Измельчители раздавливающего и истирающего действия.
Область применения, принцип действия.
К машинам рассматриваемого типа относятся бегуны, роликовые, шарокольцевые, роликомаятниковые и бисерные измельчители. Их применяют преимущественно для среднего помола материалов средней и малой прочности и мягких; исключение составляют лишь бисерные измельчители (мельницы), в которых возможен сверхтонкий помол. Измельчение материала происходит при одновременном воздействии раздавливания и истирания.
Конструктивные схемы измельчителей раздавливающего и истирающего действия представлены на рис. 79.
Рис.79. Схемы измельчителей раздавливающего и истирающего действия:
а) – бегуны:
1,2 - катки;
б) – роликовый (валковый) измельчитель:
3 - ролики;
в) – шарокольцевой измельчитель:
4 - шары;
г) – роликомаятниковый измельчитель:
5 - ролики;
д) – бисерный измельчитель:
6 – ротор с дисками,
7 – рубашка с охл. агентом,
8 - сито.
Бегуны рис. 79 поз.“а” применяют как для мелкого дробления, так и для помола; в них можно подвергать материал не только измельчению, но и перемешиванию, пропитке и растиранию. Рабочими органами являются массивные катки 1, 2, перемещающиеся в чаше с измельчаемым материалом. Роликовые, шарокольцевые и роликовомаятниковые измельчители (соответственно рис. 79, б, в и г) относятся к среднеходовым измельчителям; частота вращения рабочих органов в среднем 25-120 об/мин, окружная скорость 3-10 м/с. Рабочие органы этих машин – ролики 3, 5, шары 4. Нагрузка создается пружинами или центробежными силами.
Увеличение скорости и частоты приложения разрушающих нагрузок интенсифицирует процесс помола материала благодаря усталостным явлениям. Эти измельчители имеют пониженные по сравнению с барабанными мельницами энергозатраты (например, при помоле угля энергозатраты составляют 6-9 кВт∙ч/т), меньший (примерно на порядок) износ рабочих органов, более компактны. Бегуны применяют для мокрого и сухого измельчения.
В среднеходовых измельчителях рис. 79: роликовых (валковых) – поз.“б”; шарокольцевых – поз.“в”; роликомаятниковых – поз.“г” – обычно осуществляют сухой помол с пневматической разгрузкой измельченного продукта, аналогичной применяемой в шаровых барабанных мельницах сухого помола.
В бисерных измельчителях (рис. 79, поз. “д”), широко применяемых в лакокрасочной промешленности, реализуется мокрый помол. Частицы суспензии пигмента измельчаются кремнекварцевым бисером (размер зерен 1-2 мм), заполняющим 2/3 объема камеры и приводимым в движение вращающимся ротором 6 с дисками. Помольная камера имеет рубашку 7 для подачи криоагента. Частицы суспензии необходимой тонины помола (0,5-5 мкм) отводятся через сито 8. отношение высоты помольной камеры к диаметру 4:1, диски, изготовленные из износостойкой стали, имеют окружную скорость 9-11м/с; энергозатраты до 40-50 кВт∙ч на 1 т продукта.
Бегуны мокрого помола с вращающимися катками (рис. 80) и неподвижной чашей имеют нижнее расположение привода.
Рис. 80. Бегуны мокрого помола с вращающимися катками и нижним приводом: 1 – станина; 2 – чаша; 3 – кожух; 4 – центральный вал; 5 – катки; 6 – питающая воронка; 7 – бандаж катка; 8 – кривошип; 9 – ось катка; 10 – приводная коническая пара; 11 – двигатель.
От электродвигателя через редуктор и муфту вращение передается конической зубчатой передаче 10, размещенной в станине 1 машины. Ведомое колесо передачи приводит во вращение вал 4 с двумя закрепленными на нем кривошипами 8, несущими оси 9 катков 5. Последние расположены с зазором над чашей 2, в которой уложены плиты из износостойкого материала; периферийная часть плит имеет щели, через которые продавливается измельченный материал. Катки чугунные, имеют сменные бандажи 7.
Вращающиеся детали ограждены кожухом 3. Измельчаемый материал подается через воронку 6 под катки. Имеются специальные скребки, вращающиеся вместе с валом 4, которые возвращают на дно чаши материал, оттесненный катками. Кривошипное соединение оси катка с вертикальным валом позволяет ему приподниматься при попадании под каток недробимого предмета. Эта цель достигается и соединением оси катка с вертикальным валом с помощью цилиндрического шарнира (см. рис. 79, поз. а).
Применяют также верхний привод катков, бегуны с вращающейся чашей (обычно при массе катков 5 т и более).
Применяют различные способы нажатия на катки бегунов. Пружинный способ нажатия изображен на рис. 81. Кроме этого применяются гидравлический и пневматический способы нажатия, что позволяет снизить металлоемкость машины.
Рис. 81. Схема нажатия на катки: 1 – ось вращения чаши; 2 – опорная стойка; 3 – ступица чаши; 4 – приводная шестерня; 5 – чаша; 6 – опорная конструкция; 7 – натяжные винты; 8 – стяжка; 9 – рессора; 10 – упорный винт; 11 – ось вращения катков; 12 – кривошип; 13 - ось качания кривошипа.
Частота вращения вертикального вала бегунов 0,3-0,9 об/сек, удельный расход энергии от 0,7 до 4 кВт∙ч/т.
Диаметр катка определяется условиями захвата куска материала. Минимально допустимое отношение диаметров катка D и измельчаемого куска dн должно быть таким, чтобы угол захвата не пр6евышал двойного угла трения. Для материалов средней прочности при сухом помоле D/dн = 11, для материалов типа глины (коэффициент трения f=0,45) D/dн = 5.
Частота вращения чаши. В тихоходных бегунах с вращающейся чашей центробежная сила, действующая на кусок материала, должна быть меньше силы трения: m∙g∙f≥m∙ω²∙R, где m – масса куска; g – ускорение свободного падения; f – коэффициент трения материала о чашу; ω – угловая скорость вращения чаши; R – средний радиус чаши. Преобразования дают:
В бегунах с подвижными катками последние могут быть установлены на разных расстояниях от оси вала до того, чтобы перекрывать возможно большую площадь чаши и более эффективно перемешивать материал (см. рис. 79, поз. а). При таком расположении катков их массы m1 и m2 и расстояния r1 и r2 от центров масс до вертикальной оси определяют из условия уравновешивания центробежных сил катков m1∙ω²∙r1 = m2∙ω²∙r2, т.е. необходимо соблюдение условия m1∙r1 = m2∙r2.
Производительность бегунов определяют по эмпирическим формулам или по опытным данным.
Мощность двигателя Nдв рассчитывают по суммарной мощности, развиваемой силами сопротивления при качении N1, силами трения скольжения N2, действующими на катки, и силами трения скольжения скребков N3, с учетом КПД η привода:
Nдв = (N1+ N2+ N3)/η.
Мощность (кВт) сил сопротивления качения N1 зависит от силы Р1 (кН) нажатия катка на материал, коэффициента сопротивления при качении k(м), угловой скорости катка ωк (рад/сек), числа катков z:
N1 = Р1∙k∙ωк∙z.
Приняв скорость скольжения средней части катка по чаше равной нулю, используя принятые ранее обозначения и учитывая, что в точке В (в середине поверхности бандажа катка – рис. 82) окружные скорости катка Vв и вращающейся чаши Vч равны, т.е. Vв = Vч, можно записать ωк∙D/2 = ω∙r и следовательно,
N1 = 2∙Р1∙k∙ω∙r∙z/D.
Рис. 82. Схема распределения скоростей скольжения точек поверхности катка относительно чаши.
Мощность сил трения скольжения представляет собой произведение силы трения скольжения Р1∙f на среднюю скорость скольжения катка по материалу. Ее можно найти, рассмотрев распределение скоростей точек А, В иС (в бегунах с вращающейся чашей) (рис. 82): Vа = ω∙rа; Vв = ω∙rв; Vс = ω∙rс. Поскольку каток в средней точке B не имеет скольжения относительно чаши, а окруженные скорости всех точек его поверхности одинаковы и равны Vв, то скорость скольжения в точках А и С максимальна и равна │Vск│= Vа – Vв = Vв – Vс = ω∙( rа – r) = ω∙( r – rс).
Так как rа = r + 0,5b и rс = r – 0,5b, то скорость скольжения Vск = ω∙b/2 (где b – ширина бандажа катка). Скорость скольжения изменяется по треугольному закону, следовательно, ее среднее значение Vск. ср = Vск/2 = 0,25ω∙b. В машинах с вращающимися катками характер относительного движения чаши и катков сохраняется, и среднюю скорость скольжения рассчитывают по приведенному уравнению.
Мощность сил трения скольжения с учетом числа катков z:
N2 = Р1∙f∙z∙Vск. ср = 0,25 Р1∙f∙ω∙b∙z.
Мощность сил трения скольжения скребков зависит от усилия прижима скребков Р3, числа скребков zс, коэффициента трения скребков о чашу fс и скорости скольжения скребков по чаше V = ω∙R:
N3 = Р3∙ fс ∙ zс ∙ω∙R.
В формулах для N1, N2, N3 обычно принимают k = 0,05…0,1 м; f≈0,2;
Р3 = 1 кН; КПД привода η = 0,7…0,8.
Роликовый (валковый) измельчитель.
Рис. 83. Ролико-тарельчатая мельница: 1 – чаша; 2 – размольное кольцо; 3 – каток; 4 – ось катка; 5 – ось нажимного рычага; 6 – нажимной рычаг; 7 – нажимная пружина; 8 – корпус мельницы; 9 – опорная плита; 10 – привод; 11 – сепаратор; 12 – течка.
По принципу действия эта машина аналогична бегунам с вращающейся чашей. Ролико-тарельчатый измельчитель (рис. 83) состоит из корпуса 8, сепаратора 11, размольных роликов 3 с пружинами блоками 7 и электромеханического привода 10. Последний служит для вращения размольной чаши 1, представляющего собой глубокую стальную коническую чашу, футерованную броневыми плитами 2. Размольные ролики 3 блоком пружин 7 прижаты к чаше 1, однако между бандажом ролика и плитами брони остается зазор; последний обеспечивает ограничитель хода рычага 6, на котором закреплены ролики 3. Над размольным столом установлен сепаратор 11 воздушно-проходного типа. В измельчителе возможна подсушка измельчаемого материала. Материал подается по течке 12 под ролики; целевой продукт выводится вверх с потоком воздуха.
Бандажи изготовляют из стали 25Л и наносят на их поверхность износостойкие наплавки из специального чугуна марки 300Х13Г3М. Частоту вращения и мощность привода рассчитывают с учетом соображений, изложенных при рассмотрении бегунов.
Конструкции ролика этой мельницы приводятся на рис.84. Поскольку мельницы такого типа работают в тяжелых условиях (в пыльно-абразивной среде и при повышенных температурах подсушивающего воздушного потока), защите подшипников от пыли и их надежной смазке уделяется большое внимание.
Рис. 84. Конструкция ролика мельницы: 1 – вал ролика; 2 – упорное кольцо; 3 – упорный подшипник; 4 – втулка; 5 – конический стакан; 6 – гайка; 7 – сменный ролик; 8 – контрольная пробка; 9 – противопыльная закраина; 10 – двойные войлочные уплотнения.
На валу 1 имеется упорное кольцо 2, на котором с помощью упорного шарикового подшипника 3 и втулки 4 укреплен конический стакан 5. На стакан с помощью шпонки и гайки 6 насажен сменный ролик 7. Полость стакана и втулки наполнена маслом до контрольной пробки 8 и защищена от попадания пыли в подшипники закраиной 9,перекрывающей втулку 4, и двумя рядами уплотняющих войлочных колец 10 и 11.
На рис. 85 показан ролико-дисковый валковый измельчитель с вращающимся диском.
Рис. 85 Роликодисковая мельница: 1 – корпус; 2 – тарелка-диск; 3 – броневая плита; 4 – ось рычага; 5 – каток; 6 – ось катка; 7 – штуцер питания; 8 – рычаг; 9 – нажимная пружина; 10 – сепаратор; 11 – упорный винт; 12 – броневое кольцо; 13 – привод; 14 – окно для воздуха.
Исходный материал через штуцер питания 7 поступает на вращающуюся тарелку – диск 2 с закрепленными на ней броневыми плитами 3, затем материал попадает под катки 5, измельчается и за счет центробежной силы отбрасывается к броневому кольцу 12. Поступающий через окна 14 воздух проходит по кольцевой щели между тарелкой и броневым кольцом, подхватывает измельченный материал и выносит его в сепаратор 10 воздушно-проходного типа. Крупная фракция из сеператора возвращается в мельницу на домол, а целевая вместе с воздухом уходит на дальнейшую обработку.
Измельчение материала на тарелке производится за счет собственного веса катков и усилий пружин 9, передаваемых через рычаги 8.
В рабочем положении между катками и тарелкой устанавливают зазор, равный примерно 0,5 мм, который предохраняет рабочие поверхности машины от преждевременного износа. Зазор поддерживается с помощью упорных винтов 11. Пуск машины осуществляют при освобожденных пружинах. Перед остановкой мельницы необходимо прекратить питание ее с таким расчетом, чтобы на тарелке не оставалось материала. Это облегчает пуск машины. Пружины натягивают после пуска машины, причем силу натяжения контролируют приборами.
На рис. 86 показана роликовая вертикальная мельница с вертикальным расположением размольного кольца.
Рис.86. Ролико-кольцевая вертикальная мельница с вертикальным размольным кольцом.
Рабочими органами мельницы являются ролики 2 и 8 и размольное кольцо 1, висящее на роликах. Ролик 8 получает вращение от привода и является ведущим. Ролики 2 установлены на осях и пружинами 6 через рычаг 4 прижимаются к кольцу 1. Сила нажатия пружин на ролики регулируется при помощи винтов 3. Кольцо и ролики размещаются в корпусе 5, закрытом крышкой 7. Материал через питательную воронку 11 подается на кольцо 1 и измельчается между вращающимся размольным кольцом и роликами. Излишний материал после прохождения первого ролика, сбрасывается с кольца и попадает в нижнюю часть корпуса, другая часть, прижатая центробежной силой к внутренней поверхности кольца, поднимается под второй ролик и далее попадает под ведущий ролик. Измельченный между роликами и размольным кольцом материал вытесняется сырьем, непрерывно поступающим в мельницу.
Материал, выпавший в нижнюю часть корпуса, содержит кроме целевого продукта значительное количество более крупной фракции. Ролико-кольцевую мельницу обычно устанавливают в замкнутом цикле с сепаратором специально предназначенным для разделения сыпучих материалов на фракции. Материал из нижней части корпуса подается в сепаратор. Там крупные частицы отделяются и возвращаются в измельчитель на доизмельчение, а целевой продукт направляют по назначению.
Существует значительное число сходных по принципу измельчения, но имеющих различные конструктивные отличия ролико-кольцевых мельниц.