CC BY
3
can be increased by increasing the mass of the rods during the transition of the processed material from one drum to another. Modernization of a rod drum mill allows for a transition from batch to continuous mode and significantly increases the productivity of the mill.
Key words: graphite nanoplates; shear exfoliation; performance.
Aldawood Saif Suhail Yusuf postgraduate, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical
University,
Pershin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical University
УДК 62-14-15
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-518-519
К РАСЧЕТУ БАРАБАННОЙ СТЕРЖНЕВОЙ МЕЛЬНИЦЫ
С.С.Ю. Альдавуд, В.Ф. Першин
В машинах и механизмах, в зонах контакта деталей, перемещающихся относительно друг друга возникает трение, которое увеличивает потребляемую мощность и вызывает износ этих деталей. Для снижения трения и износа используются смазочные материалы, трибологические характеристики которых усиливаются антифрикционными присадками. Наночастицы графита являются наиболее перспективными присадками, поскольку они экологически чисты и относительно дешевые. В статье рассмотрен расчет узла измельчения барабанной мельницы, состоящий из стержней, соединенных между собой гибкими связями.
Ключевые слова: трение, износ, графит, нанопластины, расслоение, эксфолиация.
В машинах и механизмах, в зонах контакта деталей, перемещающихся относительно друг друга возникает трение, которое увеличивает потребляемую мощность и вызывает износ этих деталей. Трение и износ являются одной из наиболее важных причин повреждения и энергопотребления механических систем, таких как двигатели. По опубликованным данным около трети мирового потребления первичной энергии и 60% выхода из строя машинного оборудования вызваны соответственно трением и износом, а более 50% разрушения деталей машин происходит при чрезмерном износе и ненадлежащем смазывании [1]. Для снижения трения и износа используются смазочные материалы с антифрикционными присадками. В последние годы все шире в качестве присадок используют наночастицы [2]. Рассматривались различные наночастицы: АЬОз, ТЮ2, СиО и ZnO. ТЮ2 с объемной долей 0,01 увеличил несущую способность круглых подшипников на 40%. Также было обнаружено, что MoS2 может снизить момент трения на 33%. При добавлении 0,08% по массе оксида графена в сочетании с наночастицами никеля к парафиновому маслу коэффициент трения и диаметр пятна износа уменьшились на 32% и 42% соответственно. До недавнего времени в качестве антифрикционной присадки использовался дисульфид молибдена, но он токсичен. По нашему мнению, нанопласины графита более перспективны, поскольку в отличии от дисульфида молибдена они экологически безопасны [3, 4, 5]. Разработан ряд технологий получения нанопластин, т.е. пластин, толщина которых менее 100 нм. Для промышленного производства наиболее перспективной представляется технология жидкофазной сдвиговой эксфолиации графита [5].
Установлено, что при длительном использовании смазки модифицированной нанопластинами графита, на поверхностях образуется антифрикционная пленка, которая существенно снижает трение и износ [6, 7].
Вариант технологической схемы производства нанопластин графита и модифицирования пластичной смазки показан на рис. 1.
Масло, которое является основой модифицируемой пластичной смазки и порошок кристаллического графита дозаторами 1 и 3 подаются в барабанную стержневую мельницу 2. Внутри мельнице расположены стержни, соединенные между собой гибкими связями, которые предотвращают вращение этих стержней. Стержни скользят по внутренней поверхности барабана и частицы графита попадая в зону контакта стержня и барабана расслаиваются, т.е. из одной частицы образуются две частицы. Далее смесь поступает в емкость с мешалкой 5 и затем насосом 6 подается в первый роторный эксфолиатор. В цилиндрическом корпусе эксфолиатора установлен ротор с подвижными лопастями. Под действием центробежных сил лопасти прижимаются к внутренней поверхности корпуса и частицы графита в зоне контакта лопастей с ротором расслаиваются. На практике используют несколько роторных эксфо-лиаторов соединенных последовательно. Обработанная суспензия подается в фильтр грубой очистки 9. Осадок с фильтра подается на повторную механоактивацию в барабанную стержневую мельницу, а фильтрат в фильтр тонкой очистки 11. Осадок с фильтра 0 подается в емкость 11 и далее в роторный диспергатор 12, куда одновременно подается пластичная смазка. В диспергаторе нанопластины графита окончательно расслаиваются и равномерно распределяются по всему объему смазки.
В технологической схеме [5] используется барабанная стержневая мельница, поперечное сечение которой показано на рис. 2 [6].
Мельница состоит из горизонтального барабана 1 с приводом вращения. Внутри барабана расположены стержни 2, соединенные между собой гибкими связями 3. Экспериментально установлено, что при вращении барабана стержни поднимаются вместе с обечайкой вверх, а затем скользят вниз, как показано на рис. 3.
Рис. 1. Технологическая схема производства нанопластин графита: 1 - дозатор масла; 2 - барабанная стержневая мельница; 3 - дозатор порошка графита; 4 - емкость с мешалкой; 5 - дозатор осадка; 6 - насос исходной смеси; 7 - первый эксфолиатор; 8 - последний эксфолиатор; 9 - фильтр грубой очистки; 10 - фильтр тонкой очистки; 11 смесительная емкость; 12 - роторный диспергатор
¿1
При движении скольжении частиц вниз на частицы графита, попавшие в зону контакта стержне с внутренней поверхностью барабана, действуют сдигающие силы, вызывающие возникновение внутри частиц касательные напряжения. В результате действия этих напряжений происходит расслоение частиц, т.е. из одной частицы образуются две частицы. Поскольку в процессе обработки расслоение происходит многократно, из частиц графита образуются графитовые нанопластины. Когда стержни поднимаются вверх, они неподвижны относительно обечайки барабана и с частицами графита ничего не происходит. Для того, чтобы стержни постоянно скользили по внутренней поверхности барабана их фиксируют относительно неподвижного основания. Как видно из рис. 2 и 3, стержни занимают малую часть поперечного сечения барабана. Для более рационального использования рабочего объема барабана и повышения произодительности предложена конструкция стержневой мельницы, показанная на рис. 4 [7]. Мельница состоит из трех коаксиально расположенных обечаек 1, 2, 3, соединенных между собой. Внутри каждой обечайки расположены стержни 6, соединенные между собой гибкими связями 7. Исходная смесь масла и порошка кристаллического графита подается во внутреннюю обечайку 3. При скольжении стержней частицы графита механоак-тивируются и частично расслаиваются и поступают в обечайку 2, где процесс эксфолиации продолжается. Для поддержания определенного уровня смеси в обечайках, по их торцам установлены кольца 4 и 5.
Диаметр каждого дополнительного барабана равен от 0,8 до 0,9 от диаметра барабана, в котором он размещен, а длина от 0,9 до 0,95 от длины этого барабана, причем, при нумерации дополнительных барабанов начиная от основного барабана, торцевые края дополнительных барабанов имеющих нечетные номера, совпадают с выгрузочным краем основного барабана, а торцевые края дополнительных барабанов, имеющих четные номера совпадают с загрузочным краем основного барабаны и внутри каждого дополнительного барабана размещены стержни, соединенные между собой гибкими связями.
Рассмотрим произвольный стержень с номером ¡, начиная с первого стержня, который расположен под углом а1 к вертикальному диаметру. На этот стержень, как и на каждый стержень узла измельчения действует сила веса т^, где т1 - масса стержня, g - ускорение свободного падения. Вес стержня можно разложить на силу нормально давления Ш(г) и скатывающую силу Fcк.l(г). Нормальная сила создает силу трения Fтp.l(г)= &р.д №(г) , где &р.д - коэффициент трения движения стержня по внутренней поверхности обечайки. Численные значения указанных сил можно определить по следующим ф-лам:
N 1(0 = (1)
*ск.1(0 = т^т[а(0]; (2)
РтрЛю = /тр.д ш1дсоз[а(Г)]. (3)
Аналогично можно найти силы, действующие на дополнительный стержень:
N2 = m2gcosa2; (4)
^ск.2 = п^та2; (5)
РТР.2= ЪР.К т2дсоБа2. (6)
Углы а(1) можно выразить через угол а1 следующим образом:
Д1+-"
Ф) =<1) ~(1~1) аrcsin -¡¡—^ . (7)
Если узел измельчения содержит п, то дополнительный стержень можно рассматривать как стержень с номером п+1 и, в первом приближении, угол а2 можно рассчитывать по ф-ле (7).
Следует отметить, что при определении силы трения FтР2 необходимо использовать коэффициент трения качения (/ТРК), который в десятка раз меньше коэффициента трения скольжения, поскольку дополнительный стержень имеет по краям диски, которые могут свободно вращаться относительно этого стержня.
Условием постоянного скольжения стержней по внутренней поверхности барабана является равенство скатывающих сил и сил трения:
m2gsina2 + £^=1т^т[а(0 =[ТРК т2дсоБа2 +'Е?=1[тр.д т1дсоБ[а(Щ. (8)
Выразив углы а(0 и а2 через угол а(1) по ф — ле (7), получим уравнение с одним неизвестным. Решив данное уравнение относительно а(1), определим положения стержней, в котором они постоянно скользят по внутренней поверхности обечайки, т.е. эксфолиация осуществляется постоянно.
Проверка работоспособности мельницы осуществлялась на лабораторной установке с диаметром основного барабана 600 мм. Внутри основного барабана были размещены два дополнительных барабана с диаметрами 540 и 480 мм. Выбор диаметров дополнительных барабанов обоснован следующими обстоятельствами. Использование
525
диаметра дополнительного барабана меньше 0,8 от диаметра барабана, внутри которого установлен данный барабан, увеличит свободное расстояние между барабанами и уменьшит число дополнительных барабанов, которые можно разместить внутри основного барабана. Выбор указанного диметра больше 0,9 затруднит размещение стержней. Ограничения в длинах барабанов 0,9 ^ 0,95 обосновано тем, что при длине более 0,95 слишком мало остается пространства для перехода материала из одного барабана в другой, а при длине менее 0,9 уменьшается длина пути материала в барабане, что снижает эффективность его работы. Результаты экспериментов показали, что длина пути частиц в зоне эксфолиации увеличилась производительность мельницы увеличилась в 2,5 раза, а производительность минимум в 1,5 раза.
Заключение. Разработана стержневая барабанная мельница непрерывного принципа действия. За счет размещения дополнительных барабанов увеличена длина пути исходной суспензии в зоне эксфолиации и повышена производительность мельницы. Получены зависимости для определения положения мелящих стержней, при котором они постоянно скользят по внутренней поверхности обечаек и происходит эксфолиация графита.
Список литературы
1. Wang W., Xie G., Luo J. Black phosphorus as a new lubricant. Friction, 6. 2018. P. 116-142.
2. Zilab S. A review on Nanoparticle Application as an Additive in Lubricants / Sara Zilabi, Mohammad Shareei, Alireza Bozorgian, Amin Ahmadpour, Esmaeil Ebrahimi // Ad. J. Chem. B, 2022, 4(3). P. 209-221 DOI: 10.22034/ajcb.2022.353097.1125.
3. Berman D., Erdemir A., Sumant A.V. Reduced wear and friction enabled by graphene layers on sliding steel surfaces in dry nitrogen / Diana Berman, Ali Erdemir, Anirudha V.Sumant // Carbon Volume 59. 2013. P. 167-175. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.03.006.
4. Berman D. et al. Macroscale superlubricity enabled by graphene nanoscroll formation / Diana Berman, Sanket A. Deshmukh, Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan, Ali Erdemir, Anirudha V. Sumant // Science 05 Jun 2015: Vol. 348, Issue 6239. P. 1118-1122. DOI: 10.1126/science.1262024.
5. Alhilo Z., Mansour W., Pershin V., Pasko A. Continuous and semi-continuous industrial production of lubricants modified with graphene nanostructures / 2021 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1100 012027.
6. Патент 2670495 РФ. Стержневая барабанная мельница / Першин В.Ф, Жумагалиева Г.Б., Меметов Н.Р., Пасько А.А., ТкачевА. Г. опубл. 23.10.2018, Бюл. № 30.
7. Патент 2792428 РФ. Стержневая барабанная мельница непрерывного принципа действия / Першин В.Ф, Альдавуд С.С.Ю., Осипов А.А. опубл. 23.03.2023, Бюл. № 9.
Альдавуд Саиф Сухаил Юсиф, аспирант, [email protected], Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет,
Першин Владимир Федорович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет
TO THE CALCULATION OF A DRUM ROD MILL S.S.Yu Aldavud, V.F.Pershin
In machines and mechanisms, in the contact zones of parts moving relative to each other, friction occurs, which increases the power consumption and causes wear of these parts. To reduce friction and wear, lubricants are used, the tribo-logical characteristics of which are enhanced by anti-friction additives. Graphite nanoparticles are the most promising additives because they are environmentally friendly and relatively cheap. The article considers the calculation of the grinding unit of a drum mill, consisting of rods interconnected by flexible links.
Key words: friction, wear, graphite, nanoplates, delamination, exfoliation.
Aldavud Saif Suhail Yusif, postgraduate, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical
University,
Pershin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical University
