Совершенствование установки валкового типа для измельчения твердых материалов

Введение. Технический уровень применяемого для измельчения твердых материалов оборудования не в полной мере отвечает предъявляемым требованиям [1]. В связи с этим возникает необходимость в совершенствовании имеющегося и создании нового технологического оборудования. Для решения этих вопросов необходимо выполнить исследования, направленные на оптимизацию конструкций рабочих органов измельчающего оборудования и установление рациональных режимов их работы, поиск новых технических решений, обеспечивающих повышение качества и снижение энергоемкости технологического процесса.

Методика исследования. Измельчение является процессом разрушения материала в результате приложения нагрузки, превышающей его предел прочности [2]. В зависимости от назначения и принципа действия измельчителя могут использоваться различные виды нагрузки на материал: раскалывание, раздавливание, излом, удар, истирание и др. [3]. В чистом виде эти нагрузки воздействуют на материал сравнительно редко, гораздо чаще происходит их комбинированное воздействие: раскалывание и раздавливание, раздавливание и излом, удар и излом и т.д. Для реализации этих нагрузок могут применяться шнековые, конусные, валковые, барабанные, вибрационные и другие дробилки.

Для среднего и мелкого дробления материалов высокой и средней прочности, а также для измельчения пластичных и хрупких материалов применяются валковые дробилки, которые являются установками непрерывного действия [4]. Эти установки могут также использоваться при измельчении компонентов кормов для животных. Рабочие поверхности валков могут быть гладкими, рифлеными и зубчатыми. Дробилки с гладкими и рифлеными валками применяют для измельчения материалов средней прочности, дробилки с зубчатыми валками – материалов малой прочности [5].

К валковым относятся также дробилки с винтовыми ножами, которые представляют собой винтовые реборды, навитые под определенными углами на цилиндрический валок [6].

Результаты исследований и их обсуждение. Рассмотрим механизм измельчения материала двухвалковой дробилкой с винтовыми ножами, если валки вращаются навстречу друг другу, как это осуществляется на применяемых измельчающих установках подобного типа, а ножи навиты на валках в противоположных направлениях (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема расположения винтовых ножей на валках с действующими на них силами

При вращении валков на лезвиях ножей возникают окружные силы, определяемые из выражения [3, 4]:

F t = 2T/D ,                  (1)

где T – крутящий момент на валке;

D – диаметр валка.

Крутящий момент можно определить по формуле

T = N / ω ,                 (2)

где N – мощность привода;

ω – угловая скорость валка.

Подставив (2) в (1), получим:

F t = 2N / ω · D .               (3)

Из выражения (3) следует, что величина окружной силы зависит от мощности привода установки, угловой скорости и диаметра валков. Следовательно, при одной и той же мощности привода можно изменять величину окружной силы за счет варьирования одного из параметров: либо угловой скорости, либо диаметра валков. В практическом плане изменение величины окружной силы проще реализовать регулированием угловой скорости [7, 8].

При условии, что валки 1, 2 имеют одинаковые диаметры и их угловые скорости равны, окружные силы, возникающие при вращении валков, равны между собой, т.е.:

F t1 = F t2 .                      (4)

Эти силы можно разложить на составляющие F′ t1 , F′ t2 , действующие вдоль реборд, и составляющие F′′ t1 , F′′ t2 , действующие перпендикулярно реборд. На первом валу:

F′ t1 = F t1 · sin α, F′′ t1 = F t1 · cos α,        (5)

где α – угол навивки реборды.

На втором валу:

F′ t2 = F t2 · sin α, F′′ t2 = F t2 · cos α. (6)

Если принять α = 45º, то sin 45º и cos 45º имеют одинаковые численные значения и поэтому силы, действующие на измельчаемые материалы, равны между собой (рисунок 2):

F′ t1 = F′′ t2 ,   F′′ t1 = F′ t2                   (7)

Рисунок 2 – Схема сил, действующих на материал

Следовательно, измельчаемый материал разрывается на части силами, действующими в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а так как на деформации разрыва сопротивление твердых материалов наименьшее по сравнению с другими видами деформации, можно ожидать, что усилия, необходимые на измель- чение материала, а следовательно, энергозатраты на осуществление этого процесса будут минимальными [9, 10, 11].

На основании выполненного анализа разработана установка, реализующая данный принцип измельчения (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема установки

Установка состоит из двух цилиндрических валков 1 и 2 одинакового диаметра, смонтированных параллельно. На наружной поверхности валков навиты винтовые реборды 3 с противоположной навивкой, выполняющие роль ножей. Привод установки (на рисунке 3 не показан) обеспечивает вращение валков навстречу друг другу с одинаковой частотой. Валок 2 подпружиненный, что позволяет избежать заклинивания материала между валками, а при попадании крупного куска он может быть выведен из рабочей зоны установки одним из винтовых ножей. С помощью винтового механизма 4 можно регулировать величину фракции измельчаемого материала.

Выводы. Таким образом, применение установок валкового типа с винтовыми ножами может быть целесообразно для измельчения твердых материалов, так как при вращении валков навстречу друг другу возникают усилия, разрывающие материал на отдельные фрагменты. При навивке ножей на валки под углом 45º эти усилия действуют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и равны по величине, что способствует уменьшению энергозатрат, необходимых на измельчение материа- лов. Регулирование величины разрывающих усилий может быть достигнуто без изменения конструкции установки за счет варьирования угловой скорости валков. При попадании в установку негабаритных кусков материалов они могут быть выведены из рабочей зоны одним из винтовых ножей. Вопрос заклинивания материала между ножами на валках подробно в данной статье не рассматривался.

Описываемая в статье конструктивная схема может обеспечить возможность варьирования размера фракции измельчаемого материала, а также свести к минимуму вероятность заклинивания материала между валками. Предложенная схема измельчающей установки обладает свойствами полезности и может быть использована при проектировании установок кормопроизводства.