О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

( к содержанию 3

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

П ринятие государственной программы развития нанотехнологий обусловило расширение спектра применения наноматериалов в строительстве. Проведенный анализ состояния технического уровня двух наиболее распространённых технологических процессов промышленного производства наноматериалов (измельчения и компак-тирования) показывает, что на сегодняшний день эти процессы весьма продолжительны и энергоёмки. В известной степени это объясняется тем, что для их осуществления используется преимущественно наличное оборудование, разработанное для ведения традиционных технологических процессов, а не специализированные установки.

С учётом уже достигнутого уровня и планируемого расширения объёмов применения нанотехнологий в промышленности, все более актуальной становится проблема создания специализированного оборудования, отвечающего требованиям высокотехнологичного производства.

Опираясь на имеющиеся и находящиеся на различной стадии освоения разработки в области измельчительного и прессового оборудования, проанализируем возможные направления адаптирования дробильно-прессовой техники к требованиям промышленных нанотехнологий. Этот процесс, видимо, должен проходить в два параллельно осуществляемых этапа:

– модернизация традиционного оборудования;

– создание принципиально нового специализированного высокоэнер-гетичного оборудования.

Нельзя останавливаться на использовании имеющихся, хотя и перспективных конструкций, нужны новые решения, учитывающие механизмы особо тонкого измельчения и особо плотного компактирования, осуществляемого в нанотехнологических процессах.

Особенность задачи состоит в том, что в процессах, протекающих на наноуровне, действуют более значительные силы, перерабатываемые структуры обладают существенно отличными реологическими свойствами и собственными динамическими параметрами. Всё это предопределяет необходимость перехода на более интенсивные, специально сконфигурированные по спектральному составу, режимы работы. Для полномасштабного решения этой задачи требуется оборудование нового поколения. Такие работы на уровне принципиальных решений ве-

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий дутся, но находятся на начальной стадии, и потребуется определённое время для доведения их до промышленного производства.

В связи с изложенным становится актуальной задача модернизации и адаптации традиционного оборудования к специфическим задачам нанотехнологий, используя имеющиеся заделы.

Модернизация и приближение к требованиям современных нанотехнологий существующего дробильно-прессового оборудования могут быть обеспечены при использовании приводов нового класса, с большими возможностями генерирования высокоэффективных технологических режимов для процессов с высоким энергопотреблением. Ведь именно характеристики виброприводов в основном определяют энерготехнологические параметры соответствующей техники, а также открывают большие возможности для формирования специальных высокоэффективных технологических режимов и реализации новых схемных решений оборудования, обусловленных необходимостью существенного роста производительности и энергетической напряженности.

В вибрационных мельницах, применяемых сегодня для измельчения различных материалов, используются воздействия гармонического состава. В то же время эффективность многих из них может быть существенно повышена без какой-либо дорогостоящей и сложной перестройки технологии, только за счёт изменения конфигурации колебаний, т.е. путем преобразования их из гармонических в полигармонические асимметричные или специальные многокомпонентные.

Физической основой особой эффективности асимметричных режимов колебаний являются их полигармонический состав и эффект накопления в обрабатываемом технологическом продукте импульсных воздействий, обусловленный наличием в некоторых характеристиках асимметричного колебательного процесса постоянной составляющей.

Экспериментальными исследованиями установлено и на ряде примеров подтверждено промышленной практикой, что полигармониче-ский состав рабочих воздействий на обрабатываемый технологический продукт существенно более эффективен, чем простой гармонический. Дело в том, что перерабатываемые с наложением вибрационных воздействий среды, в наиболее общем случае твёрдо-жидко-газовые дисперсные системы сложного состава, характеризуются чрезвычайно большим разнообразием собственных свойств (спектром собственных частот, диссипативными параметрами и т.д.). Поэтому, чем богаче спектральный состав используемых вибрационных воздействий, тем выше

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий вероятность формирования в структурах обрабатываемой среды высокоэффективных резонансных и околорезонансных режимов перемещений и деформаций, и тем шире охват активного объёма.

Эффект суммирования и накопления вибрационных микровоздействий наиболее полно проявляется в тех случаях, когда на конечный результат решающее влияние оказывает скорость колебаний.

Поличастотные асимметричные режимы колебаний в вибрационных технологических машинах могут формироваться вибровозбудителями различного принципиального устройства.

Наиболее простое решение представляют вибровозбудители, содержащие в своём составе несколько объединённых механизмов, каждый из которых генерирует гармонические колебания на своей частоте и со своим сдвигом по фазе. Суммирование этих гармонических колебаний даёт результирующую асимметричную возмущающую силу. Практически на этом принципе созданы только бигармонические вибровозбудители, так как конструкции таких приводов оказываются достаточно сложными и генерируют они всего две гармоники.

Для возбуждения поличастотных асиметричных колебаний, отличающихся в ряде случаев повышенной технологической эффективностью, разработан эксцентриковый привод с нелинейной упруго-вязкой характеристикой. Нелинейный демпфер устанавливается параллельно с упругим элементом шатуна с помощью рычага, конец которого шарнирно закреплен на раме, а центральная часть шарнирно соединена с шатуном. Крепление демпфера к длинному плечу рычага увеличивает ход поршня по отношению к ходу шатуна. Это повышает скорость перемещения поршня демпфера и передаваемые им составляющие возмущающего усилия.

Нелинейные характеристики демпфера создаются специальным клапаном, который изменяет проходные сечения дросселирующих отверстий при ходе поршня в разных направлениях. Вследствие этого меняются возмущающие усилия, передаваемые нелинейным демпфером при движении рабочего органа в противоположных направлениях. В общем случае таким приводом могут возбуждаться колебания со сдвигом по фазе в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет синтезировать траектории рабочего органа произвольной конфигурации. Параметры нелинейности и ассиметрии упруго-вязких характеристик привода задаются коэффициентами жесткости и гистерезисных сопротивлений, независящих и зависящих от деформации и скорости

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий деформации упруго-вязких элементов привода. Возмущающая сила эксцентрикового привода создается вследствие деформации упругих связей и демпфера при вращении его эксцентрика. Она пропорциональна жесткости упругих связей и коэффициенту вязких сопротивлений демпферов привода. Наличие нелинейных элементов в системе привода приводит к преобразованию параметров и всей системы подвески установки «машина–привод». Вся упругая система становится также нелинейной, что дополнительно способствует формированию эффективных режимов работы.

Вследствие нелинейных характеристик упруго-вязких элементов привода сдвиги фаз между положением эксцентрика и генерируемой возмущающей силой меняются в пределах одного оборота привода, создавая сложный полигармонический характер возбуждения рабочего органа виброустановки. Для возбуждения более широкого спектра гармоник разработаны эксцентриковые вибраторы с нелинейной упруго-вязкой характеристикой приводного звена и упругим эксцентриком переменной жёсткости (параметрический привод). В рассмотренных типах вибровозбудителей приводной вал вращается с постоянной угловой скоростью.

Параметрический привод с упругим эксцентриком отличается простотой конструкции и в зависимости от параметров эксцентрика способен генерировать полигармонические и асимметричные возмущающие силы. Параметры виброустановок с параметрическим эксцентриковым приводом приведены на рис.1.

Практически неограниченные возможности формирования специальных режимов колебаний имеют гидравлические виброприводы.

Устройство и принцип работы электрогидравлического следящего привода рассмотрены ниже. Масло из напорной линии гидросистемы через постоянные гидравлические сопротивления в корпусе электроги-дравлического преобразователя ЭГП подводится к полости цилиндра и одновременно к соплам, откуда через зазоры между соплами и заслонкой сливается в бак. При наличии тока в обмотке управления катушки электромагнитная сила вызывает смещение заслонки и шток перемещается в направлении, определяемом полярностью электрического сигнала, с заданной скоростью, пропорциональной его значению. В состав гидросистемы входят также: насосная установка с насосным агрегатом, фильтром, предохранительным клапаном, манометром, подключённым через золотник, маслоохладителем и подпорным клапаном. Нали-

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

Рис. 1. Параметры виброустановки с параметрическим приводом

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий чие полной гидравлической симметрии позволяет свести до минимума влияние температуры масла и колебаний давления в напорной линии на настройку привода.

В гидравлическом следящем приводе используется электрогидрав-лический преобразователь, выполненный по схеме сдвоенного симметричного гидроусилителя типа сопло–заслонка, причем заслонкой является буртик иглы, проходящей сквозь калиброванные сопла. Игла нагружена усилием пружин (нерегулируемой снизу и регулируемой сверху) и запрессована в катушку электромеханического преобразователя, помещенную в поле постоянного магнита.

При использовании гидропривода режим колебаний рабочего органа вибромашины задаётся по перемещению X и контролируется с помощью обратной связи по отклонениям реальных скоростей перемещения кристаллизатора x' от заданных V и реальных ускорений x" от заданных G. При использовании многокомпонентного привода по обратной связи производится также контроль исполнения режима по разности реальных и заданных углов сдвига фаз между колебаниями независимых гидроцилиндров. Всё это обеспечивается системой управления гидроприводом.

В гидравлических вибраторах возбуждаются поличастотные асимметричные колебания за счёт подачи в гидроцилиндр рабочей жидкости с пульсирующим по закону Ω = (1 – D•cos( φ )) расходом. При этом фазовый угол привода изменяется по закону F = ( φ – Δ •sin( φ )), где Δ – коэффициент асимметрии (характеризует степень отклонения формируемых колебаний от гармонических).

Характерной особенностью асимметричных колебаний являются ненулевые периодические ускорения. Асимметричные режимы реализуются в диапазоне частот от Ω _min = ( ω – Δ ) до Ω _max = ( ω + Δ ).

Изменения частоты в пределах одного цикла основных (несущих) колебаний приводят к циклическому преобразованию и всех прочих параметров процесса асимметричных колебаний. Получены спектральные характеристики кинематических и динамических параметров движения рабочего органа вибрационной машины в асимметричных режимах. Анализ приведенных графиков характеризует общую тенденцию спектров как кинематических, так и динамических характеристик асимметричных режимов работы. С возрастанием частоты происходит увеличение всех параметров. При некоторых частотах параметры принимают нулевое значение, т.е. возмущения на этих частотах отсутствуют.

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

Сопоставление параметров гармонических и асимметричных поли-частотных режимов колебаний позволяет полнее выявить их особенности. На графиках рис.2 в качестве примера приведены конфигурации скоростей и ускорений рабочего органа вибрационной машины. Как следует из проведенных расчётов, конфигурации скоростей определяются коэффициентами асимметрии Δ . При равенстве коэффициентов асимметрии нулю возбуждаются гармонические колебания, при больших их значениях – асимметричные колебания с различной степенью асимметрии. Для удобства дальнейшего использования этих расчётных материалов все параметры приведены к единичным амплитудам. Анализ выполненных расчётов показывает, что при равных амплитудах

Рис. 2. Режимы гидропривода

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий перемещений во всех режимах, амплитуды скоростей и, в особенности, ускорений, существенно разнятся. Наиболее резко эти различия проявляются с увеличением асимметрии колебаний. Так, максимальные значения скорости асимметричных колебаний в 2,5 раза превышают скорости гармонических колебаний, а ускорения в 5,5 раз. Меняется и их конфигурация.

Для двухмассных установок предназначен кривошипный и кривошипно-инерционный (отличается от кривошипного наличием дебаланса или самобаланса на ведомом валу) привод с демпфером и упругой связью в шатуне. Этот привод также способен генерировать асимметричные колебания.

Разработаны принципиальное устройство и методы синтеза комбинированного кинематического вибропривода, позволяющие рационально сочетать достоинства инерционных и эксцентриковых приводов и устранять их недостатки путем взаимной компенсации проявлений нежелательных свойств. Привод устанавливается между рабочим органом и уравновешивающей рамой и допускает воздействия на них с различной силой. Эти силы могут иметь различную величину и произвольный сдвиг по фазе.

Применение этого привода позволяет обеспечить устойчивую работу виброустановки в условиях больших переменных нагрузок. Амплитудно-частотная характеристика виброустановки с комплексным кинематическим приводом при правильно подобранных параметрах привода в области резонанса имеет широкую вогнутую область, поэтому изменения внешних параметров системы (массы и жесткости загрузки, частоты тока в сети и других параметров системы «машина–нагрузка») в любую сторону приводят не к аварийному срыву колебаний и нарушению технологического процесса, а наоборот, к его стабилизации. Таким образом, создаётся возможность использования уникальных свойств резонансных систем накачивать значительную энергию в обрабатываемый продукт, а, следовательно, радикально повышать производительность без опасения срывов с резонансного режима. Применение этого привода в мощных двухмассных установках позволяет использовать «буфера» для реализации высокоэффективных ударных режимов обработки труднообрабатываемых материалов в установках высокой производительности. Технологическая эффективность этого привода обусловливается также тем, что он генерирует в широком диапазоне частот непрерывный спектр асимметричных ускорений.

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

Эффективность работы вибрационного оборудования, в значительной степени определяется качеством в технологическом и динамическом аспектах возбуждаемых колебаний рабочего органа установки. Разработаны теоретические основы формирования параметров и конфигурации технологических режимов, а также повышения устойчивости эффективных резонансных колебаний в вибрационных установках, функционирующих при больших переменных нагрузках, с использованием синтетических кинематических и параметрических источников колебаний. Величина и характер возмущения этих синтетических источников колебаний пропорциональна смещению привода относительно рабочего органа и его первой и второй производным при произвольной их фазировке, а также изменению параметров функциональных элементов привода. Большое число изменяемых параметров такой системы с синтетическим источником колебаний открывает широкие возможности для формирования произвольных конфигураций перемещений рабочего органа установки, амплитудно-частотных и частотносиловых характеристик, обеспечивающих повышение устойчивости резонансных колебаний машин при значительных переменных внешних воздействиях. Проанализированы линейные и нелинейные системы с рассмотренными источниками колебаний. Проведенные исследования показали возможность синтезирования уникальных приведенных (к единице возмущающей силы) амплитудно-частотных характеристик рассматриваемых систем. Открываются возможности синтезирования колебательных систем с совмещенными экстремумами АЧХ и СЧХ (например, максимальные перемещения при минимальной возмущающей силе), снижаются пусковые моменты привода и т. д.

Разрабатывается спецпривод нового поколения для нанотехнологий. Характеристики его приведены на рис. 3 и 4.

Большинство нанотехнологических процессов связаны с широким использованием разнообразных порошковых материалов. В расширении производства мелкодисперсных порошков широко используется технология вибрационного измельчения. Традиционные вибромельницы безусловно являются прогрессивным оборудованием. В вибрационных измельчителях вследствие высокочастотных колебаний дробящего органа происходит предварительное ослабление измельчаемого продукта за счет раскрытия поверхностных микротрещин и накопления дефектов в его внутренней структуре. В нормальных режимах дробление производится не раздавливанием, а энергетически более эффективно – ударом.

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

Рис. 3. Характеристики привода нового поколения

Рис. 4. Циркуляция энергии в перерабатываемом продукте

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

Однако при использовании в нанотехнологиях, где обработка материалов носит продолжительный характер, да и сами продукты имеют специфические свойства, нередко происходит агрегирование смеси «шары–технологический продукт». В этом случае относительные перемещения компонентов заполнителя почти прекращаются, и без того длительный процесс измельчения ещё более затягивается. По существу технология оказывается малорентабельной или вообще непригодной. Причиной этого явления служат недостаточные смещения дробящих шаров относительно загрузки и отчасти налипания на шары измельчаемого продукта, при этом удар не реализуется и измельчения не происходит. Для предотвращения рассмотренного неблагоприятного явления и, более того, для сокращения продолжительности цикла, разработано приспособление, позволяющее интенсифицировать процесс измельчения наноматериалов в серийных вибромельницах. Это специальная виброплатформа, на которую можно устанавливать несколько вибромельниц.

Инерционный трёхдебалансный вибратор для возбуждения многолепестковых колебаний вибрационных технологических машин

Рис. 5. Специальный инерционный привод

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий

При установке на виброплатформе загрузке периодически сообщаются силовые импульсы, разрушающие нежелательные конгламераты «дробящие шары–загрузка».

Разработаны также модернизированные виброизмельчители повышенной производительности для измельчения наноматериалов в промышленных масштабах. Эти вибрационные измельчители характеризуются также рядом технических и конструктивных особенностей. Вследствие полной или частичной компенсации сил инерции дробящего органа восстанавливающими силами упругих элементов, детали привода подвергаются меньшим динамическим нагрузкам. Снижение динамических нагрузок позволяет уменьшить установочную мощность электродвигателей и конструктивные размеры силовых элементов привода. Дробящие органы не имеют жесткой кинематической связи с приводом, поэтому усилия дробления не передаются непосредственно на элементы привода. Для повышения эффективности измельчения в РИА разработан специальный привод (см. рис. 5).