сотрудник
Россия
аспирант с 01.01.2021 по 01.01.2022
Белгород, Белгородская область, Россия
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом
УДК 62-2 Детали машин
Роторно-центробежные измельчители (диспергаторы) широко применяются в различных областях производства, а многообразие конструкций рабочего органа и измельчающих насадок позволяет справляться с задачами по измельчению таких материалов, как известняк, мел, мергель, глина, древесина, полимеры, бумага и т.д. При работе данного типа машин прослеживается незначительный процент недомола материала. Существует несколько решений данной проблемы: дополнительный цикл измельчения или добавление насадок различных конструкций на вал агрегата. Дополнительный цикл измельчения отрицательно сказывается на производительности и совокупных энергозатратах агрегата. Для увеличения степени измельчения и повышения качества получаемой измельчаемой гомогенизированной смеси коллективом авторов было принято решение о модернизации рабочего органа диспергатора. Модернизация агрегата заключается в добавлении насадки на рабочий вал ротора с иглофрезерным воздействием на измельчаемый материал. В данной статье рассмотрена методика экспериментальных исследований для установления закономерностей процесса измельчения материалов в роторно-центробежном диспергаторе, с иглофрезерным воздействием на измельчаемый материал. Проведен расчет производительности роторного агрегата и установлено соответствие зависимости между реальной производительностью и расчетной. Было подобрано различное анизотропное сырье для измельчения в роторно-центробежном диспергаторе. Установлены зависимости выходных параметров установки, таких как производительность, потребляемая мощность и удельные энергозатраты, от входных регулируемых параметров, таких как частота вращения ротора, средний размер исходного материала и степени влажности исходного материала.
анизотропные материалы, измельчение, комплексное динамическое воздействие на материал
Введение. Измельчение различных материалов давно известный технологический процесс. Данный процесс разделяется на два основных вида: дробление и помол. В свою очередь помол бывает грубый, тонкий, сверхтонкий и коллоидный. Каждый вид помола достигается определенной конструкцией измельчителя. К примеру, тонкое измельчение, возможно, получить при истирающем воздействии на сырье, а более грубый помол получается при раздавливающем, разрезающем и ударном воздействии на материал. Для получения более качественного сырья существуют такие агрегаты, в принципе работы которых лежит комплексное физико-механическое воздействие на измельчаемый материал. Щековые дробилки комбинируют раздавливающее и сдвиговое воздействие, благодаря сложному движению шатунного механизма щеки, различные роторные диспергаторы имеют несколько видов насадок на едином валу, которые обеспечивают разнообразные комбинации механического воздействия на сырье.
Следует отметить, что процессы помола анизотропных материалов являются чрезвычайно энергоемкими; в этой связи, вопросом принципиальной важности, является снижение энергопотребления, создание помольных машин и определение оптимальных режимов их работы, которые обеспечивали бы необходимое качество помола при минимальных энергозатратах. Это требует научного, теоретического и лабораторного обеспечения на базе углубленного изучения процессов и специфики помола в существующих измельчающих машинах (мельницах, диспергаторах, дезинтеграторах и др.).
Прослеживая путь развития помольного оборудования, можно отметить, что, несмотря на радикальное изменение конструкций, основным их принципом остается воздействие на волокна в зазоре между перекрещивающимися ножевыми элементами. Ножевые размалывающие машины являются наиболее универсальным оборудованием, применяющимся практически на всех стадиях, где требуется измельчение и помол анизотропных материалов. Перспективным направлением развития помольного оборудования для измельчения анизотропных материалов, является внедрение насадок с иглофрезерным воздействием на измельчаемый материал.
На сегодняшний день известно несколько конструкций роторных помольных агрегатов. С несколькими камерами (рис. 1) и однокамерные агрегаты комплексного динамического воздействия на материал.
Многокамерные диспергаторы работают следующим образом. В первой камере происходит грубый помол с ударным воздействием. Во второй камере следует разрезающее воздействие и истирание материала. Безусловно, у такой установки есть ряд явных преимуществ, но и также есть недостатки, наличие нескольких камер увеличивает металлоемкость конструкции, требует динамической балансировки, увеличения числа приводов, обеспечение продольного движения сырья между камерами.
Рис. 1. Роторный агрегат с двумя камерами.
а – первая камера грубого помола; б – вторая камера тонкого помола
Коллектив авторов совместно с лабораторией «Инженер Будущего» на базе кафедры Технологических комплексов, машин и механизмов БГТУ им. В.Г. Шухова провел исследование диспергаторов с однокамерным и многокамерным устройством и установил, что агрегаты с однокамерной конструкцией способны обеспечить комплексное динамическое воздействие на сырье благодаря сложному строению рабочего органа. У исследуемого агрегата рабочим органом является ротор с различными насадками, обеспечивающими режущее и истирающее воздействие на сырье. Для повышения дисперсности измельченного продукта нами была проведена модернизация агрегата и установлена насадка с иглофрезерным воздействием.
Материалы и методы. В ходе проведенных исследований работы роторно-центробежного агрегата (РЦА), выяснилось, что на производительность машины основное влияние оказывает интенсивность разрушения материала в зоне зубчатой оболочки ротора. Предварительные и последующие стадии разрушения частиц материала являются вспомогательными и не оказывают характерного влияния на величину производительности.
Представим зависимость в общем виде [1]:
Qизм=Vмат·ρ·n (1)
где Vмат – объем перерабатываемого материла, заключенный в режущих канавках съемного рабочего элемента, (м3); r – насыпная плотность измельчаемого материала, (кг/м3); n – частота вращения ротора, (мин-1)
Выражение (1) является общим и не учитывает ряд конструктивно – технологических параметров. Введем следующие величины: a – угол наклона режущих канавок к оси ротора; kj – коэффициент заполнения материалом; kl –коэффициент, учитывающий выходной зазор агрегата.
Получим:
Qизм=Vмат·ρ·n· kφ·k λ·cosα (2)
Объем перерабатываемого материала рассчитываем, как:
Vмат = l·b·h·z (3)
где l – длина канавки ротора, м; b – ширина канавки, м; h – высота канавки, м; z – количество канавок, шт;
Подставив формулу 3 в выражение 2, получим окончательную формулу производительности РЦА:
(4)
Следует учесть, что величина kj=0,65–0,75. При отсутствии конической насадки, ограничивающей площадь выходного сечения агрегата и являющейся основным сдерживающим фактором, эффективность работы РЦА существенно снизится. Поэтому величина коэффициента, учитывающего выходной зазор помольной части агрегата составляет kl=0,01-0,03 [2].
В соответствии с полученной методикой рассчитаем производительность созданной опытно – экспериментальной установки [2, 3]:
Qизм=0,9·0,12·0,9·13·170·2000·0,75·0,03·0,996= 32 кг/ч.
Из полученных результатов следует, что разница Qизм и Qопыт составляет ~8 %. Данное значение приемлемо и лежит в диапазоне допустимых погрешностей. Реальная производительность агрегата зависит от выбранного сырья и его физико-механических свойств.
Далее следует рассчитать потребляемую мощность роторно-центробежным агрегатом. При работе РЦА мощность затрачивается на:
- разрезание материала в каждой из ячеек зубчатого ротора ‒ Nрез.з;
- разрезание слоя материала в зазоре между иглофрезерной насадкой и зубчатым статором ‒ Nраз.и;
- перемещение материала выгрузочной крыльчаткой ‒ Nвент.
Отсюда получаем общую формулу потребляемой мощности [2, 3]:
; Вт, (5)
где h – КПД привода РЦА.
Мощность, затрачиваемая на разрезание материала находим по формуле:
Nрез.з =(РSсопр·rp)w, (6)
где РSсопр ‒ суммарное сопротивление, возникающее при срезе слоя материала в ячейках, Н; rp ‒ радиус ротора, rp=0,09 м.
Суммарное сопротивление находим по формуле:
РSсопр = РSсопр.яч·z, (7)
где РSсопр.яч ‒ сопротивление, возникающее при срезе слоя материала в одной ячейке, Н.
Сопротивление в одной ячейке находим:
РSсопр.яч =Рs·ns, (8)
где Рs ‒ сила сопротивления разрезанию частицы материала, Н; Рs=3,9 Н; ns ‒ среднестатическое количество опилок в ячейке.
Мощность, затрачиваемая на разрезание слоя материала в зазоре между иглофрезерной насадкой и зубчатым статором:
Nрез.и= Nрез·μ, (9)
где μ – коэффициент разрезания иглофрезами, μ=0,6.
Мощность, затрачиваемая на вентилятор, находим по формуле:
Nвент =Nа+Nв, (10)
Nа=Qm·L·kc, (11)
Nв=b·kс·i·π·n·sinα·
, (12)
где Qm ‒ производительность РЦА, кг/с; L ‒ длина крыльчатки, м; kc - общий коэффициент аэродинамического сопротивления; kc=1,8; b ‒ ширина лопастей, м; k ‒ удельное сопротивление массы резанию, Н/м2; i ‒ количество лопастей;
n ‒ частота вращения ротора, с-1; α ‒ угол поворота лопастей; α =30º; R ‒ радиус окружности описываемой лопастью, м; R=0,130 м; r ‒ расстояние от центра вращения до начала лопасти, r=0,0155 м.
По приведенным формулам производим расчет мощности привода РЦА, принимаем размер средневзвешенной частицы материала равной аср=0,005 м, в данном случаем рассматриваем древесные частицы.
Находим объем средневзвешенных частиц сырья:
Vср.ч=4/3·p·(aср /2)3, (13)
Vср.ч=4/3·3,14·(0,005/2)3=523·10-9 м3.
Находим среднестатическое количество частиц сырья в ячейке:
ns =
, (14)
ns = 
=12 шт.
Мощность, затрачиваемая на разрезание материала:
Nрез=468·0,093·78,5=1073 Вт;
РSсопр =46,8·10=468 Н;
РSсопр.яч=3,9·15=46,8 Н.
Мощность, затрачиваемая на истирание слоя материала:
Nист =1073·0,6=644 Вт.
Мощность, затрачиваемая на вентилятор:
Nвент =1+2,5=3,5 Вт;
Nа=1,21·0,07·1,8=1 Вт;
Nв=0,05·1,8·4 3,14·25·sin300 
= 2,5 Вт;
=1912 Вт.
Основная часть. Большинство исследований нами проведено для установления с помощью эксперимента функциональных или статистических связей между несколькими величинами, что является основой для будущего многофакторного планирования эксперимента на основе методов математического моделирования. Классический метод постановки эксперимента подразумевает фиксирование на принятых уровнях всех переменных факторов, кроме одного, значения которого определенным образом изменяют в области его существования [4]. Количество изменяемых показателей определяет факторность эксперимента.
Для проведения эксперимента по измельчению волокнистых материалов была использована запатентованная лабораторная установка, размещенная на кафедре «Технологических комплексов машин и механизмов» [5].
При исследовании процессов измельчения в роторно-центробежном агрегате на стадии поисковых экспериментов использовались следующие материалы: бумага, известняк, древесный опил и пластик [6].
При проведении многофакторного планирования эксперимента использовалась бумага, мел, пластик. Древесный опил на стадии предварительного помола, оказался не пригоден к измельчению в роторно- центробежном агрегате (РЦА). Материалы были предварительно отсортированы на фракции 3-х средних размеров (табл. 1).
Показатель сопротивления сырья излому ‒один из существенных показателей, характеризующих механическую прочность измельчаемого материала. Он зависит от длины волокон, из которых образовано сырье, их прочности, гибкости и сил связи между волокнами.
Таблица 1
Характеристики материалов, используемых в экспериментах
|
Характеристики |
Насыпная плотность, кг/м3 |
Средний размер, Аср, ·10-3 м2 |
Влажность материала, W, % |
|
|
Бумага |
50–100 |
0,1 0,5 0,9 |
4–6 |
|
|
Мел |
100–150 |
0,1 0,5 0,9 |
20–35 |
|
|
Пластик |
150–200 |
0,9 1 1,5 |
10 |
|
|
Кремнезем |
200–250 |
0,9 1 1,5 |
20–35 |
При проведении экспериментальных исследований использовались стандартные методики. Испытания проводились на спроектированном роторно-центробежном агрегате с модернизированным ротором. На рабочий орган установки была жестко закреплена иглофрезерная насадка, для обеспечения вспомогательного разрушающего воздействия на материал (рис. 2). Данное технологическое решение позволило нам интенсифицировать помол и доизмельчать частицы среднего размера.
Рис. 2. Лабораторный роторно-центробежный агрегат
Подготовка материала для проведения лабораторных исследований осуществлялась ручным способом в связи с малым объемом, требуемым для проведения экспериментов. Отходы бумаги и мела были подготовлены в 3-х различных фракциях: 0,1; 0,5; 0,9·10-3 м2. Пробы измельченного в лабораторной установке материала отбирались из накопительного мешка-уловителя при помощи аспирационной системы, состоящей из циклона, рукавного фильтра и вентиляторной установки. Отходы полимерной промышленности предоставлены нашим производственным партнером ‒ транспортной компанией ООО «ТК Экотранс» из цеха по производству пластиковых труб. Вес измельченного материала оценивался на электронных весах с высокой точностью 0,1 г, модель – Diamond-500.
На рисунке 3 представлены результаты помола пластика, бумаги, мела и кремнезема. Все полученные и вводные данные показаны в таблице 2.
Рис. 3. Результаты исходного и измельченного материала:
а) отходы макулатуры; б) отходы пластиковых труб; в) мел; г) кремнезем
Таблица 2
Результаты лабораторного эксперимента
|
Наименование сырья |
Размер частиц исходного материала, Д × Ш, мм |
Степень измельчения |
|
Бумага |
50×50 |
40–50 |
|
Пластик |
10×20 |
20–25 |
|
Мел |
5×5 |
50–70 |
|
Кремнезем |
1×0,5 |
70–100 |
Проведенные испытания по результатам модернизации РЦА обеспечили положительные результаты. Агрегат работал устойчиво, «проскока» недоизмельченного продукта не наблюдалось. Ситовой анализ конечной фракции показал, что максимальный размер частиц материала не превышал размер выходного зазора рабочей зоны РЦА. Данная фракция составляет 90 % от общей массы измельченного материала, остальные 10 % были либо чуть больше, либо в микро дисперсном состоянии. Производительность агрегата составила Qлаб=35 кг/ч.
Экспериментальным путем было доказано, что полученная производительность меняется в зависимости от измельчаемого сырья. Под каждый вид сырья требуется подобрать свои режимы работы агрегата: скорость вращения ротора, мощность привода и т.д. К примеру, для измельчения целлюлозных отходов затрачиваемая мощность привода была низка, что позволило добиться экономии электроэнергии, а для измельчения кремнезема и некоторых видов полимеров приходилось увеличивать мощность привода (при помощи частотного регулятора).
Также, в ходе проведения экспериментов были выявлены зависимости в ошибках измерений, которые были описаны в трудах Л.З. Румшинского «Математическая обработка результатов эксперимента» [7].
В ходе проведения экспериментальных исследований были выявлены пути дальнейшей модернизации исследуемого агрегата. Одним из перспективных направлений совершенствования РЦА является повышение стадийности помола сырья, путем создания дополнительной камеры воздействия на измельчаемый сырье. Данное технологическое решение описывалось в статье Михайличенко С.А. «Роторно-центробежный диспергатор со смежными камерами классификации и гомогенизации». В данном труде описывается влияние добавления камеры гомогенизации на получаемое сырье [8].
Полученные результаты проведенных экспериментов позволяют нам с уверенностью говорить о дальнейшем промышленном применении нашего агрегата. В настоящее время существует высокий спрос на переработку макулатуры, из нее можно получить утеплители, из измельченного пластика изготавливают водопроводные трубы, пленки, бордюры и технологические люки, решетки, настилы спортивных площадок и др. Мелкодисперсный мел требуется в строительстве для приготовления растворов, штукатурок, лакокрасочном производстве и других отраслях [9].
Для достижения турбулентного эффекта в камере выгрузки РЦА возможно использование крыльчаток с турбовинтовым строением или применения направляющего (разгонного) аппарата по периметру камеры разряжения.
С целью комплексного исследования процесса измельчения доработанной установки мы также использовали в качестве сырья силикатный материал (кремнезем и стеклобой). В результате получили отрицательный эффект при эксплуатации установки РЦА, так как на стадии предварительного измельчения материал оказался достаточно мелкой фракции для данной установки, т.е. переизмельчается в мелкую (сорную) фракцию, что вызывает большие потери производительности за счет образования амортизационной подушки из измельчаемого материала.
Отходы стекольной промышленности малопригодны для переработки в разработанной нами роторно-центробежной установке, так как стекло является высоко абразивным и достаточно твердым материалом и попросту разрушает режущие кромки зубчатой насадки рабочего ротора. Для измельчения стекольного боя более пригодны молотковые и вальцевые дробилки, где доминирует интенсивное ударное воздействие.
Таким образом, необходимо ограничить спектр перерабатываемых материалов в соответствии с общепринятой шкалой твердости Мооса до 4-5 единиц [10].
Выше 5 единицы шкалы Мооса лежит кварцевый материал. Кварц ‒ уникальный и очень популярный камень. Добраться до него сложно, поэтому зачастую приходится применять быстрый, но, к сожалению, не совсем экологичный
способ – взрыв [11].
Разборная роторная конструкция нашего агрегата позволяет добавлять на рабочий вал дополнительные насадки для повышения качества помола измельчаемого сырья. Правильность хода проведенных исследований подтверждена рядом патентов известных ученых и изобретателей. В патенте профессора Севостьянова В.С. № 2755436 описывается агрегат, имеющий иглофрезерное рабочее колесо. Предлагаемое изобретение направлено на повышение производительности и эффективности агрегата, расширение его технологических возможностей за счёт многостадийного воздействия на материал иглофрезерными рабочими органами [12]. Известно, что иглофрезерные агрегаты хорошо подходят для измельчения полимерного сырья. Данные материалы обладают высокой прочностью, стойкостью к кислотной среде, хорошей свариваемостью слоев, не впитывают влагу [13].
При разработке энергоэффективного оборудования для переработки твердых полимерных материалов особое внимание должно уделяться их физико-механическим характеристикам, таким как упругость, пластичность, температура плавления и др. [14].
Одним из направлений конструктивно-технологического совершенствования измельчительного оборудования, направленных на снижение энергоемкости процесса измельчения, является применение рабочих органов с развитой поверхностью [15].
Выводы.
- Проведены экспериментальные исследования по измельчению различных видов материалов средней и малой прочности: бумаги, полимеров, известняка, кремнезема на лабораторном образце роторно-центробежного агрегата.
- Установлена фактическая производительность агрегата на разных режимах работы с различным сырьем.
- Выполнен расчет производительности, потребляемой мощности агрегата и установлено соответствие фактической и расчетной производительности.
- Намечены пути дальнейшей модернизации разработанного роторного агрегата
- Но результатам выполненных работ созданы предпосылки для разработки технологического регламента и производственного внедрения агрегата.
1. Михайличенко С.А. Роторно-центробежный диспергатор со смежными камерами классификации и гомогенизации // Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. Белгород: БелГТАСМ, 2000. Ч. 6. С. 195–198.
2. Михайличенко С.А. Шаталов А.В., Шаталов В.А. Методика определения основных параметров роторно-центробежного агрегата // Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительной отраслях: Материалы международной научно-практической конференции, Белгород, 23–25 сентября 2021 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2021. С. 289–295.
3. Вердиян М.А., Кафаров В.В. Новые принципы анализа и расчета процессов и аппаратов измельчения // Цемент. 1982. № 10. С. 6–9.
4. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов // Машиностроение, 1981. 184 с.
5. Пат. 2786113 C1 Российская Федерация, МПК B02C 18/00. Роторно-центробежный диспергатор / В.А. Шаталов, С.А. Михайличенко, А.В. Шаталов [и др.] ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», 2022. Бюл. №35. 4 с.
6. Шаталов А.В., Шаталов В.А., Шавирская Д.С. Роторно-центробежный агрегат для измельчения неперерабатываемых отходов // Образование. Наука. Производство : XIII Международный молодежный форум, Белгород, 08–09 октября 2021 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2021. С. 968–971.
7. Ковалева Т.Е. Шкала Мооса в геотехнологиях и горной добыче // Достижения науки и образования. 2020. № 14(68). С. 20–21.
8. Румшинский Л.3. Математическая обработка результатов эксперимента. Наука, 1971. 192 с.
9. Вердиян М.А., Кафаров В.В. Принципы анализа и расчета процессов измельчения в технологии цемента // Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева.1988. Т. 33. №4. С. 416–422.
10. Михайличенко И.К. Состояние и перспективы развития кварцевой отрасли в России. // XIV Международный молодёжный форум «Образование. Наука. Производство» Сборник докладов. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2022. Ч. 20. Фундаментальные и прикладные исследования в области. 2022. С. 107–110.
11. Качаев А.Е., Орехова Т.Н., Севостьянов В.С., Чемеричко Г.И. Исследования производительности дезинтегратора с внутренним рециклом материалов // Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительной отраслях : Материалы международной научно-практической конференции, Белгород, 23–25 сентября 2021 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2021. С. 151-159.
12. Пат. № 2755436 C1 Российская Федерация, МПК B02C 18/00. роторно-центробежный агрегат с иглофрезерными рабочими органами : № 2021101630 : заявл. 26.01.2021 : опубл. 16.09.2021 / В.С. Севостьянов, Н.Т. Шеин, М.В. Севостьянов [и др.] ; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова». Бюл. № 25.
13. Севостьянов В.С., Горягин П.Ю., Севостьянов М.В., Проценко А.М. Технология и технические средства для переработки полимерных отходов с получением компонентов полимерцементных бетонов // Безопасность, защита и охрана окружающей природной среды: фундаментальные и прикладные исследования : Сборник докладов Всероссийской научной конференции, Белгород, 04–08 октября 2022 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2022. С. 182–186.
14. Проценко А.М., Нагаев Б.Ю., Бабуков В.А., Горягин П.Ю. Машины и агрегаты для переработки техногенных волокнистых материалов // XII Международный молодежный форум «Образование. Наука. Производство» : Материалы форума, Белгород, 01–20 октября 2020 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2020. С. 1113–1118.
15. Севостьянов В.С., Горягин П.Ю., Бабуков В.А. Исследование процесса измельчения Техногенных полимерных материалов иглофрезерными рабочими органами // Энергетические системы. 2019. № 1. С. 313–318.
