Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

К.т.н., проф. Сергеев С.В., к.т.н., доц. Сергеев Ю.С.,

асп. Микрюков А.А., асп. Гоголев В.П.

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет), Россия

Применение виброприводов в оборудовании

для измельчения отходов строительных материалов

В настоящее время, в период экономического кризиса при производстве строительных изделий, по данным заводов железобетонных изделий (ЖБИ), применяется некачественный бетон. Одна из основных причин этого – очень низкое качество цемента. Это обусловлено недожогом портландцементного клинкера и недомолом цемента подавляющим большинством цементных заводов из-за экономии энергетических затрат. Возникшие проблемы (по данным заводов ЖБИ) привели к ряду негативных последствий таких как: увеличился расход цемента в бетоне; уменьшилось время потери бетоном подвижности, снизилась морозостойкость и водонепроницаемость бетонов; усилились усадочные деформации бетона, и появилась проблема образования трещин в готовых изделиях и конструкциях; снизилась долговечность изделий и конструкций из бетона. В мировой практике вопрос повышения качества бетонов и, при необходимости, получения высокомарочных бетонов, решается одновременно тремя путями: тонкий помол цемента; точный подбор наполнителей; применение различных специальных добавок. Если два последних пути достаточно просто достижимы, то для тонкого помола цемента необходимы весьма значительные затраты энергии при измельчении. Это главное обстоятельство при повышении его марочности и удельной поверхности цемента.

Непосредственно измельчение представляет собой процесс распада материала на более мелкие части при возникновении напряжений, превышающих внутренние силы сцепления частиц. Определение затрачиваемой при этом энергии составляет одну из главных проблем теории измельчения. Данной проблемой занимались известные ученые такие как: П. Риттенгер, В.Н. Кирпичев, Л.Б. Левенсон, А.К. Рунгвист и другие. Опытным путем было доказано [1], что для тонкого измельчения больше всего подходит гипотеза, выдвинутая П. Риттенгером, которая предполагает, что работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна размеру вновь образованной поверхности в измельчаемом материале. Метод решения задачи о расходе энергии на измельчение материала, предложенный П. Риттегером, основан на определенном физическом истолковании процесса, с учетом допущения о том, что измельчаемое тело однородное, абсолютно упругое и делится на части по строго определенному геометрическому закону, чего в действительности, конечно, нет.

При механическом измельчении реальных изотропных твердых тел возможные направления распространения трещины ограничены малыми углами, т.е. трещины развиваются вблизи области пластического деформирования. Наиболее вероятностным местом зарождения опасных трещин являются поверхностные слои на границе соприкосновения разрушаемой частицы со сдавливающим или ударяющим рабочим органом станка. Вблизи поверхности сосредоточено основное количество дефектов, облегчающих образование трещин, а на границе контакта – наибольшие напряжения. Исходя из этого, можно сделать вывод, что процесс измельчения частиц материала неправильной формы при помощи удара сопровождается образованием новых частиц с размером значительно меньшим, чем требуется, т.е. происходит переизмельчение, на которое также затрачивается часть энергии. Количество переизмельченого материала можно уменьшить, а, следовательно, и снизить расход энергии измельчаемым оборудованием, снизив силу удара, однако для сохранения производительности необходимо значительно повысить частоту этих ударов. Следует отметить, что на практике для большей эффективности измельчающего оборудования производят комбинирование нескольких способов измельчения материала. При этом способы выбирают с учетом физических свойств измельчаемого материала, так для тонкого измельчения цемента больше всего подходит раздавливание или истирание с ударом.

Поэтому можно утверждать, что для обеспечения энергоэффективного тонкого измельчения цемента необходимо создать движение рабочего органа оборудования для измельчения по траектории со сложной формой, обеспечивающей модуляцию низкочастотных истирающих или раздавливающих и высокочастотных ударных измельчающих усилий. Несмотря на то, что модуляция высокочастотных и низкочастотных колебаний уже довольно долгое время широко применяется в электронике, на сегодняшний день не существует ни одного механического вибропривода, который бы создавал амплитудно-модулированные колебания. С одной стороны, это связано с недостаточной изученностью процесса измельчения хрупких материалов, а с другой стороны с простотой конструкции применяемых виброприводов в конусных механических дробилках (КМД). В основу конструкции их виброприводов положен принцип смещенной массы, т.е. дебаланс. А это обеспечивает только создание лишь одного гирационного движения дробящего конуса.

Среди большого разнообразия КМД стоит особняком вибрационный активатор цемента мод. ИВУ-150 [2], выпускаемый конструкторским бюро вибрационной техники «Гранулятор», в котором реализуется принципиально новый способ [3] возбуждения высокочастотных колебаний, в основе которого лежит вскрытый факт отсутствия собственной устойчивости вращающегося диска по неподвижному контртелу. Использование именно этого способа в совокупности с принципом смещенной массы позволяет создавать сложное движение дробящего конуса по траектории форма, которой представляет собой модуляцию низкочастотных и высокочастотных колебаний. Также высокочастотная составляющая модулированных колебаний дополнительно ускоряет процесс вывода измельченного материала из рабочей зоны дробления, тем самым повышает производительность и снижает количество переизмельченного материала, а, следовательно, улучшает энергоэффективность оборудования.

Стоит отметить оригинальность привода шнекового дозатора вибрационного активатора цемента мод. ИВУ-150, особенность которого заключается в использовании в нем вентильно-индукторного вибропривода [4]. Он является регулируемым и позволяет настраивать амплитуду, фазу и частоту пульсаций момента и скорости приводного вала. Эти пульсации сообщаются шнеку дозатора с целью предотвращения налипания мелкодисперсного измельченного материала.

Работа была выполнена конструкторским бюро вибрационной техники «ООО Гранулятор» (www.kbvt.ru) технопарка Южно-Уральского государственного университета при финансовой поддержке РФФИ (№10-08-96041-р_урал_а) на 2010-2012 г.г., ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2011-2013 гг. (№14.740.11.1123) и фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и в рамках программы «Старт 07» на 2007-11 гг. (проект 7319).

Литература:

1. Сидоренко П.М. Измельчение в химической промышленности. – М.: Изд. «Химия», 1977. – 368 стр.

2. Материали за VII Международна научна практична кофеонференция, «Ключови въпроси в съвременната накка», – 2011, Том 34. Икономики. София. «Бял ГРАД БГ» ООД – 88стр.

3. А.с 1664412 СССР, МКИ³ В 06В1/15 Способ возбуждения круговых колебаний и устройство для его осуществления / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, С.В. Сергеев. – №4414912/24-28; заявл. 24.04.88; опубл. 23.07.91, Бюл. №27. – 10с.

4. Сергеев Ю.С. Расчет динамических режимов виброприводов на базе вентильно-индукторных двигателей / Ю.С. Сергеев // Известия высших учебных заведений. Серия «Электромеханика». – 2010. – №6. – С. 28–31.