периферию, и силы сопротивления воздуха Рс, стремящейся вынести ее в сток.
Для установившегося движения частиц г = 0, и из (1) получим уравнение
Ж
характеризующее состояние равновесия для каждого размера частиц ё:
Рц = Рс. (8)
При движении частиц по окружности, сила аэродинамического сопротивления (с учетом Юг = 0) будет равна:
(9)
Рс =
'24 _ ЛжЗ2 V}
+ Со —~~ Р1 \ Ке )
42
Тангенциальную составляющую скорости движения частиц положим равной тангенциальной скорости воздуха, и центробежная сила, при этом с учетом линейного закона движения воздуха:
Г3.42 _ 4.017"
Ж
Vф = Vо
(10)
станет равной:
Р =
тг53 1
~Г р2 ~
6 г
V7 I
Раскрывая уравнение (8) с учетом уравнений (9) и (11) получим:
(
V,
3.42 4.017
(11)
л5ъ р2
Vо
( 3.42 4.017 ^
6г
24^1
КР
+ С
п82 V
2 Р
(12)
Следовательно, каждому размеру частиц соответствует некоторый радиус г, при котором имеет место состояние равновесия Рц = Рс. Если все частицы находятся в состоянии равновесия, то они движутся по концентрическим окружностям, которые могут быть названы равновесными траекториями. Из (12) легко получить соотношение, связывающее размер частицы ¿Гр с радиусом ее равновесной траектории г:
ё„ =
(К + у1 К2 + 4 АВ )
2 А
(13)
где для простоты записи положено:
ПР2
А = -
Vо
( 3.42 4.017 ^
I
В = 3цпУг; к =
СпУг2 Р1
6г 11 ' 8
Для иллюстрации устойчивости движения на рис. 2 показан график изменения сил, действующих на частицу. В точке пересечения двух кривых Рц = /(г) и Рс = /(г) частица определенного диаметра имеет равновесную траекторию, т.е. Рц = Рс. При отклонении от этой траектории, частица уйдет с тонкой фракцией из камеры помола, либо
вернётся на домол. В первом случае, когда Гс > Гц, частица переместится к патрубку выхода т.к. преобладают силы сопротивления, во втором случае, когда Гц > Гс, на частицу преобладающее действие оказывают центробежные силы и ее отбросит к периферии для домола.
Рассмотрим пример движения частицы при ¿гр = 10 мкм. Радиус равновесной траектории г будет равен 0,08 м. При отклонении частицы в правую сторону на нее преобладающее действие оказывает центробежная сила (т.к. из графика видно, что Гц > Гс), частица уйдет на домол. При отклонении частицы в левую сторону, она попадет в готовый продукт (тонкую фракцию), т.к. преобладающее действие оказывает сила сопротивления (Гц < Гс).
Таким образом, частице определенной крупности соответствует свой радиус равновесной траектории. Диаметр этой частицы при неизменном текущем радиусе (г), назовем граничным размером (¿гр).
На рис. 3 показан график изменения граничного размера частицы (¿гр) от радиуса равновесной траектории (г) при заданной высоте камеры помола (И). Из него можно сделать вывод, что с увеличением текущего радиуса равновесной траектории (г), граничный размер (¿гр) падает, что связано с падением радиальной скорости (V). При уменьшении высоты камеры помола граничный размер (¿гр) возрастает, что объясняется повышением радиальной скорости (Уг) при неизменном расходе воздуха Q, удаляемого из камеры помола.
Ргр. МКМ 13
10
ь=о
ь=о
и=о
1=0
11=0
01м
02м
03м 04м
05м
1м
Е,"
0 0,02 О,(И 0.06 0,03 0,1 0,12 о, 14 0.16 0.1В 0,2 0,12 0,24 0,26 0,23 0,3
Рис. 3. График изменения граничного размера частицы (дгр) от радиуса равновесной траектории (г), при заданной высоте зоны помола (к).
На рис. 4 показан характер движения частиц с граничным размером ¿гр = 10 мкм направление которых зависит от профиля потока, турбулентных пульсаций рабочего энергоносителя и могут направляться к стенкам камеры помола на измельчение, либо в тонкую фракцию для выхода.
Рис. 4. Характер движения частиц с граничным размером 3Гр =10мкм
236
Аналитически получено соотношение для определения тангенциальной скорости воздушного потока в камере помола с учетом количества воздуха, подаваемого при выходе из сопла подачи энергоносителя. Рассмотрены основы поведения частиц в камере помола торообразной формы струйной мельницы и определена формула связывающая граничный размер частицы с радиусом её равновесной траектории при заданной высоте камеры помола.
Вывод. Полученные теоретические исследования требуют тщательной экспериментальной апробации с помощью компьютерного моделирования и натурного эксперимента на лабораторной установке. Связано это с тем, что при расчете граничного размера частицы, не учтена специфика поля скоростей, турбулентных пульсаций в полости камеры помола, пульсации рабочего энергоносителя (воздуха).
Список литературы
1. Бараковских Д.С., Шишкин С.Ф. Движение двухфазного потока в разгонной трубке струйной мельницы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 5. С. 82-88.
2. Уваров В.А. Разработка, исследование, методика расчёта конструктивно-технологических параметров противоточных струйных мельниц: автореф. дисс... канд. техн. наук. Белгород, 1996. 22 с.
3. Старчик Ю.Ю. Струйная мельница с цилиндрической камерой помола: автореф. дисс. канд. техн. наук. Белгород, 2009. 22 с.
4. Патент 2020119726 РФ Струйная противоточная мельница с дополнительной помольной камерой / Ю.М. Фадин, С.Б. Булгаков, О.М. Шеметова, Е.Г. Шеметов. Опубл. 08.06.2020. Бюл. № 25.
5. Шеремет Е.О. Исследование пневмоструйной мельницы для получения микроцемента: автореф. дисс. канд. техн. наук. Белгород, 2019. 22 с.
6. Патент 2019115765 РФ. Струйная мельница для сверхтонкого помола / В.Г. Дмитриенко, И.Н. Логачев, К.И. Логачев, Е.Г. Шеметов, О.М. Шеметова, Е.С. Чередниченко. Опубл. 22.05.2019. Бюл. № 20.
7. Hegazy K. North America's expanding markets // World Cement. Emerging Markets. 2008. P. 65-70.
8. Stoiber W. Comminutoin technology and energy consumption // Cement International. 2003. V. 2. P. 44-52.
9. Старчик Ю.Ю., Дмитриенко В.Г., Шеметов Е.Г. Математическая модель определения скоростей энергоносителя в струйной мельнице с цилиндрической камерой помола // Механизация строительства. 2016. Том 77. № 5. С. 47-52.
10. Yang D. Grinding innovation // World Cement. 2008. V. 3. P. 43—44.
11. Reinchardt Y. Effective Finish Grinding // World Cement. 2008. V. 3. P. 93-95.
12. Ludwig, H. Influence of the Process Technology on the manufacture of the market oriented cement // Cement International. 2003. V. 6. P. 74-88.
Дмитриенко Виктор Григорьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Шеметов Евгений Геннадьевич, аспирант, zshemetov@yandex. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова,
Шеметова Ольга Михайловна, аспирант, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
STUDY OF THE BEHAVIOR OF PARTICLES IN THE GRINDING CHAMBER OF THE
TORO-FORM OF A JET MILL
V.G. Dmitrienko, E.G. Shemetov, O. M. Shemetova
The article discusses the fundamentals of particle behavior in a toroidal grinding chamber of a jet mill, which allow one to determine the profile of tangential _ flow velocities and the boundary size of a particle with the radius of its equilibrium trajectory, at a given height of the grinding chamber. An analytically obtained relationship for determining the tangential speed of the air flow in the grinding zone, taking into account the amount of air supplied at the exit from the nozzle of the energy carrier.
Key words: jet mill, toroidal grinding chamber, particle, two-phase flow, drag coefficient.
Dmitrienko Viktor Grigorievich, candidate of technical sciences, docent, v dmitrienkoamail.r, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Shemetov Evgeny Gennadievich, postgraduate, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Shemetova Olga Mikhailovna, postgraduate, olga95kizilovaagmail.com, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
УДК 621.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-238-244
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ШАРИКО-СТЕРЖНЕВЫМ УПРОЧНИТЕЛЕМ
С.А. Морозов
Статья посвящена исследованиям и разработке технологических процессов обработки деталей шарико-стержневым упрочнителем с целью повышения их эксплуатационных свойств. Приведены результаты исследований влияния технологических и конструктивных параметров на производительность и качество отделочно-упрочняющей обработки шарико-стержневым упрочнителем. В результате теоретических исследований получены зависимости для расчета параметров упрочнения (глубины упрочненного слоя и степени деформации), шероховатости обработанной поверхности и остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали. На основании результатов исследований разработаны технологические рекомендации и методика инженерных расчетов рациональных параметров обработки.
Ключевые слова: обработка шарико-стержневым упрочнителем, шероховатость поверхности, глубина упрочненного слоя, степень деформации, остаточные напряжения, повышение эксплуатационных свойств.
Возможность повышения эксплуатационных свойств ответственных деталей машин при помощи отделочно-упрочняющей обработки вызывает необходимость разработки новых технологических процессов и новых методов обработки. Одной из новых разновидностей финишных методов обработки является обработка шарико-стержневым упрочнителем (ШСУ). Важное значение имеет тот факт, что при помощи ШСУ можно осуществлять местное упрочнение зон концентраторов напряжений, и, таким образом, значительно снизить себестоимость финишной обработки деталей машин, имеющих сложную форму поверхностей.
