CC BY
3
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 62-97/98
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-515-516
К РАСЧЕТУ СТЕРЖНЕВОЙ БАРАБАННОЙ МЕЛЬНИЦЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
С.С. Альдавуд, В.Ф. Першин
В результате анализа процесса эксфолиации графита в стержневой барабанной мельницы предложена новая конструкции с дополнительными барабанами, расположенными внутри основного барабана и жестко связанная с ним. За счет использования дополнительного стержня, который не скользит, а катится по внутренней поверхности вращающегося барабана, обеспечен скользящий контакт стержней с барабанами на протяжении всего пребывания обрабатываемого материала в мельнице. Показано, что интенсивность процесса эксфолиации можно повысить за счет увеличения массы стержней при переходе обрабатываемого материала из одного барабана в другой. Модернизации стержневой барабанной мельницы позволяет осуществить переход от периодического режима к непрерывному и значительно повысить производительность мельницы.
Ключевые слова: нанопластины графита; сдвиговая эксфолиация; производительность
Нанопластины графита широко используются при производстве новых конструкционных и функциональных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Наиболее масштабным является производство строительных материалов на основе цемента [1]. Экспериментально доказано, что модифицирование бетона нанопластинами графита позволило увеличить прочность не сжатие до 40% и повысить водонепроницаемость в 2,5 раза [2]. При концентрациях нанопластин графита от 0,05 до 0,4% в пластичных смазках на основе углеводородных и кремнийорганических синтетических масел, а также сложных эфиров, в том числе работоспособных при температуре минус 70 градусов Цельсия и достигнуто улучшение трибологических характеристик. В частности, для комплексной литиевой смазки: коэффициент трения уменьшен на 60%; диаметр пятна износа уменьшен на 35%; индекс задира увеличен на 14%; критическая нагрузка увеличена на 36%; нагрузка сваривания увеличена на 114% [3].
Нанопластины графита используются при производстве мембран для разделение газов [4], фильтрация органических растворителей [5], очистки и опреснения воды [6, 7].
Уникальные свойства нанопластин графита используются в электронике, например при производстве транзисторов [8].
В последние годы нанопластины графита используются биомедицинских приложениях [9], таких как доставка лекарств, тканевая инженерия и биосенсоры [10, 11].
Промышленное применение нанопластин графита вызвало необходимость совершенствование их производства. Один из вариантов промышленного производства представлен в работе [12]. Результаты дальнейших исследований позволили осуществить переход к непрерывному производству [13]. В указанной технологической схеме использована стержневая барабанная мельница схема которой показана на рис. 1.
А-А
3 - дополнительные барабаны; 4 - кольцо на входе в барабан; 5 - кольцо на выходе из барабана; 6 - стержень;
7 - гибкая связь
Основной узел стержневой мельницы состоит из основного барабана 1 (рис.1), первого дополнительного барабана 2, второго дополнительного барабана 3. Дополнительных барабанов может быть больше, но их число четное. Дополнительные барабаны расположены соосно основному барабану и соединены с ним, т.е. вращаются с той же скоростью, что и основной барабан. Диаметр каждого дополнительного барабана равен 0,8^- 0,9 от диаметра барабана, в котором он размещен, а длина равна 0,9 ^ 0,95 от длины этого барабана. С двух сторон барабанов установлены подпорные кольца 4 и 5. Внутри каждого барабана размещены стержни 6 (рис.1б), соединенные гибкими связями 7, причем масса стержней 4 увеличивается, не менее, чем на 10%, от внутреннего барабана 3, к внешнему барабану 1.
Стержневая мельница непрерывного принципа действия работает следующим образом. С загрузочного края (левый край на рис.1а) в самый внутренний дополнительный барабан 3 подается исходная смесь базового масла и порошка графита, которая при вращении барабанов перемещается вдоль горизонтальной оси (в дополнительном барабане 3 материал перемещается слева направо). Достигнув выгрузочного края дополнительного Движение материала в разные стороны происходит потому, что в мельницу непрерывно подается исходная смесь, диаметр отверстия в кольцевых крышках 4, установленных с загрузочного края каждого из барабанов меньше диаметра отверстия в кольцевых крышках 5, установленных с разгрузочного края каждого из барабанов. При вращении барабанов 1, 2, 3 стержни 6, соединенные между собой гибкими связями 7, сначала неподвижны относительно внутренней поверхности барабанов барабана 3, смесь перемещается в дополнительный барабан 2 и далее движется вдоль его оси (в дополнительном барабане 2 смесь перемещается справа налево). Достигнув выгрузочного края дополнительного барабана 2, смесь перемещается в основной барабан 1 и далее движется вдоль его оси (в основном барабане 1 смесь перемещается слева направо). Достигнув выгрузочного края основного барабана 1 обработанная смесь выгружается из мельницы. Процесс измельчения закончен.
Ранее [14] было установлено, что стержни, соединенные между собой гибкой связью, внутри вращающегося барабана сначала неподвижны относительно обечайки барабана и поднимаются вверх. Между стержнями и обечайкой барабана действует коэффициент трения покоя. Когда силы скатывания, действующие на стержни становятся равными силам трения, стержни начинают скользить вниз, поскольку коэффициент трения движения меньше коэффициента трения покоя до тех пор, пока силы трения не станут равны силам скатывания и не закончится сила инерции. Таким образом, процесс эксфолиации графита реализуется только циклически, в то время, когда стержни скользят вниз. В мельнице периодического действия эта проблема решается фиксацией стержней относительно основания барабана и процесс эксфолиации реализуется в течении всего времени пребывания смеси во вращающемся барабане. Для новой конструкции мельницы (рис.1) данное решение использовать невозможно, поскольку дополнительные барабаны жестко соединены с основным барабаном. Учитывая это, предлагается новая конструкция стержней, схема которой показана на рис.2.
В барабане 1 расположены стержни 2, соединенные гибкой связью 3. Кроме основных стержней 2, к гибкой связи подсоединен дополнительный стержень 4, у которого по краям, с возможностью свободного вращения установлены диски 5, имеющие больший диаметр, чем стержень 4. Масса стержня 4 больше, чем масса стержня 2. При вращении барабана 1, стержень 4 не касается обечайки барабана. За счет того, что коэффициент трения качения дисков 5 в десятки раз меньше, чем коэффициент трения скольжения стержня 4. При определенном положении стержней, наступает момент, при котором скатывающие силы равны силам трения и основные стержни 2 будут постоянно скользить по внутренней поверхности барабана. Данное положение зависит от массы стержней 2 и стержня 4, а также из соотношения коэффициентов трения качения и скольжения.
На каждый стержень 2 действует сила веса, равная m2g. Эту силу можно разложить на силу нормального давления N2i и скатывающую силу Fcкi, численные значения которых равны:
=т2дсозуи (1)
¿сю; = т2дБ1пу1 (2)
где т2 - масса стержня 2; g - ускорение свободного падения; г - номер стержня 2, начиная от дополнительного стержня 4
Нормальная сила N2i вызывает силу трения FтР2i равную;
Ртр2 /д =!рт2дсозу1 (3)
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 9
Аналогичным образом рассчитываются силы для стержня 4, т.е. Fck4 и Ftp4. Следует отметить, что в данном случае используется коэффициент трения качения, численное значение которого почти на два порядка меньше коэффициента трения скольжения, который используется при расчете силы трения стержня 2.
При исследовании процесса эксфолиации было установлено, что по мере уменьшения средней толщины нанопластин графита интенсивность эксфолиации снижается. Для уменьшения этого нежелательного эффекта предложено увеличивать массу стержня на 10-20% при переходе из одного барабана в другой. Увеличение массы можно обеспечить, как за счет увеличения диаметра стержня, так и увеличения плотности их материала.
Как отмечалось ранее, условием постоянного скольжения стержней 2 по внутренней поверхности вращающегося барабана 1, является равенство суммарных сил скатывающих и трения. Данное положение стержней, фактически численное значение угла у4 , можно определить из равенства:
^СК4 + £"=1 ^СК2£ = £Г=1 ^ТР2£ (4)
Проведено сравнение предлагаемой конструкции с прототипом [15]. Ранее отмечалось, что производительность мельницы прямо пропорциональна длине пути частиц графита в зоне эксфолиации, т.е. в зоне контакта стержней с барабаном. Выполнены расчеты длины пути частиц графита в зоне эксфолиации для прототипа с радиусом основного барабана 500 мм и предлагаемой мельнице с шестью дополнительными барабанами с диаметрами: 470; 440; 410; 380; 350; 320 мм. Длина барабанов, степени заполнения барабанов обрабатываемой смесью и скорости вращения барабанов для прототипа и предлагаемой мельницы были одинаковы. В результате расчетов было установлено, что в предлагаемой конструкции длина пути частиц увеличилась в 5,7 раза по сравнению с прототипом.
Таким образом, есть основания ожидать, что переход от периодического режима работы к непрерывному приведет к существнному увеличению производительности мельницы.
Список литературы:
1.Li H., Zhao, G., Zhang, H. Recent Progress of Cement-Based Materials Modified by Graphene and Its Derivatives. Materials 2023, 16. 3783. DOI: 10.3390/ma16103783.
2.Аль-Машхадани А.М.Р. Получение водных суспензий нанопластин сдвиговой эксфолиацией слоистых кристаллов для модифицирования бетона. автореф. дис. .. .канд. техн. наук. Тамбов, 2022. 16 с.
3. Алхило З.А.А. Разработка и расчет дисковых диспергаторов для производства графеновых концентратов и модифицирования пластичных смазок. автореф. дис. канд. техн. наук. Тамбов, 2021. 16 с.
4. Alen S.K., Nam S., Dastgheib S.A. Recent Advances in Graphene Oxide Membranes for Gas Separation Applications. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 5609.
5. Kwon O., Choi Y., Choi E., Kim M., Woo Y.C., Kim D.W. Fabrication Techniques for Graphene Oxide-Based Molecular Separation Membranes: Towards Industrial Application. Nanomaterials 2021, 11, 757.
6. Buelke C., Alshami A., Casler J., Lewis J., Al-Sayaghi M., Hickner M.A. Graphene Oxide Membranes for EnhancingWater Purification in Terrestrial and Space-Born Applications: State of the Art. Desalination 2018, 448. 113-132.
7. Han Z., Huang L., Qu H., Wang Y., Zhang Z., Rong Q., Sang Z., Wang Y., Kipper M.J., Tang J. A Review of Performance Improvement Strategies for Graphene Oxide-Based and Graphene-Based Membranes in Water Treatment. J. Mater. Sci. 2021, 56. 9545-9574.
8. Gupta G, Zeng M, Nurbawono A., Huang W. Liang G. Applications of Graphene-Based Materials in Electronic Devices. 2016 by Taylor & Francis Group, LLC. P. 279-297.
9. Tong Y., Bohmb S., Song M. Graphene based materials and their composites as coatings. Austin J Na-nomed Nanotechnol. 2013;1(1): 1003.
10. Zhang L. Yi, Y., Shi X. Recent progress of functionalised graphene oxide in cancer therapy // Journal of Drug Targeting, vol. 27, no. 2. 2019. P. 125-144.
11. Ovcharenko E.A., Seifalian A., Rezvova M.A. A new nanocomposite copolymer based on functionalised graphene oxide for development of heart valves // Scienti4c Reports, vol. 10, no. 1, 2020.12-14.
12. 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.
13. Першин В.Ф., Альдавуд С.С.Ю., Альгураби А., Баити А., Салхи Х. Модифицирование пластичных смазок нанопластинами графита//Сборник научных статей по материалам XII Международной научно-практической конференции. Часть 1. Уфа. 2023. С. 158-165.
14. Жумагалиева Г.Б. Разработка и расчет стержневых барабанных мельниц для производства гра-феносодержащих концентратов. автореф. дис. .канд. техн. наук. Тамбов, 2020. 16 с.
15. Пат. 2670495 Российская Федерация, B 02 С 17/10. Стержневая барабанная мельница / Першин В.Ф., Жумагалиева Г.Б., Меметов Н.Р., Пасько А.А., Ткачев А.Г.; заявл. 26.12.2017; опубл. 23.10.2018, Бюл. № 30.
Альдавуд Саиф Сухаил Юсуф, 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 CONTINUOUS OPERATION ROD DRUM MILL S.S. Aldawood, W.F. Pershin
As a result of the analysis of the process of graphite exfoliation in a rod drum mill, a new design with additional drums located inside the main drum and rigidly connected to it was proposed. Due to the use of an additional rod, which does not slide, but rolls along the inner surface of the rotating drum, sliding contact of the rods with the drums is ensured throughout the entire stay of the processed material in the mill. It has been shown that the intensity of the exfoliation process
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: АЬО3, 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.
