Исследование процесса измельчения в бегунах мокрого помола СМ–365 Министерство Образования РФ Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Кафедра Механического Оборудования Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине: ППСМ на тему: “ Исследование процесса измельчения в бегунах мокрого помола СМ – 365” Белгород 2010 Содержание Введение 1. Общие сведения и классификация бегунов 2. Конструкция, принцип действия и описание процессов, происходящих в машине 3. Расчёт основных параметров 4. Проведение экспериментальных исследований зависимости функции от варьируемых параметров Заключение Список используемой литературы Приложение Введение Многообразие измельчаемых материалов поих свойствам и преследуемым промышленным целям этого процесса приводит к большому количеству различных конструкций дробильно-помольных машин и установок. Все применяемые машины для измельчения материалов разделяют на две группы: дробилки и мельницы. Дробилки - это машины, которые применяются для дробления сравнительно крупных кусков материала, начальный размер 100-1200 мм, размер кусков конечного продукта 250-3 мм. Дробилки применяются в горнодобывающей, горнорудной, строительной, химической и других отраслях промышленности для крупного, среднего и мелкого дробления различных горных пород. Степень измельчения в дробилках находится в пределах 3-20. Мельницы предназначаются для получения тонко измельченного порошкообразного материала. Они применяются при грубом, тонком и сверхтонком помоле известняка, мела, мрамора, глины, угля, клинкера и других материалов, при этом размер начальных кусков равен 2-20 мм, а размер частиц конечного продукта составляет от 0,1-0,3 мм до долей микрометра. По конструкции и принципу действия различаются следующие виды дробилок: щековые (дробление происходит между подвижной и неподвижной щеками), конусные (раздавливание материала и частичное его изгибание происходят между двумя конусами), валковые (материал раздавливается между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу), бегуны (измельчение материала происходит между вращающимися катками и чашей (подвижной или неподвижной) путем раздавливания и истирания.), дробилки ударного действия. По сравнению с другими машинами для измельчения материала, например валковыми дробилками, в общем случае бегуны менее эффективны. Поэтому их следует применять только тогда, когда это вызывается специальными технологическими требованиями, когда наряду с измельчением необходимо обеспечить уплотнение, растирание, обезвоздушивание массы (например, при переработке глины). 1. Общие сведения и классификация бегунов Бегуны применяются для мелкого дробления (конечный размер частиц 3...8 мм) и грубого помола (0,2...0,5 мм) извести, глины и других материалов. Кроме того, бегуны могут также обеспечить растирание, гомогенизацию, уплотнение и обезвоздушивание материала. При производстве строительной керамики бегуны используют для мелкого и тонкого дробления сухой и увлажнённой глины, полевого шпата, фарфорового боя, угля, доломита и других материалов. Бегуны классифицируют по следующим основным признакам. По способу действия: периодического и непрерывного действия. По технологическому назначению: для мокрого, сухого и полусухого измельчения; для измельчения и перемешивания и только перемешивания; для брикетирования сырьевой смеси; с металлическими катками и металлическим подом; с каменными катками и каменным подом. По конструктивному оформлению: с неподвижной чашей; с вращающейся; с верхним и нижним приводом (при нижнем приводе сложнее разборка, длительнее ремонт, но масса не загрязняется); с катками, опирающимися на материал своей массой или с дополнительным гидравлическим, пневматическим или с пружинным нажатием на катки. По способу разгрузки: с ручной разгрузкой; продавливанием через подовую решетку; с центробежной разгрузкой; с разгрузкой через периферическую подовую решетку и с разгрузкой по опускающемуся в чашу отвалу. В бегунах с вращающимися катками вокруг вертикальной оси центробежные силы стремятся сорвать катки, а в случае их неуравновешенности вертикальный вал может изогнуться, но центробежные силы при этом не оказывают влияния на материал, находящийся в чаше. У бегунов с вращающейся чашей более спокойный ход, но центробежные силы отбрасывают материал к периферии, кроме того, у этих бегунов большая нагрузка на упорный подшипник (массы катков и чаши). Достоинства бегунов по сравнению с валковыми дробилками: можно загружать значительно большие куски материала; проще регулировать тонкость измельчения; улучшаются пластические свойства глиняных материалов из-за многократного воздействия катков. Недостатки бегунов: громоздкость; более сложный ремонт; повышенный удельный расход энергии на единицу массы перерабатываемого материала. 2. Конструкция, принцип действия и описание процессов, происходящих в машине Бегуны мокрого помола (материал влажностью более 15 %) с вращающимися катками (рис. 1) имеют нижнее расположение привода. При вращении вертикального вала 1 катки 5, установленные на подшипниках на водилах 6, перекатываются по поддону 4 и одновременно вращаются вокруг собственных осей. Коленчатые водила, шарнирно закрепленные в цапфе 7, позволяют каткам подниматься или опускаться в зависимости от толщины слоя материала и преодолевать недробимые предметы. Катки устанавливают на разных радиусах от центра поддона, чтобы они перекрывали большую площадь. Поддон укладывают плитами, имеющими овальные отверстия размером от 6×30 до 12×40 мм. Измельченный материал продавливается сквозь отверстия в поддоне и попадает на вращающуюся тарелку 8, с которой сбрасывается скребком 3 в разгрузочный лоток 2. К валу 1 прикреплены поводки со скребками 9, которые очищают борта и поверхность чаши от налипшего материала и равномерно направляют его под катки. Рисунок 1 Применяют также верхний привод катков, бегуны с вращающейся чашей, бегуны с пружинным, гидравлическим или пневматическим прижимом катков. Использование последних позволяет снизить металлоемкость машины. В бегунах массивные катки, перекатываясь по слою материала, находящемуся на поддоне, измельчают его раздавливанием и истиранием. Это происходит вследствие того, что широкие катки, перемещаясь по окружности небольшого радиуса, непрерывно разворачиваются относительно поддона и их внешняя сторона скользит юзом, а внутренняя буксует. В бегунах может осуществляться как сухой, так и мокрый помол материалов. Главным параметром бегунов является диаметр D и ширина b катков. Для мокрого помола выпускают бегуны с размерами D х b от 1200 х 300 до 1800 х 800 мм с катками массой, соответственно 2...9 т. Для сухого помола изготавливают бегуны с D х b от 600 х 200 до 1800 х 450 мм. Бегуны мокрого помола СМ – 365 предназначены для тонкого помола, перемешивания, растирания и увлажнения керамических масс. Чугунное кольцо станины состоит из шести секций, скреплённых болтами. Стальная литая чаша бегунов, укреплённая на станине, имеет форму усечённого конуса, расширяющегося к верху. Отливка чаши выполнена без днища, днищем служат сегментообразные дырчатые плиты, образующие дорожку, по которой перекатываются катки. Перерабатываемый материал загружается в загрузочную воронку, и далее через течку попадает под каток, раздавливается и истирается. Далее материал продавливается через отверстия решётчатых плит и просыпается под чашу на тарель, с которой сбрасывается на течку для измельчённого материала. Отверстия в дырчатых плитах конические, увеличивающиеся к низу для обеспечения свободного просыпания продавленных в отверстия кусочков материала. На вертикальном валу бегунов укреплена крестовина с горизонтальными полуосями, на которых вращаются катки. Катки для более эффективного помола снабжены специальными пружинными прижимами. Для регулирования силы прижима катков имеются регулировочные гайки. Катки бегунов состоят из двух частей: чугунного корпуса и прочно насаженного на него стального бандажа. Бегуны получают движение от электродвигателя через фрикционную муфту, редуктор, горизонтальный приводной вал с конической шестерней. Коническое колесо, входящее в зацепление с шестерней, насажено на вертикальный вал. Для равномерности загрузки бегуны оснащают вращающейся загрузочной воронкой. 3. Расчёт основных параметров 1) Определение угла захвата. Углом захвата называют угол, образованный плоскостью чаши и касательными, проведёнными через точки соприкосновения куска материала с поверхностью катка. Рисунок 2 В момент захвата куска материала в точке А возникает сила нормального давления Р и сила F=P f, где f – коэффициент трения (рис.2,схема а). Возникает также сила противодействия P1 и сила трения P1 f. При равновесии куска имеем: ∑x=0, P sinα – P f cosα - P1 f=0, P sinα= P1 f+ P f cosα ∑y=0, P1 – P f sinα – P cosα P1 = P f sinα + P cosα Получаем: P sinα=f P cosα + f P (cosα + fsinα). (1) tgα= 2 f/(1 – f2 ) Подставим значение коэффициента трения f=tg2 φ, где φ – угол трения: tgα=2tg φ/(1 – tg2 φ)=tg2 φ (2) α<2 φ (3) Следовательно, угол захвата должен быть меньше двойного угла трения. Коэффициент трения может колебаться в пределах 0,3 – 0,5, что соответствует углу захвата 30 – 50 ˚. 2) Определение соотношений между диаметром катка бегунов и диаметром дробимого материала (рис.2, схема б). где D – диаметр катка, d – диаметр куска дробимого материала. При угле α = 50˚ получаем: При угле α = 30˚: D = (4,6…14) d. (6) При D =1800 мм возможная крупность дробимого материала: dmax = . При переработке влажных глин отношение D/d составляет 5…6, следовательно для бегунов СМ – 365 максимальная крупность исходного материала составляет: dmax = . Для обеспечения надёжного захвата материала максимальная крупность кусков принимается на 20% меньше. d = 0,8 dmax =0,8 (360…300) = 288…240 мм. 3) Сила нормального давления, действующая на материал (усилие раздавливание), H: Pср = σсж F Kρ (7) где σсж – предел прочности материала при сжатии, H/м2 , для мягких пород σсж = 80МПа, для прочных σсж ≥ 150МПа (1 H/м2 = 10-6 МПа); F – площадь дробления, м2 ; Kρ -коэффициент разрыхления материала (для прочных пород Kρ = 0,2 … 0,3, для глины Kρ = 0,4 … 0,6). Полагая, что F=b l = b R β, где l – длина дуги на участке измельчения материала, м; R=D/2 - радиус катка, м; b – ширина катков, м; β - угол дуги, рад, β = α /2. Формула (7) принимает следующий вид При дроблении твердых пород (β=16°40’ ): Pср = 0,04 σсж b D, (8) при дроблении глин (β = 24°20’ ): Pср = 0,1 σсж b D (9) Для бегунов СМ – 365: σсж = 80 МПа = 800000 Н. B = 0,8 м; D = 1,8 м. Pср =0,1 8000000 0,8 1,8=152000 Н. 4) Определение угловой скорости и числа оборотов вертикального вала бегунов. На вращающейся чаше материал находится под действием двух сил: силы трения G f, удерживающей материал на чаше, и центробежной сил mω2 стремящейся отбросить материал (где r – наружный радиус качения катка; ω – угловая скорость вращения вертикального вала; - линейная скорость.). Чтобы материал не отбрасывался к борту чаши должно соблюдаться условие: Gf m ω2 r; Gf m v2 /r, где ω – угловая скорость вращения вертикального вала; m=G/g; v= r n/30. Тогда: Gf ω2 r; Gf , где n – частота вращения вала. ω (рад/с); (10) n (об/мин). (11) Приняв для увлажнённых глин f=0,5 получаем: Угловая скорость вращения вертикального вала: ω =2,4 рад/с Частота вращения вала: n = 23,3 об/мин. 5) Определение производительности бегунов. Для ориентировочного расчёта производительности бегунов с решётчатым подом используют следующую формулу: Q = (м3 /с); (12) Q = S l a n 60 (м3 /ч); (13) где S – площадь отверстия в решётчатой плите, м2 ; l – длина глиняного прутка, м, продавливаемого при каждом набегании катка (l= 25 – 35 мм для глин влажностью 20 – 22%); а – число отверстий, перекрываемых катком за один оборот вертикального вала; ω – угловая скорость вертикального вала, рад/с; n – частота вращения вертикального вала, об/мин; λ – поправочный коэффициент, λ = 0,8 – 0,9. Исходные данные для бегунов мокрого помола СМ – 365: S = 34 2 8 + 2 = 745 мм2 =0,000745 м2 ; а = 920; l = 30мм = 0,03м; λ = 0,8; n = 22,7 об/мин. Q = 0,000745 0,03 920 22,7 60 0,8 = 22,4 м3 /ч. При плотности глины (влажностью 20%) γ = 1450 кг/м3 получим: Q = 22,4 1450 = 38480 кг/ч = 38,4 т/ч. 6) Определение мощности двигателя. Мощность двигателя может быть определена как сумма мощностей, необходимых в основном для преодоления сил трения качения и трения скольжения катков. N = (N1 + N2 )/ η, (14) где N1 – мощность, необходимая для преодоления сил трения качения; N2 – мощность, необходимая для преодоления сил трения скольжения катков. η – КПД установки, η = 0,5 – 0,8. Мощность, необходимая для преодоления сил трения качения N1 = (кВт), (15) где G – вес (сила тяжести катка), Н; - коэффициент трения качения; vср – средняя окружная скорость качения катка, м/с: R – радиус катка, м. Подставляя в формулу значение средней окружной скорости vср = r n/30, получаем N1 = ; (16) N1 = = (кВт), (17) где i – число катков. Исходные данные: G = 90000 Н; = 0,03; r = 0,9 м; n = 22,7 об/мин ; i = 2; R = 0,9 м. N1 = = 12,8 кВт. Мощность, необходимая для преодоления сил трения скольжения катков: N2 = (кВт); (18) N2 = = (кВт), (19) где - коэффициент трения скольжения; b – ширина катка. Для бегунов СМ – 365: fск = 0,3; b = 0,8 м. N2 = = 25,7 кВт. Необходимая мощность электродвигателя: N = kN , (20) где kN – коэффициент мощности двигателя на преодоление пускового момента, kN = 1,1 – 1,5. N = 1,1 = 60,48 кВт. 4. Проведение экспериментальных исследований зависимости функции от варьируемых параметров 1) Проведём исследование влияния изменения частоты вращения вертикального вала n на производительность. Q = S l a n 60 (м3 /ч). Постоянные параметры: Площадь отверстия в дырчатой плите S = 0,000745 м2 ; Длина глиняного прутка l = 0,03 м; Число отверстий, перекрываемых катками за один оборот вертикального вала a = 920; Поправочный коэффициент λ = 0,8. Варьируемый параметр изменяется в пределах: n = 22,7±5%. Минимальное значение: nmin = 21,565 мин-1 Максимальное значение: nmax = 23,835 мин-1 Шаг варьирования: p = = 0,227 мин-1 . Q1 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 21,565= 21,284 (м3 /ч) Q2 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 =21,508 (м3 /ч) Q3 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 22,019=21.733 (м3 /ч) Q4 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 22,246 =21,956 (м3 /ч) Q5 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 22,473=22,181 (м3 /ч) Q6 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 = 22,4 (м3 /ч) Q7 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 22,927 =22,629 (м3 /ч) Q8 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 =22,853 (м3 /ч) Q9 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 =23,077 (м3 /ч) Q10 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 23,301 (м3 /ч) Q11 = 0,000745 0,03 920 60 0,8 23,835 = 23,525 (м3 /ч) Таблица 1 n, мин-1 21,565 21,792 22,019 22,246 22,473 22,7 22,927 23,154 23,381 23,608 23,835 Q, м3 /ч 21,284 21,508 21.733 21,956 22,181 22,4 22,629 22,853 23,077 23,301 23,525 Q = f(n). 2) Проведём исследование влияния изменения частоты вращения вертикального вала n на мощность двигателя. N = kN (кВт) Постоянные параметры: Коэффициент увеличения мощности двигателя kN = 1,1; Сила нажатия катка G = 90000 H; Число катков i = 2; КПД установки η = 0,7; Радиус качения катков r = 0,9 м; Коэффициент трения качения fk = 0,03; Коэффициент трения скольжения fск = 0,3; Ширина катка b = 0,8 м; Радиус катка R = 0,9 м. Варьируемый параметр изменяется в пределах: n = 22,7±5% мин-1 . Минимальное значение: nmin = 21,565 об/мин Максимальное значение: nmax = 23,835 об/мин Шаг варьирования p = 0,227. N1 = 1,1 =57,45 (кВт) N2 = 1,1 =58,05 (кВт) N3 = 1,1 =58,66 (кВт) N4 = 1,1 =59,26 (кВт) N5 = 1,1 =59,87 (кВт) N6 = 1,1 =60,5 (кВт) N7 = 1,1 =61,07 (кВт) N8 = 1,1 =61,68 (кВт) N9 = 1,1 =62,28 (кВт) N10 = 1,1 =62,89 (кВт) N11 = 1,1 =63,49(кВт) Таблица 2 n, мин-1 21,565 21,792 22,019 22,246 22,473 22,7 22,927 23,154 23,381 23,608 23,835 N, кВт 57,45 58,05 58,66 59,26 59,87 60,5 61,07 61,68 62,28 62,89 63,49 N = f(n). 3) Проведём исследование влияния изменения числа отверстий в решётчатых плитах, перекрываемых катками на производительность. Q = S l a n 60 (м3 /ч). Постоянные параметры: Площадь отверстия в дырчатой плите S = 0,000745 м2 ; Длина глиняного прутка l = 0,03 м; Частота вращения вертикального вала n = 22,7 об/мин; Поправочный коэффициент λ = 0,8. Варьируемый параметр изменяется в пределах: а = 920±5%. Минимальное значение: amin = 875 Максимальное значение: amax = 965 Шаг варьирования: p = = 9 шт. Q1 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 875 =21,262 (м3 /ч) Q2 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 =21,481 (м3 /ч) Q3 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 = 21,699 (м3 /ч) Q4 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 902 = 21,918 (м3 /ч) Q5 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 =22,137 (м3 /ч) Q6 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 920 = 22,356 (м3 /ч) Q7 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 =22,574 (м3 /ч) Q8 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 938 =22,793 (м3 /ч) Q9 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 947 = 23,012 (м3 /ч) Q10 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 956 = 23,23 (м3 /ч) Q11 = 0,000745 0,03 22,7 60 0,8 965 = 23,449 (м3 /ч) Таблица 3 а, шт 875 884 893 902 911 920 929 938 947 956 965 Q, м3 /ч 21,262 21,481 21,699 21,918 22,137 22,356 22,574 22,793 23,012 23,23 23,449 Q = f(a). 4)Проведём исследование влияния изменения силы давления катка на мощность электродвигателя установки. N = kN (кВт) Постоянные параметры: Коэффициент увеличения мощности двигателя kN = 1,1; Частота вращения вертикального вала n = 22,7 мин-1 ; Число катков i = 2; КПД установки η = 0,7; Радиус качения катков r = 0,9 м; Коэффициент трения качения fk = 0,03; Коэффициент трения скольжения fск = 0,3; Ширина катка b = 0,8 м; Радиус катка R = 0,9 м. Варьируемый параметр изменяется в пределах: G= 90 000±5% мин-1 . Минимальное значение: Gmin = 85500 H Максимальное значение: Gmax = 94500H Шаг варьирования: p = = 900 Н. N1 = 1,1 = 57,45 (кВт) N2 = 1,1 = 58,06 (кВт) N3 = 1,1 = 58,66 (кВт) N4 = 1,1 = 59,27 (кВт) N5 = 1,1 = 59,87 (кВт) N6 = 1,1 = 60,48 (кВт) N7 = 1,1 = 61,08 (кВт) N8 = 1,1 = 61,69 (кВт) N9 = 1,1 = 62,29 (кВт) N10 = 1,1 = 62,89 (кВт) N11 = 1,1 = 63,5 (кВт) Таблица 2 G, H 85500 86400 87300 88200 89100 90000 90900 91800 92700 93600 94500 N, кВт 57,45 58,06 58,66 59,27 59,87 60,48 61,08 61,69 62,29 62,89 63,5 N = f(G). По результатам вычислений строим графики. Заключение В результате проведённых вычислений были выявлены следующие зависимости: 1) С повышением частоты вращения вертикального вала увеличивается производительность бегунов; 2) С увеличением частоты вращения вала повышается мощность двигателя; 3) С увеличением числа отверстий в решётчатых плитах увеличивается производительность; 4) С увеличением силы давления катка на измельчаемый материал повышается мощность двигателя. Список использованной литературы 1. Сапожников В.А. и др. «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций». М., «Высшая школа». 1971. – 382 с. 2. Ильевич А.П. «Машины и оборудование для заводов по производству керамики и огнеупоров». М., «Высшая школа», 1979. – 343 с. 3. Сапожников Н. Я. «Атлас механического оборудования» 4. Уваров В.А., Семикопенко И.А., Чемеричко Г.И., «Процессы в производстве строительных материалов и изделий». БелГТАСМ, 2002. – 121с.