CC BY
27
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACTINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
УДК 621.026.001(06) DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-90-95
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕЛЬНИЦ ДИНАМИЧЕСКОГО САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ
COMPARATIVE ANALYSIS OF DYNAMIC AUTOGENOUS MILLS
VARIOUS SYSTEMS
© 2015 г. А.А. Остановский, А.Н. Дровников, А.С. Чирской
Остановский Александр Аркадьевич - канд. техн. наук, докторант, кафедра «Машины и оборудование бытового и жилищно-бытового назначения», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, г. Шахты, Россия. E-mail: ostanovskiy51 @mail. га
Дровников Александр Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Машины и оборудование бытового и жилищ-но-бытового назначения», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, г. Шахты, Россия. E-mail: drownikow@pochta. га
Чирской Александр Семенович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Строительство и техносферная безопасность», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: AS_TCHIRSKOY @mail.ru
Ostanovskiy Alexander Arkadjevich - Candidate of Technical Sciences, doctoral student, department «Machines and Equipment, Household and Housing and Municipal Purposes», Institute of the Service Sector and Entrepreneurship (branch) of the Don State Technical University, Shahty, Russia. E-mail: ostanovskiy51 @mail.ru
Drovnikov Alexander Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Machines and Equipment, Household and Housing and Municipal Purposes», Institute of the Service Sector and Entrepreneurship (branch) of the Don State Technical University, Shahty, Russia. E-mail. [email protected]
Chirskoy Aleksandr Semenovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Building and Technosphere Safety», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: AS_TCHIRSKOY @mail.ru
Обосновывается необходимость использования при измельчении материалов на машинах, применяемых в различных отраслях промышленности, метода, основанного на принципе самоизмельчения. Приведены удельные энергозатраты, достигнутые на современном измельчительном оборудовании, используемом в различных отраслях промышленности, включая мельницы динамического самоизмельчения. По результатам анализа конструктивных схем и выходных показателей по производительности и энергозатратам мельниц динамического самоизмельчения «МАЯ», наиболее перспективных для измельчения различных материалов, обосновывается необходимость использования измельчительного оборудования, в конструктивных схемах которого применяются механизмы с замкнутым контуром. Представлены предварительные результаты экспериментов, полученные при исследовании опытного образца измельчителя динамического самоизмельчения с силовым замкнутым контуром «МКАД», при измельчении широко используемого мергеля.
Ключевые слова: мельница; измельчение; самоизмельчение; измельчительное оборудование; удельные энергозатраты; замкнутый контур; циркуляция мощности; кинематическое несоответствие; производительность; рассев; барабан; ротор.
The necessity to use when grinding materials on machines used in various branches of industry of the method based on the principle of self-grinding. Given specific energy achieved in modern grinding equipment used in various industries, including autogenously mills dynamic. Based on analysis of construction schemes and output indicator in performance and energy costs, the most promising for grinding various materials auto-genously mills dynamic «MAY», justifying a necessary use of grinding equipment, design schemes that use a
closed-loop mechanisms The preliminary results of experiments, ob-tainted in the study of a prototype chopper of the dynamic force with autogenously closed loop during grinding is widely used in the construction of marl.
Keywords: mill; grinding; autogenously grinding; grinding equipment; specific energy; closed loop circulation of power; kinematics mismatch; performance; screening drum; rotor.
Анализ эксплуатации измельчительного оборудования металлургических предприятий и обогатительных фабрик, входящих в состав горно-металлургических комбинатов, перерабатывающих рудное сырье, а также предприятий по производству строительных материалов для нужд строительной индустрии и смежных с нею отраслей, позволяет сделать вывод, что существующие типы мельниц обладают высокими энергозатратами, характеризуются высокой металлоемкостью (табл. 1).
Поэтому совершенствование помольного оборудования, а также применение более эффективных и экономичных способов измельчения является актуальной задачей отечественного машиностроения [1].
В нашей стране в последние годы проведен значительный объем работ по созданию эффективных дробильно-измельчительных машин и процессов, основанных на принципах самоизмельчения. К таким машинам следует, прежде всего, отнести мельницы динамического самоизмельчения «МАЯ», разработанные под руководством докт. техн. наук А.В. Ягу-пова [2, 3]. Достоинством этих мельниц является:
- отсутствие в выходном продукте материалов износа рабочих органов и камеры;
- меньшая металлоемкость;
- отсутствие необходимости производства прочных фундаментов для монтажа установок, что позволяет снизить капитальные затраты и эксплуатационные расходы;
- меньшая удельная энергоемкость при измельчении материалов;
- значительно снижен уровень шума и выход пылеобразных частиц.
Однако опыт эксплуатации этого типа оборудования показал, что мельницы такого конструктивного исполнения достигли предельных значений по производительности и минимальным энергозатратам [4]. Это объясняется тем, что в основе конструкций существующих мельниц динамического самоизмельчения системы «МАЯ» для разрушения кусков используется кинетическая энергия вращающегося ротора, зависящая в основном от его скорости вращения, которое не может превышать некоторого критического значения [5].
Альтернативой существующим типам измельчи-тельного оборудования, в том числе и наиболее прогрессивным на сегодняшний день мельницам динамического самоизмельчения, по мнению авторов, может стать новый класс измельчительных машин, в основу конструкции которых заложена принципиально новая идея - использование в них механизмов с замкнутым контуром [6 - 9].
Наличие в конструктивных схемах механизма замкнутого контура позволит использовать для разрушения кусков измельчаемого материала не только кинетическую энергию вращающегося ротора, но и возникающую при его наличии «циркулирующую» энергию (мощность). Это приведет к дополнительному силовому взаимодействию кусков между собой, их интенсивному раскалыванию и истиранию.
Практической реализаций данной идеи является разработанная конструктивная схема измельчителя (мельницы) динамического самоизмельчения с силовым замкнутым контуром (рис. 1).
Таблица 1
Сопоставительный анализ существующего измельчительного оборудования по производительности и удельным энергозатратам
Наименование машины для измельчения Крепость по шкале Протодъяконова f Крупность исходных кусков, мм Крупность продуктов измельчения, мкм Максимальная производи -тельность, т/ч Удельные энергозатраты, кВт-ч/т
Центробежные мельницы до 20 16 50 50 5 - 20
Планетарные мельницы до 20 50 20 - 40 30 20 - 60
Скоростные дезинтеграторы УДА до 20 10 - 30 60 - 1000 20 - 90 10 - 32
Вибрационные мельницы до 20 5 - 10 5 - 10 20 20 - 40
Мельницы принудительного самоизмельчения до 16 30 30 1,0 20 - 30
Шаровые мельницы до 20 50 - 80 25 300 10 - 20
Струйное измельчение до 20 5 - 20 5 - 20 25 30 - 200
Мельницы мокрого самоизмельчения до 14 300 - 350 70 - 200 300 12 - 25
^нижн; Пнижн
Рис. 1. Конструктивная схема измельчителя динамического самоизмельчения с силовым замкнутым контуром: 1 - электродвигатель; 2 - ротор; 3 - барабан; 4 - кинематическая передача верхней ветви контура; 5 - кинематическая передача нижней ветви контура
В этой конструктивной схеме из-за разных передаточных отношений нижней и верхней ветвей контура измельчителя, т. е. при условии /верх Ф /нижн при передаче мощности от электродвигателя по нижней и верхней ветви к измельчаемому материалу формируется кинематическое несоответствие вращения барабана и ротора.
Из-за кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура возникает явление циркуляции мощности, возникающей в замкнутом контуре, образованного нижним концом вала электродвигателя, ротором, материалом, барабаном и верхним концом этого вала.
При этом мощность в замкнутом контуре будет значительно больше, чем на валу двигателя 1, что приводит к возникновению напряжения в частицах материала, попавшего в зону контакта восходящих частиц, находящихся в роторе, и других, опускающихся вниз под действием собственного веса к границе соприкосновения их с рабочей поверхностью чаши ротора. Этим обеспечивается измельчение соприкасающихся частиц с повышенным контактным напряжением при интенсивном их перемешивании.
Оценка энергоэффективности измельчения материала на измельчительных установках обоих типов -мельницы «МАЯ» и измельчителя «МКАД» (мельнице контурной Александра Дровникова), в конструкции которого имеется механизм «замкнутого контура», произведены экспериментальные исследования. Исследования проводились на опытном образце, созданном на основе разработанной конструктивной схемы [6].
Приведение созданного измельчителя к мельнице динамического самоизмельчения «МАЯ» с теми же конструктивными и режимными параметрами осуществлялось путем отсоединения ремня клиноременной передачи привода барабана 1 от электродвигателя 2 и механического заклинивания барабана 1 с помощью стопора 3 (рис. 2).
Предметом исследования был принят материал мергель, являющийся основным ингредиентом при производстве цементов различных марок. По своим физико-механическим свойствам он близок к свойствам материалов, которые исследовались на мельницах динамического самоизмельчения «МАЯ» [10].
Физико-механические свойства исследуемого материала - мергеля представлены в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механическая характеристика мергеля
Средняя крупность исходных кусков dср, мм Плотность р, кг/м3 Относительная влажность W, % Твердость мергеля по шкале Мооса, ед. Коэффициент внутреннего трения квн
40 1Д2-10-3 6 - 7 3,5 0,57
Для измерения крутящего момента на электродвигателе Мдв и мощности замкнутого контура на валу электродвигателя М,к, а также мощности, потребляемой из сети Жсети, разработан измерительный комплекс (рис. 3).
Рис. 2. Схема для исследования мельниц производительности и энергозатрат динамического самоизмельчения системы «МКАД» и «МАЯ»: 1 - барабан; 2 - электродвигатель; 3 - механический стопор
Электронно- механический узел
Электронно- вычислительный блок К522
о В
" 380 В
Рис. 3. Структура измерительного комплекса для замера момента (мощности) на валу двигателя путем измерения разности углов скручивания концов вала и мощности, потребляемой из сети
Основные элементы структуры экспериментальной установки: SA1 - выключатель трехфазной цепи питания асинхронного двигателя; комплект измерительный К505 - используется для измерения силы тока, напряжения и мощности асинхронного двигателя; АД - асинхронный двигатель; ЭВМ - используется для сбора данных, поступающих от электронно-вычислительного блока; электронно-вычислительный блок К522 - предназначен для обработки сигналов датчиков угла поворота, выведения контрольно-измерительной информации; БП - источник питания электронно-вычислительного блока; трансформатор -используется для гальванической развязки измерительной части от питающей сети, а также для понижения напряжения питающей цепи до значений, приемлемых для подачи на АЦП электронно-вычислительного блока.
Датчик тока - выполнен в виде микросхемы, состоит из очень точного линейного датчика Холла, интегрированного на кристалл микросхемы, и медного проводника, размещенного близко к кристаллу. Электрический ток, протекая через проводник, создает магнитное поле, которое фиксируется датчиком Холла и преобразуется в напряжение, пропорциональное значению входного тока. В рассматриваемом устройстве использовался датчик тока ACS712 фирмы Allegro. ACS712 обладает высокой точностью, галь-
ванической изоляциеи измерительной схемы, термостабильностью и малыми габаритами.
Измерительный усилитель служит для согласования выхода датчика тока и входа АЦП электронно-вычислительного блока. В устройстве использовался измерительный усилитель AD623 от компании Analog Devices.
Электронно-механический узел - механический узел, представляющий собой вал двигателя, который механически связан с валами датчиков угла поворота. На каждом торце вала двигателя закреплен один датчик угла поворота.
Измерение крутящего момента (мощности) на валу электродвигателя для измельчителя с замкнутым контуром производилось косвенным способом - через измерение разности углов скручивания концов вала электродвигателя Аф = (ф1 - ф2), где ф1 - величина скручивания нижнего конца вала от момента, прикладываемого к нижнему концу вала - Мнижн, град; ф2 - величина скручивания верхнего конца вала от момента, прикладываемого к верхнему концу вала -Мверх, град.
Измерение крутящего момента (мощности) на валу электродвигателя (мощности замкнутого контура) осуществлялось путем измерения разности углов скручивания концов вала электродвигателя Аф в процессе измельчения мергеля.
Эксперимент по оценке энергоэффективности на двух типах измельчительного оборудования проводился при следующих условиях: высота засыпки исходного материала над ротором составляла 0,5 м; угловая скорость ротора Юрот = 80,4 1/с (792 об/мин); угловая скорость барабана (при её наличии) юбар = = 40,6 1/с (192 об/мин); диаметр выпускных отверстий -dвып - 7,0 мм.
При этом кинематическое несоответствие на измельчителе с замкнутым контуром устанавливалось путем установки ведомого и ведущего шкивов верхней ветви и ведущей и ведомой звездочек нижней ветви и составило /к.н = /верх/'ниЖн = 0,42. Каждый опыт по определению производительности Оср и рассеву у повторялся три раза, а общий результат находился как среднее арифметическое от трех измерений.
Результаты исследования производительности и ситового анализа на двух типах измельчительного оборудования (мельницы «МАЯ» и измельчителя с силовым замкнутым контуром «МКАД») приведены в табл. 3, 4 и на рис. 4 и 5.
3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 -400
1
у 1
|
^2
0 1( Ю 2( Ю 3( Ю 40
Рис. 4. Осциллограмма измерения мощности на валу электродвигателя (мощности замкнутого контура) (1) и мощности, потребляемой из сети (2) при условиях: dср = 40 мм; Юрот =80,38 1/с; Юбар =40,6 1/с; г'верх/г'нижн = 0,42; Нсл = 0,5 мм; dвып = 7,0 мм
2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800
200 0
1
2
0 100 200 300 400
Рис. 5. Осциллограмма измерения мощности на валу электродвигателя при заторможенном барабане: dср = 40 мм; г'верх/г'нижн = 0; Юбар= 0 1/с; Юрот = 80,38 1/с; Нсл = 0,5 мм; dвып = 7,0 мм. 1 - мощность, потребляемая из сети 2 - мощность замкнутого контура Мзк
По полученным осциллограммам измерения мощности на валу электродвигателя можно видеть, что наличие замкнутого контура при кинематическом несоответствии, равном /верх/гнижн = 0,42, увеличивается выход более мелких фракций приблизительно на 20 %.
Выводы
1. Производительность по общему выходу фракций в обоих случаях - на измельчителе динамического самоизмельчения с силовым замкнутым контуром «МКАД» и мельнице динамического самоизмельчения типа «МАЯ» практически равны между собой.
2. Наличие замкнутого контура с кинематическим несоответствием /верх/г'нижн , равным 0,42, обеспечивает снижение мощности, потребляемой на измельччителе системы «МКАД» из сети в среднем на 6 - 8 % в установившемся режиме в сравнении с мельницами динамического самоизмельчения «МАЯ».
3. Наличие замкнутого контура на измельчителе «МКАД» способствует возрастанию выхода в процентном отношении более мелких выходных фракций (< 0,63 мм) приблизительно на 28 %.
Таблица 3
Ситовый анализ измельченного материала (мергеля) измельчителем динамического самоизмельчения
с силовым замкнутым контуром
№ сита Общии выход Q j, кг (%) Размер сита, мм
5,0-3,0 3,0-1,2 1,2 - 0,63 0,63-0,27 < 0,27
Выход продукта по фракциям, кг/мин (%)
Остаток на сите, кг (%) 5,59 (100) 0,391 (7,0) 0,704 (12,6) 0,313 (5,6) 0,788 (14,1) 3,39 (60,7)
Таблица 4
Ситовый анализ измельченного материала (мергеля) мельницей динамического самоизмельчения
(прототип мельницы «МАЯ»)
№ сита Общии выход Qj, кг (%) Размер сита, мм
5,0-3,0 3,0-1,2 1,2 - 0,63 0,63-0,27 < 0,27
Выход продукта по фракциям, кг/мин (%)
Остаток на сите, кг (%) 5,72 (100) 0,521 (9,1) 1,17 (20,5) 0,354 (6,2) 1,26 (22,1) 2,4 (42,1)
Это объясняется тем, что наличие механизма замкнутого контура и кинематического несоответствия ветвей этого контура приводит к возникновению явления «циркуляции» мощности, которое образует дополнительное силовое поле (рис. 1). За счет этого частицы начинают взаимодействовать между собой с более высоким контактным напряжением, что способствует их интенсивному раскалыванию и, главное, истиранию. Этот эффект приводит к возрастанию выхода в процентном отношении в готовом продукте более мелких фракций. Эта закономерность подтверждает вывод о том, что для получения мелких фракций измельчаемого материала (< 0,63 мм) более эффективным способом их разрушения является не удар, а истирание [11].
Регулируя величину кинематического несоответствия ветвей измельчительного устройства, имеющего механизм замкнутого контура, можно изменять величину силового воздействия на частицы материала и этим самым обеспечивать снижение энергозатрат.
Литература
1. Приказ от 30 мая 2011 г. № 262 «Об утверждении стратегии развития промышленности строительных материалов и индустриального домостроения на период до 2020 года» / Министерство регионального развития Российской Федерации.
2. Ягупов А.В. Способ динамического самоизмельчения. А.с. 651845. МКИ В 02 С 13/00, опубл. 15.03.79. // Б.И. 1980. № 10. С. 4.
3. Ягупов А.В. Мельница динамического самоизмельчения «МАЯ»: А.с. 710632, МКИ В 02 С 13/00, опубл. 25.01.80. // Б.И. 1980. № 3. С. 4.
4. Ягупов А.В., Хетагуров В.Н. Вертикальные мельницы динамического самоизмельчения и результаты их практического применения // Дробильно-размольное оборудование и технология дезинтеграции: междувед. сб. науч. тр. «Механобр». Л., 1991.
5. Гегелашвили М.В. Определение границ скоростных режимов движения материала в мельнице динамического самоизмельчения «МАЯ» // Механизмы и машины ударного. периодического и вибрационного действия: материалы междунар. симп. (Орел 22 24 нояб. 2000 г.). Орел, 2000 С. 245 - 249.
6. Дровников А.Н., Остановский А.А., Никитин Е.В., Павлов И.А, Осипенко Л.А., Агафонов Н.А. Измельчитель динамического самоизмельчения. Патент на изобретение № 2465960. Опубл. 10.11. 2012 // Б.И. 2012. № 31.
7. Дровников А.Н., Остановский А.А., Маслов Е.В., Бурков Н.В., Романенко Г.Н. Мельница. Патент на изобретение № 2496581. Опубл. 27.10.2013. // Б.И. 2013. № 30.
8. Дровников А.Н., Остановский А.А., Маслов Е.В., Ры-бальченко А.Н. Измельчитель динамического самоизмельчения материала. Патент на изобретение № 2520008. Опубл. 20.06. 2014. // Б.И. 2014. № 17.
9. Дровников А.Н., Остановский А.А. Устройство для измельчения материала. Патент на изобретение № 2526668. Опубл. 27.08.2014. // Б.И. 2014. № 24.
10. Хетагуров В.Н., Кузьминов А.П. Опыт промышленной эксплуатации центробежной мельницы нового типа на Новочеркасском электродном заводе (НЭЗ) // Сб. науч. тр. СКГТУ № 4. Владикавказ, 1998. С. 251 - 254.
11. Клыков Ю.Г. Развитие научных основ создания техники и технологии для селективной дезинтеграции сырья: дис. ... д-ра техн. наук. Владикавказ, 1997. 345 с.
References
1. Ministerstvo regional'nogo razvitiya Rossijskoj Federacii. Prikaz ot 30 maya 2011 g. №262 «Ob utverzhdenii strategii razvitiya promyshlennosti stroitel'nyh materialov i industrial'nogo domostroeniya na period do 2020 goda» [The Ministry of regional development of the Russian Federation. The order dated may 30, 2011 no. 262 "On approval of the strategy of development of the industry of building materials and housing construction industry for the period till 2020"].
2. Yagupov A.V. Sposob dinamicheskogo samoizmel'cheniya [Dynamic Method autogenous grinding]. A.s., no 651845, 1979.
3. Yagupov A.V. Mel'nica dinamicheskogo samoizmel'cheniya "MAYa" [Mill dynamic autogenous grinding "MAY".]. A.s. no 710632, 1980.
4. Yagupov A.V., Hetagurov V.N. [Vertical mill dynamic semi-autogenous grinding and the results of their practical application]. Drobil'no-razmol'noe oborudovanie i tehnologiya dezintegracii: Mezhduved. sb. nauch. tr. [Crushing and grinding equipment and technology of disintegration: Midwived. collected scientific articles. Tr.]. Leningrad, Mehanobr, 1991. (In Russian)
5. Gegelashvili M. V. [Determination of the boundaries of high-speed driving modes of material in the mill dynamic autogenous grinding "MAY"]. Mehanizmy i mashiny udarnogo. periodicheskogo i vibracionnogo dejstviya. Mater, mezhdunar. simp (Orel 22 24 noyab. 2000 g.) [The Mechanisms and machine drums. periodic and vibrating action. Matera, proc. proc (eagle 22 24 Nov. 2000)]. Orel, OPU, 2000, p. 245 - 249.) (In Russian)
6. Drovnikov A. N., Ostanovskij A. A., Nikitin E. V., Pavlov I. A, Osipenko L. A., Agafonov N. A. Izmel'chitel' dinamicheskogo samoizmel'cheniya [Shredder dynamic semi-autogenous grinding]. Patent PF, no 2465960, 2012.
7. Drovnikov A. N., Ostanovskij A. A., Maslov E. V., Burkov N. V., Romanenko G. N. Mel'nica [Mill]. Paten RF no 2496581, 2013.
8. Drovnikov A. N., Ostanovskij A. A., Maslov E. V., Rybal'chenko A. N. Izmel'chitel' dinamicheskogo samoizmel'cheniya materi-ala [Shredder dynamic autogenous grinding material]. Patent RF no 2520008, 2014.
9. Drovnikov A. N., Ostanovskij A. A. Ustrojstvo dlya izmel'cheniya materiala [Device for grinding material]. Zayavka no. 2012149328/13(079096), 2012.
10. Hetagurov V.N., Kuz'minov A.P. [Operation of centrifugal mill is a new type at the Novocherkassk electrode plant (NAZ)] Sb. nauchnyh trudov SKGTU№4. [Collection of scientific papers of SGTU No. 4]. Vladikavkaz,1998, p.251-254. (In Russian)
11. Klykov Yu.G. Razvitie nauchnyh osnov sozdaniya tehniki i tehnologii dlya selektivnoj dezintegracii syr'ya. Diss... dokt. tehn. Nauk [Development of scientific basics of engineering and technology for selective disintegration of the raw material. Diss... Prof. technology. Sciences]. Vladikavkaz, SKGMI, 1997, 345 p.
Поступила в редакцию 28 июля 2014 г.
