Повітряна опора – розширення можливостей ценробежной дробарок
2008-11-10 15:01:42
Повітряна опора – розширення можливостей ценробежной дробарок
Повітряна опора відцентрових дробарок
Відцентрово-ударні дробарки (за західною термінологією – дробарки з вертикальним валом) знаходять все більше застосування в процесах дроблення та подрібнення рудних і нерудних матеріалів. Завдяки тому, що практично вся підводиться до дробарці енергія використовується для повідомлення кінетичної енергії подрібнюваного матеріалу, відцентрово-ударні дробарки мають великий ККД та високий коефіцієнт подрібнення.
Принцип дії цього порівняно нового обладнання полягає в наступному. Подрібнюємо матеріал подається зверху в центральне вхідний отвір так званого прискорювача. Він являє собою циліндричну порожнисту конструкцію з радіальними перегородками, що обертається навколо вертикальної осі. Під дією виникає в результаті обертання прискорювача відцентрової сили, шматки подрібнюваного матеріалу рухаються з прискоренням від центру до периферії вздовж утворених перегородками каналів. Матеріал вилітає з прискорювача в камеру подрібнення з лінійною швидкістю, яка визначається частотою обертання і діаметром прискорювача. При зіткненні шматків матеріалу з нерухомими стінками відбувається руйнування матеріалу за допомогою ударної дезінтеграції. Додаткового подрібненню матеріалу сприяє також процес хаотичного зіткнення шматків один з одним усередині камери.
Дроблення матеріалів за допомогою відцентрово-ударних дробарок має ряд переваг перед іншими способами подрібнення: переважне руйнування з природничих структурним кордонів всередині подрібнюється шматків, незначні зсувні деформації всередині однорідних фрагментів. Це робить відцентрово-ударні дробарки особливо ефективними для отримання високоміцного щебеню кубовидної форми, а при подрібненні руд дозволяє досягти «розкриття» вкраплень корисних компонентів при крупності в 2-3 рази більшою, ніж в іншому подрібнювальне обладнанні.
При всій привабливості відцентрово-ударних дробарок, до 80-х років ХХ століття існував ряд технічних і «матеріалознавчих» обмежень, що стримували широке застосування реалізованого в них способу дроблення, винайденого ще на початку минулого століття. Для підвищення ефективності ударної дезінтеграції необхідно збільшити швидкість матеріалу при зіткненні, проте це призводило до надмірного росту ударно-абразивного зносу робочих органів та зниження ресурсу підшипникових вузлів приводу дробарки.
Проблема зносу була в значній мірі вирішена використанням принципу самофутеровкі. Нові прискорювачі, винайдені в 80-х роках новозеландцями Брайаном Бейтлі (Bryan Baitley) і Джимом Макдоналдом (Jim McDonald), були сконструйовані так, що викликає ударно-абразивний знос матеріал стикався в основному не з поверхнею робочих органів дробарки, а з шаром самого подрібнюваного матеріалу. В процесі роботи матеріал залягає в ущільненому стані в спеціальних кишенях, розташованих, як в самому прискорювачі (рис. 1), так і в камері подрібнення (рис. 2). В результаті абразивно-ударну дію з боку подрібнюваного матеріалу на канал прискорювача відбувається в основному тільки при зіткненні матеріалу з утримує самофутеровку так званої «лопаткою», розташованої в кінці каналу. Лопатку виготовляють із включенням вставок з твердого сплаву і відновлюють періодичної наплавленням спеціальними електродами.
Рис. 1. Схема руху матеріалу в прискорювачі відцентрових дробарок
1 – розсікач, 2 – подкладной лист; 3 – самофутерющійся кишеню, 4 – твердосплавна лопатка, 5 – сход матеріалу з прискорювача, 6 – корпус прискорювача
Рис. 2. Футеровочні кишені в камері подрібнення
Що ж стосується проблеми забезпечення прийнятного ресурсу підшипникових вузлів, то вона як і раніше не має задовільного рішення в рамках традиційних схем механічного приводу з фіксованою підшипниками віссю. Це пов'язано з тим, що вузол, що забезпечує обертання роторної частини відцентрово-ударної дробарки, повинен відповідати таким вимогам:
- витримувати великі ударні навантаження, що виникають при передачі імпульсу шматками матеріалу, як в момент потрапляння в прискорювач, так і в момент виходу з нього;
- працювати в умовах сильної масової незбалансованості обертається системи і, як наслідок, витримувати величезні перекошуються зусилля, пов'язані з впливом на підшипникові опори гіроскопічних моментів, викликаних дією зовнішніх моментів на обертову частину дробарки.
У свою чергу незбалансованість прискорювача може бути викликана наступними факторами:
- нерівномірне залягання футерують матеріалу в каналах прискорювача через надмірну вологості вихідного матеріалу, особливо з вмістом глини;
- заклинювання великого шматка в каналі і забивання каналу через порушення роботи живлячої гуркоту;
- нерівномірний знос або руйнування лопатки великим шматком або стороннім металевим предметом, пропущеним металлоуловітелем;
- нерівномірне харчування, яке призводить до нерівності потоків матеріалу в каналах прискорювача;
- перевищення допустимої продуктивності в подачі матеріалу в прискорювач, що може привести до «завалу» дробарки.
На практиці, все перераховане вище призводить до неможливості створення дробарки на традиційній підшипникової опори (з фіксованою віссю обертання), що володіє одночасно великою продуктивністю, високою швидкістю вильоту шматків і здатної переробляти матеріал великий вихідної крупності. У дробарках на підшипникової опори крупність кусків вихідного матеріалу обмежена розміром 40 мм, діаметр прискорювача не перевищує одного метра, а максимальна частота обертання прискорювача складає 1500 об / хв, обмежуючи лінійну швидкість подрібнюваного матеріалу на виході з прискорювача значеннями 60-70 м / с для максимальних типорозмірів дробарок.
При таких обмеженнях область застосування ударної дезінтеграції зводиться, в основному, до отримання кубоподібно щебеню, а подрібнення руди до крупності нижче 5-10 мм стає неефективним внаслідок низького коефіцієнта подрібнення і високого ступеня повернення на додрабливания. Тому відцентрові дробарки на традиційних підшипникових опорах не можуть скласти серйозну конкуренцію конусним дробарки дрібного дроблення і стрижневим млинів в існуючих схемах рудопідготовки.
Для подолання обмежень, що накладаються на швидкість обертання прискорювачів в дробарках із традиційними підшипниковими опорами, була застосована так звана повітряна (газостатичних) опора (рис. 3), перші згадки про яку (і відповідні патенти) відносяться до початку ХХ століття.
Рис. 3. Повітряна опора відцентрових дробарок
1 – Статор; 2 – ротор, 3 – карданний вал, 4 – електродвигун;
5 – повітряний вентилятор; 6 – вал, 7 – прискорювач; 8 – кінцева лопатка прискорювача;
9 – камера подрібнення; 10 – запобіжний вузол на випадок аварійного відключення повітря; 11 – кришка опорної частини; 12 – патрубок для вивантаження подрібненого продукту;
13 – відцентрова муфта; 14 – пильовик
Щоб краще уявити собі переваги, які дає використання газостатичних (повітряної) опори, зупинимося детальніше на її конструкції і властивості. Опора являє собою два вкладених один в одного кільцевих сферичних сегмента (ротора і статора), в зазор між якими типовими високонапірним вентилятором нагнітається повітря. Створювана надлишковим тиском повітря підйомна сила змушує ротор (із закріпленим на ньому прискорювачем) спливти. Необхідна величина повітряного зазору забезпечується регулюванням ходу в шліцьовій з'єднанні однією з вилок карданного валу, що передає крутний момент від двигуна, розташованого соосно з ротором. Наявність у карданного валу двох карданних шарнірів, забезпечує незалежність положення геометричної осі ротора відносно осі обертання двигуна.
При включеному вентиляторі сплив рухливий вузол дробарки (ротор і прискорювач) знаходиться в стані спокою. При цьому вага ротора і прискорювача плюс сила натягу карданного валу врівноважуються підйомної силою, створюваної надлишковим тиском повітря. Оскільки сила, що діє з боку повітря на сферичну поверхню ротора, скрізь направлена до центру сфери, то центр сфери фактично виявляється своєрідною «віртуальної» точкою опори (підвісу) ротора. Це означає, що під дією будь-яких сил, що не проходять через центр сфери (тобто сил, що створюють момент щодо точки опори), ротор відхиляється від початкового положення так, як якщо б він мав шарнірне закріплення в центрі сфери. Іншими словами, утворюється повітряна опора, при якій ротор може здійснювати навколо центру сфери коливальні рухи, не торкаючись при цьому статора.
Звичайно, наявність зв'язку фіксованої довжини у вигляді карданного валу приводить до відповідного зменшення величини повітряного зазору при будь-якому розвороті ротора. Проте зменшення це незначно, а переміщення точки підвісу ротора відбувається уздовж вертикальної осі (подібно шарніру в кулісі кривошипно-шатунного механізму).
При будь-якому відхиленні осі ротора від вертикалі (а вірніше, відхиленні центру верхньої хрестовини карданного валу від прямої лінії, що з'єднує центр сфери і центр нижньої хрестовини) рівнодіюча доданих до верхньої хрестовині сил виявляється відмінною від нуля величиною, спрямованої до осі обертання двигуна. Створюваний при цьому момент щодо віртуальної точки опори ротора прагнути повернути вісь ротора у вихідне вертикальне положення.
Після приведення в обертання рухливий вузол дробарки фактично стає гіроскопом з точкою опори в центрі сфери, а тому має всі властивості, характерними для так званих «важких» (тобто закріплених в точці, не збігається з центром мас) гіроскопів з трьома ступенями свободи . Повний опис руху такої системи, що враховує реальні механічні властивості всіх вхідних в неї елементів, дуже складно. Воно вимагає спільного вирішення більш 30 нелінійних диференціальних рівнянь, тому обмежимося якісним описом його особливостей, що випливають з основних властивостей гіроскопа:
- триступеневої гіроскоп (тобто гіроскоп, орієнтація миттєвої осі обертання якого навколо єдиної точки опори нічим не обмежена) за відсутності зовнішніх впливів зберігає положення осі обертання незмінним;
- при розбіжності осі обертання з головною віссю інерції гіроскопа остання рівномірно обертається навколо осі обертання, описуючи кругову конічну поверхню з вершиною в точці опори (подібно осі обертового дзиги).
Такий рух має назву регулярної прецесії, а кут при вершині описуваного конуса називається кутом нутації.
Стосовно нашого випадку, коли головна вісь інерції (збігається в першому наближенні з геометричною віссю рухомого вузла дробарки) близька до вертикальної осі обертання двигуна, кут нутації за відсутності зовнішніх збурень буде дуже малий. Це означає, що наш гіроскоп обертається навколо своєї головної осі інерції, положення якої залишається незмінним у часі.
Наявність у рухомої системи незбалансованої маси призводить до зміщення її центру мас щодо геометричної осі системи. Враховуючи той факт, що головна вісь інерції завжди проходить через центр мас системи, приходимо до висновку про те, що при наявності дисбалансу роторна частина дробарки буде обертатися таким чином, що геометрична вісь ротора виявиться зміщеною щодо фактичної осі обертання на величину зміщення центру мас. При цьому «пробою» повітряної опори, тобто торкання ротором статора, відбудеться при зсуві центру мас рухомого вузла на величину радіальної проекції повітряного зазору між ними. Якщо врахувати, що маса рухомого вузла дробарки складає близько 1000 кг, а радіальний зазор між ротором і статором не менше двох міліметрів, то виявляється, що незбалансована маса, розташована на периферії прискорювача діаметром 1,25 м, може досягати трьох кілограмів, не приводячи до «пробою» повітряної опори і порушення роботи дробарки.
Насправді реакція «гіроскопа» на наявність масового дисбалансу виявляється більш складною. Справа в тому, що при дії на гіроскоп зовнішнього моменту, не збігається за напрямком з віссю обертання (тобто перекидаючого моменту), гіроскоп прагне розвернути свою вісь обертання в площині, що проходить через вісь обертання перпендикулярно тієї, в якій лежать точка опори і сила, що викликає момент. Швидкість прецесії пропорційна величині зовнішнього моменту і обернено пропорційна кінетичного моменту гіроскопа.
В нашому випадку, виникає через наявність дисбалансу зміщення геометричної осі ротора щодо статора призводить до нерівномірності повітряного зазору. Через це рівнодіюча сил, що діють з боку повітря на ротор, не проходить більше через центр сфери і створює зовнішній момент. В результаті виникає прецесії відбуватиметься розворот осі обертання ротора навколо центру сфери. І хоча в підсумку торкання ротора про статор може не відбуватися навіть при наявності дисбалансів, що перевищують вказану вище значення, виникнення прецесії є, як показує досвід, дуже небажаним.
Причина цього криється в тому, що вищезгадана швидкість прецесії пропорційна прикладеному зовнішньому моменту. І якщо якимось чином перешкоджати виникла прецесії, то з боку гіроскопа на перешкоджає об'єкт починає діяти гіроскопічний момент, достатній для підтримання гіроскопом необхідної швидкості прецесії «за всяку ціну». Величина гироскопического момента при этом ограничена лишь полным моментом количества движения (кинетическим моментом), то есть общим запасом кинетической энергии гироскопа, частота вращения которого может даже упасть до нуля (если запас его энергии не пополняется извне) при возникновении на пути его прецессии непреодолимой преграды. В больших дробилках, когда вращение ускорителя обеспечивается двигателем мощностью в несколько сотен киловатт, возникающие в случае прецессии гироскопические моменты могут достигать гигантских величин.
В этом кроется, пожалуй, основная причина невозможности построения мощных центробежно-ударных дробилок с использованием традиционных подшипниковых опор. Уже при дисбалансах в несколько сотен грамм, нагрузки на подшипники становятся настолько большими, что это серьезно снижает время их безаварийной работы.
Использование сферической воздушной опоры позволяет избежать проблем, связанных с возникновением гироскопических моментов, поскольку используемая кинематическая схема не накладывает ограничений на движение трехстепенного гироскопа. Следует отметить, что в реально существующей конструкции центробежной дробилки регулярная прецессия большой амплитуды все же остается нежелательным явлением. Проявляется это в моменты прохождения резонансных частот при разгоне и остановке дробилки. Однако конструктивные решения, а также тщательная настройка центробежной дробилки в процессе производства, позволяют с успехом преодолевать проблемы разгона и остановки, а в процессе работы выдерживать на порядок большие дисбалансы по сравнению с дробилками на подшипниковой опоре.
Висновок
Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что применение сферической воздушной опоры позволило принципиально изменить кинематическую схему центробежно-ударных дробилок и перейти от схемы с фиксированной (подшипниками) осью к схеме трехстепенного гироскопа с «виртуальной» точкой опоры в центре сферы, которой нет аналогов в современной дробильной технике. Основными принципами построения такой схемы являются:
- не накладывать никаких ограничений на стремление ротора дробилки вращаться вокруг своей главной оси инерции;
- не создавать реакциями связи моментов, действующих на роторную часть дробилки и приводящих к регулярной прецессии.
Концепція нової повітряної опори довела свою ефективність досвідом практичного застосування протягом ось вже 15 років і розширила діапазон лінійних швидкостей роторних систем при відцентрової дезінтеграції до 100 м / с і більше. В рамках цієї концепції діаметри прискорювачів, а разом з ними і одинична продуктивність обладнання обмежені тільки технічними можливостями машинобудівних підприємств та умовами транспортування. Вже сьогодні створено відцентрові дробарки з прискорювачами діаметром до 2,1 метра, лінійної швидкістю вильоту дробленого матеріалу з прискорювача 100 м / сек, продуктивністю до 650 тонн на годину у відкритому циклі.
Відмінними рисами відцентрових дробарок на повітряній опорі є:
- слабка чутливість до дисбалансів;
- високоефективне дроблення (забезпечується високою швидкістю обертання прискорювача);
- велика продуктивність;
- висока надійність і довговічність механічної частини.
Зростання діаметру прискорювача дозволив досягти значних успіхів і в розв'язанні проблеми ударно-абразивного зносу робочих органів дробарки. Справа в тому, що знос зростає зі зростанням швидкості прискорювача, але зменшується з ростом його діаметра. Пояснення просте: однакова швидкість на виході досягається на більшій довжині, тобто на більшій прискорювачі матеріал при розгоні має менше прискорення, що приводить до меншого зносу за рахунок зменшення притискних сил, пропорційних прискоренню.
Ринок дробильного і подрібнювального устаткування досить консервативний. Як уже зазначалося, революції тут надзвичайно рідкісні. Відцентрові дробарки на повітряній опорі є одним з останніх досягнень сучасної науки і техніки і дають унікальні технологічні результати. У деяких областях, таких як виробництво кубоподібно щебеню, дробарки подібного принципу дії стали безперечними лідерами. В інших областях, наприклад, в сухому подрібненні руд до крупності 1-2 мм, вони фактично є безальтернативним обладнанням.
В рудопідготовки настає час серйозної конкуренції між відцентрово-ударним обладнанням та іншим традиційним дробильно-подрібнювальні обладнанням, наприклад, стрижневими млинами. Змагання буде йти, в першу чергу, в області зниження енергоспоживання і витрати футеровки на тонну готового продукту. І у відцентрових дробарок на повітряній опорі з їх високим ККД і самофутірующіміся робочими органами є всі підстави перемогти в цій суперечці.