Вібраційний млин

Реферат: Винахід належить до галузі подрібнення матеріалів, зокрема до вібраційних млинів і може знайти застосування в будівельній, гірничорудній, металургійній, харчовій, хімічній і інших галузях промисловості. Вібраційний млин включає помольну трубу з помольними тілами, яка з'єднана з корпусом, що встановлений за допомогою пружних елементів на нерухомій основі, два дебалансних віброприводи, з'єднаних з корпусом, кожний з яких включає приводний вал з індивідуальним приводом обертання, виконаним з можливістю незалежної зміни кутової швидкості і напряму обертання приводного вала, і дебаланси, що встановлені на приводному валу, при цьому дебалансні віброприводи встановлені діаметрально протилежно відносно бокових стінок помольної труби в площині поперечної симетрії помольної труби, а осі обертання дебалансів розташовані перпендикулярно площині поперечної симетрії помольної труби. Винахід забезпечує підвищення продуктивності вібраційного млина за рахунок генерування неоднорідного поля траєкторій бігармонічних коливань помольної труби. UA 100756 C2 (12) UA 100756 C2 UA 100756 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі подрібнення матеріалів, зокрема до вібраційних млинів, може знайти застосування в будівельній, гірничорудній, металургійній, харчовій, хімічній і інших галузях промисловості. Широко відомі вібраційні млини, які, в загальному випадку, включають помольну трубу, частково заповнену помольними тілами, наприклад кулями, і встановлену на рамі (корпусі), яка опирається на нерухому основу через пружні елементи (спіральні пружини, гумові амортизатори, металеві ресори і т. д.) і обладнана одним або декількома дебалансними віброприводами для збудження кругових вібрацій помольної труби. Помольна труба забезпечена засобами завантаження вихідного продукту і розвантаження подрібненого продукту. Подрібнення матеріалу здійснюється помольними тілами, які переміщаються під дією вібрацій помольної труби. Перші вібраційні млини були створені у середині тридцятих років минулого століття і в даний час одержали широке застосування в різних галузях промисловості, як найбільш ефективні пристрої для тонкого подрібнення матеріалів. Застосування вібраційних млинів, в порівнянні з іншими типами млинів, дозволяє зменшити витрати електроенергії, підвищити продуктивність, зменшити знос помольних тіл і помольної труби, використовувати помольні тіла з різних матеріалів, досягти високої тонини помелу, одержати чистіший кінцевий продукт, проводити процес подрібнення у вакуумі, інертному середовищі, при різних температурах (http://www.akmetech.ru/62/). Вібраційні млини зазначеного типу широко запатентовані в різних країнах. Прикладами є вібраційний кульовий або трубчастий млин за патентом США № US4164328, вібраційний млин за патентом США № US3465974, вібраційний млин за патентом США № US3392925, вібраційний млин барабанного типу за патентом США № US3295771, горизонтальний вібраційний млин за патентом США № US2189849, ексцентриковий вібраційний млин за європейським патентом № ЕР0672469, вібраційний млин за заявкою Японії № JP11090257 та інші. Наприклад, горизонтальний вібраційний млин інерційного типу за патентом США № US2819849, складається з циліндричної помольної труби, заповненої помольними тілами. Помольна труба встановлена на нерухомій основі за допомогою пружних елементів (пружинних опор) і забезпечена дебалансним віброприводом для збудження кругових вібрацій труби. Дебалансний вібропривод виконаний у вигляді приводного вала, який встановлено на підшипниках на корпусі помольної труби, і дебалансів, встановлених на протилежних кінцях приводного вала. Приводний вал з'єднаний з електродвигуном через пружну муфту. Вісь обертання приводного вала проходить через центр ваги коливальної системи. При обертанні приводного вала помольна труба вібраційного млина з помольними тілами (кулями) і подрібнюваним матеріалом приводиться в гармонійний коливальний рух по траєкторії, близькій до кругової. Поле траєкторій всіх точок помольної труби - однорідне, оскільки зазначені траєкторії мають однакову форму і однакові параметри. Рух куль у вібраційному млині відбувається у сторону, протилежну обертанню вібровозбуджувача. Подрібнюваний матеріал проходить уздовж корпусу в складному русі по спіралі. При цьому кулі подрібнюють матеріал ударом і стиранням. Кругова циркуляція помольних тіл, яка виникає за рахунок однорідного кругового або еліптичного поля траєкторій руху корпусу помольної труби, не створює достатньо інтенсивного перемішування помольних тіл і подрібнюваного матеріалу. Внаслідок цього утворюються застійні зони, відбувається сегрегація помольних тіл і подрібнюваного матеріалу, що є істотним недоліком вібраційних млинів такого типу. Сегрегація полягає в тому, що крупні помольні тіла накопичуються у верхній частині помольної камери, а дрібні і подрібнюваний матеріал опускаються вниз. Це різко знижує ефект вібраційної дії помольних тіл на подрібнюваний матеріал і ефективність вібраційного подрібнення. Продуктивність вібраційних млинів залежить від багатьох чинників. З досліджень і практики відомо, що визначальними чинниками продуктивності є частота вібрацій (число розмелюючих імпульсів) при їх постійній амплітуді і амплітуда вібрацій. Із збільшенням частоти вібрацій (числа розмелюючих імпульсів) продуктивність наростає майже лінійно. Підвищення амплітуди дозволяє поширювати розмелюючі імпульси від внутрішніх стінок помольної труби на більшу частину її робочого об'єму. У відомих вібраційних млинів з круговими вібраціями підвищення продуктивності за рахунок збільшення частоти вібрацій (числа розмелюючих імпульсів) і їх амплітуди обмежено із-за постійно діючих (з періодом гармонійних коливань) великих механічних прискорень. Так, у відомих високопродуктивних млинів прискорення складає максимум 9g при амплітуді 17 мм, частоті вібрацій 960/хв (опис винаходу по заявці Німеччини № 3224117). Такі, постійно діючі 1 UA 100756 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 екстремальні прискорення викликають значні технічні проблеми, як при конструюванні, так і при експлуатації вібраційних млинів. Подальше збільшення продуктивності вібраційних млинів вказаним шляхом навряд чи можливо. Як прототип вибрано вібраційний млин, відомий з опису винаходу за заявкою Німеччини № 32224117, МПК В02С 19/16, дата подання заявки 29.06.1982. Зазначений вібраційний млин вирішує задачу підвищення продуктивності шляхом складання двох різних кругових вібрацій, що діють на помольну трубу. Таке рішення забезпечує можливість роботи з підвищеними амплітудами і частотами розмелюючих імпульсів без перевищення розумних меж механічних прискорень. Як приклад показано конструкцію вібраційного млина, який включає помольну трубу з помольними тілами, з'єднану за допомогою пружних елементів з нерухомою основою і забезпечену двома незалежними дебалансними віброприводами. Кожен дебалансний вібропривод виконаний у вигляді приводного вала з індивідуальним приводом обертання, який виконаний з можливістю незалежної зміни кутової швидкості і напряму обертання приводного вала, і дебалансів, що встановлені на протилежних кінцях приводного вала з боку протилежних торцевих стінок помольної труби. Осі обертання приводних валів розташовані в площині подовжньої симетрії помольної труби і співпадають з подовжньою віссю помольної труби, тобто проходять через центр ваги коливальної системи. Площини обертання дебалансів перпендикулярні площині подовжньої симетрії помольної труби. Помольна труба має вхід для завантаження в трубу подрібнюваного продукту і вихід для вивантаження подрібненого продукту. У такій конструкції при виборі відношення числа оборотів приводних валів (першої n1 і другої n2 гармонік), як n1:n2=1:2, співвідношення відцентрових збуджуючих сил, як F1:F2=2:1 і при протилежному напрямі обертання приводних валів траєкторії коливань всіх точок помольної камери в поперечному перерізі являють собою рівносторонні трикутники з увігнутими сторонами і гострими піками, що показано на фіг 1. При обертанні приводних валів в одну і ту ж сторону траєкторія коливань матиме вигляд, показаний пунктирною лінією на фіг. 1. При збереженні співвідношення числа оборотів, тобто, при n1:n2=1:2, при відношенні відцентрових збуджуючих сил, як F1:F2=4:1, і протилежному напрямі обертання приводних валів траєкторії коливань всіх точок помольної камери в поперечному перерізі приймають вид рівностороннього трикутника без гострих піків, що показано на фіг. 2. При відношенні числа оборотів приводних валів, як n1:п2=1:3, відцентрових збуджуючих сил, як F1:F2=3:1 і протилежному напрямі обертання приводних валів траєкторії коливань всіх точок помольної камери в поперечному перерізі нагадують по своїй конфігурації квадрат з увігнутими сторонами і з гострими виступаючими кутами. При однаковому напрямі обертання приводних валів форма вібрації має вигляд, показаний пунктирною лінією. Зазначені траєкторії коливань показані на фіг. 3. Три довільних приклади, які наведені в описі винаходу за заявкою Германії № 32224117, що вибрана як прототип, показують, що складання (накладення) двох різних по частоті і напряму кругових вібрацій, що діють на помольну трубу, дає можливість одержати різноманітні форми вібрацій помольної труби, які істотно відрізняються від кругових вібрацій. В описі винаходу наголошується, що можуть бути одержані і інші траєкторії вібрацій залежно від вибору співвідношень кутових швидкостей, відцентрових збуджуючих сил і напряму обертання приводних валів. Загальними ознаками прототипу і рішення, що заявляється, є: вібраційний млин, що включає помольну трубу з помольними тілами, яка з'єднана з корпусом, що встановлений за допомогою пружних елементів на нерухомій основі, два дебалансних віброприводи, з'єднаних з корпусом, кожний з яких включає приводний вал з індивідуальним приводом обертання, виконаним з можливістю незалежної зміни кутової швидкості і напряму обертання приводного вала, і дебаланси, що встановлені на приводному валу. У вібраційному млині, вибраному як прототип, помольна труба млина з помольними тілами і подрібнюваним матеріалом під впливом двох дебалансних віброприводів приводиться в бігармонічний коливальний рух по складних траєкторіях, відмінних від траєкторії кругової вібрації. Проте поле траєкторій всіх точок помольної камери однорідне, оскільки ці траєкторії однакові за формою і мають однакові параметри. В умовах однорідного поля траєкторій в об'ємі помольної труби утворюються застійні зони, відбувається сегрегація помольних тіл і подрібнюваного матеріалу - крупні помольні тіла, накопичуються у верхній частині помольної камери, а дрібні і подрібнюваний матеріал опускаються вниз. Це перешкоджає інтенсивному перемішуванню помольних тіл і подрібнюваного матеріалу, знижує ефект вібраційної дії 2 UA 100756 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 помольних тіл на подрібнюваний матеріал, тобто обмежує можливості підвищення продуктивності вібраційного млина. В основу винаходу поставлена задача удосконалення вібраційного млина, в якому за рахунок генерування неоднорідного поля траєкторій бігармонічних коливань помольної труби забезпечується підвищення продуктивності вібраційного млина. Поставлена задача вирішується тим, що у вібраційному млині, що включає помольну трубу з помольними тілами, яка з'єднана з корпусом, що встановлений за допомогою пружних елементів на нерухомій основі, два дебалансних віброприводи, з'єднаних з корпусом, кожний з яких включає приводний вал з індивідуальним приводом обертання, виконаним з можливістю незалежної зміни кутової швидкості і напряму обертання приводного вала, і дебаланси, що встановлені на приводному валу, відповідно до винаходу, дебалансні віброприводи встановлені діаметрально протилежно відносно бокових стінок помольної труби в площині поперечної симетрії помольної труби, при цьому осі обертання дебалансів розташовані перпендикулярно площині поперечної симетрії помольної труби. Зазначені ознаки є істотними ознаками винаходу. Істотні ознаки винаходу знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з результатом, що досягається. Так відмітні ознаки винаходу (дебалансні віброприводи встановлені діаметрально протилежно відносно бокових стінок помольної труби в площині поперечної симетрії помольної труби, осі обертання дебалансів розташовані перпендикулярно площині поперечної симетрії помольної труби) в сукупності з істотними ознаками, загальними з прототипом, забезпечують неоднорідність поля траєкторій бігармонічних коливань і, як наслідок, підвищення продуктивності вібраційного млина. Пояснюється це наступним. Істотною особливістю конструкції, що заявляється, є те, що на відміну від прототипу осі обертання обох дебалансних віброприводів не проходять через центр ваги коливальної системи. В результаті кожен дебалансний вібропривід генерує не тільки відцентрову збуджуючу силу, але і збуджуючий момент, величина якого прямо пропорційна відцентровій збуджуючій силі і відстані від осі обертання дебалансного віброприводу до центру ваги коливальної системи (L). Саме з цієї причини поле траєкторій всіх точок помольної камери буде неоднорідним, оскільки траєкторії різних точок помольної камери не однакові як за формою, так і за параметрами. Дослідження вібраційних процесів проводилося на експериментальній установці, принципова схема якої показана на фіг. 4. Характеристики експериментальної установки: маса системи - 1200 кг; маса неврівноважених частин дебалансів - 50 кг; ексцентриситети дебалансів - 0,04 м і 0,02 м відповідно для першої і другої гармонік; кутова частота - 100 рад/с і 200 рад/с відповідно для першої і другої гармонік; діаметр помольної труби - 0,5 м; напрям обертання дебалансів - в одну сторону. Розглядалися вібраційні процеси і параметри коливань (траєкторії коливань, вібраційні переміщення, вібраційні прискорення уздовж осей X, Y) в п'яти характерних точках помольної труби: точка А - розташована в центрі ваги коливальної системи, точки В і С - розташовані на горизонтальній осі (X), відповідно справа і зліва від центру ваги коливальної системи, і точки D і Е - розташовані на вертикальній осі (Y), відповідно нижче і вище центру ваги коливальної системи. Результати досліджень показані в наступній таблиці. Таблиця Точка А Точка В Точка С Траєкторія коливань 3 Точка D Точка Е UA 100756 C2 Продовження таблиці Вібраційні прискорення по осі Х Вібраційні прискорення по осі Y 5 10 15 20 25 30 35 40 Для порівняння результатів графіки по кожному параметру представлені в однаковому масштабі і відповідають адекватним періодам (моментам) часу. Як випливає з таблиці, жодна з характерних точок помольної труби не має однакових параметрів. Графіки вібраційних прискорень по двох взаємно перпендикулярним осям свідчать про їх високий рівень, а також істотну відмінність амплітудних значень в різних точках поперечного перерізу помольної камери. Неоднорідне поле вібрацій корпусу помольної камери створює циркуляційні потоки помольних тіл і подрібнюваного матеріалу, в яких відбувається їх інтенсивне перемішування. За рахунок підвищеного градієнта енергії вібраційної дії на об'єкт в усіх точках поперечного перерізу помольної труби ліквідовуються застійні зони або значно зменшується їх загальний об'єм, знижується ефект сегрегації помольних тіл і подрібнюваного матеріалу. Це підвищує ефективність вібраційної дії помольних тіл на подрібнюваний матеріал, забезпечує підвищення продуктивності вібраційного млина. Нижче наводиться докладний опис вібраційного млина, що заявляється, і особливостей його роботи з посиланнями на креслення, на яких показано: Фіг. 1 - Вібраційний млин, траєкторія коливань помольної камери в поперечному перерізі за прототипом, приклад 1. Фіг. 2 - Вібраційний млин, траєкторія коливань помольної камери в поперечному перерізі за прототипом, приклад 2. Фіг. 3 - Вібраційний млин, траєкторія коливань помольної камери в поперечному перерізі за прототипом, приклад 3. Фіг. 4 - Вібраційний млин, схема експериментальної установки. Фіг. 5 - Вібраційний млин, принципова (кінематична) схема. Фіг. 6 - Вібраційний млин, розріз А-А на фіг. 5. Фіг. 7 - Вібраційний млин, вигляд збоку. Фіг. 8 - Вібраційний млин, розріз Б-Б на фіг. 7. Фіг. 9 - Вібраційний млин, вигляд з торця з сторони приводів обертання. В основу вібраційного млина закладена механічна коливальна система, що включає помольну трубу 1, яка з'єднана з корпусом 2, встановленим за допомогою пружних елементів 3 на нерухомій основі 4, і два дебалансних віброприводи, що з'єднані з корпусом 2. Кожний дебалансний вібропривод 5 включає привідний вал 6, що з'єднаний з індивідуальним приводом обертання 7, виконаним з можливістю незалежної зміни кутової швидкості і напряму обертання приводного вала 6, і дебаланси 8, що встановлені на приводному валу 6. Дебалансні віброприводи 5 встановлені в площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1 діаметрально протилежно відносно бокових стінок помольної труби 1, а осі обертання (осі приводних валів 6) дебалансів 8 розташовані перпендикулярно площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1. Порожнина помольної труби 1, яка являється робочим об'ємом вібраційного млину завантажена помольними тілами 10. Принципова (кінематична схема) такого вібраційного млину показана на фіг. 5, 6. Конструкція вібраційного млина, що заявляється, показана на фіг 7, 8, 9. Вібраційний млин включає помольну трубу 1, яка з'єднана з корпусом 2, що встановлений за допомогою пружних 4 UA 100756 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 елементів 3 на нерухомій основі 4. Корпус 2 виконаний в вигляді з'єднаних між собою подовжніх балок 11, стійок 12 та поперечних стінок 13. На бокових елементах 14 поперечних стінок 13 закріплено два дебалансних віброприводи першої і другої гармонік. Кожний дебалансний вібропривод включає привідний вал 6 і дебаланси 8, що встановлені на приводному валу 6. Привідні вали 6 з'єднані з індивідуальними приводами обертання 7 (електродвигунами), виконаними з можливістю незалежної зміни кутової швидкості і напряму обертання привідних валів 6. Дебалансні віброприводи встановлені в площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1 діаметрально протилежно відносно бокових стінок помольної труби 1, а осі обертання дебалансів 8 (осі приводних валів 6) розташовані перпендикулярно площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1. За рахунок такого виконання результуюча відцентрова збуджуюча сила дебалансів 8 діє в площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1. Привідні вали 6 встановлені в підшипниках 16 в корпусах 15, які закріпленні в поперечних стінках 13 корпусу 2. Приводи обертання 7 з'єднані з привідними валами 6 пружними муфтами 17. Приводи обертання 7 з'єднані з пристроями управління кутовою швидкістю і напрямом обертання (наприклад, з частотними перетворювачами-інверторами - не показані). В такій конструкції площини обертання дебалансів 8 паралельні площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1. Помольна труба 1 забезпечена верхнім завантажувальним 18 і нижнім розвантажувальним 19 патрубками. При включенні приводів обертання (електродвигунів) 7 їх крутильні моменти передаються через пружні муфти 17 і приводні вали 6 до дебалансів 8, які обертаються в площинах, що паралельні площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1. Результуючі відцентрові збуджуючі сили дебалансів 8 діють в площині 9 поперечної симетрії помольної труби 1 і викликають коливання корпусу 2, а отже і помольної труби 1, у вертикальній поперечній площині. В результаті того, що осі обертання дебалансних віброприводів 5 не проходять через центр ваги коливальної системи (осі розташовані на відстані L від центру ваги коливальної системи), то дебалансні віброприводи 5 генерують не тільки відцентрові збуджуючі сили в вертикальній площині, але і збуджуючі моменти, величина яких прямо пропорційна відцентровим збуджуючим силам і відстані L від осі обертання дебалансів 8 до центру ваги коливальної системи, які викликають крутильні коливання корпусу 2, а отже і крутильні коливання помольної труби 1. Поле траєкторій всіх точок помольної труби 1 в таких умовах буде неоднорідним, оскільки траєкторії різних точок помольної труби 1 не однакові як за формою, так і за параметрами (це докладно показано вище в розділі "Суть винаходу"). Регулювання амплітуд коливань помольної труби 1 (першої і другої гармоніки) виконують шляхом зміни статичних моментів маси відповідних дебалансів 8 відносно приводних валів 6. Регулювання частот коливань помольної труби 1 (першої і другої гармоніки) виконують шляхом зміни кутової швидкості обертання відповідних індивідуальних приводів (електродвигунів) 7 за допомогою пристроїв управління кутовою швидкістю обертання індивідуальних приводів 7, наприклад частотних перетворювачів-інверторів (не показані). Вихідний матеріал надходитьА в помольну трубу 1 з помольними тілами 10 через завантажувальний патрубок 18. Помольні тіла 10 можуть мати сферичну (кулі), циліндричну (стержні) або іншу форму. В результаті ударної дії помольних тіл на подрібнюваний матеріал та дії стирання, останній подрібнюється і переміщається у сторону розвантаження і виходить з млина через розвантажувальний патрубок 19. Шляхом регулювання частоти і амплітуди коливань відповідних гармонік, а також реверсу одного з індивідуальних приводів (електродвигунів) 7 можливо управляти в широкому діапазоні силовою дією помольних тіл 10 на подрібнюваний матеріал. Складний циркуляційний і вібраційний рух помольних тіл 10 разом з подрібнюваним матеріалом дозволяє усунути застійні зони в робочому просторі помольної труби 1, інтенсифікувати процес подрібнення матеріалу, збільшити продуктивність вібраційного млина. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Вібраційний млин, що включає помольну трубу з помольними тілами, яка з'єднана з корпусом, що встановлений за допомогою пружних елементів на нерухомій основі, два дебалансних віброприводи, з'єднаних з корпусом, кожний з яких включає привідний вал, який з'єднаний з індивідуальним приводом обертання, виконаним з можливістю незалежної зміни кутової швидкості і напряму обертання приводного вала, і дебаланси, що встановлені на приводному валу, який відрізняється тим, що дебалансні віброприводи встановлені в площині поперечної симетрії помольної труби діаметрально протилежно відносно бокових стінок помольної труби, а 5 UA 100756 C2 осі обертання дебалансів розташовані перпендикулярно площині поперечної помольної труби. 6 симетрії UA 100756 C2 7 UA 100756 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8