Вихревая мельница
VORTEX MILL

Изобретение относится к устройствам для измельчения различных материалов и может найти применение в строительной, химической, горной, а также других отраслях промышленности.
Известна вихревая мельница по патенту №2562542 (выбрана в качестве прототипа), содержащая ротор, статор, мелющие элементы, установленные с возможностью радиального перемещения,  ротор и статор собраны из плоских колец, изготовленных из листовой стали, в кромках большего количества плоских колец выполнены выемки, чередующиеся с прорезями. Выемки  и прорези в кольцах образуют пазы на обращенных друг к другу поверхностях ротора и статора. В пазах, образованных  прорезями, размещены мелющие элементы в форме пластин. В выемках, при вращении ротора, образуются вихри смеси обрабатываемого материала и транспортного газа (воздуха).
Недостатком известной мельницы является избыточный вес ее рабочих частей, статора и особенно ротора, что налагает высокие требования по жесткости, а соответственно и весу вала, на котором ротор установлен, а также высокие требования к подшипниковым опорам, что приводит к использованию сравнительно дорогих подшипников.
Техническим результатом изобретения является уменьшение веса вихревой мельницы, снижение металлоемкости, уменьшение нагрузки на опорные подшипники.
Технический результат достигается в вихревой мельнице, содержащей ротор, статор и мелющие элементы. На обращенных друг к другу поверхностях ротора и/или статора образованы выемки, ротор собран из колец, с проставками между кольцами. Статор также может быть собран из колец, с проставками между кольцами. На обращенных друг к другу поверхностях ротора и/или статора, образованы прорези, в прорезях расположены мелющие элементы. Кольца изготовлены из листовой стали. Используются проставки, формирующие вихревые карманы, эти проставки могут быть выполнены кольцевыми. Кроме того, могут использоваться кольцевые проставки, не участвующие в формировании вихревых карманов, обеспечивающие конструкционную жесткость. Мелющие элементы установлены с возможностью радиального перемещения, для этого, они соединены с толкателями, один конец которых посредством штифта входит в зацепление с пазом, концы которого разноудалены от оси ротора, указанный паз выполнен в торцовом кольце, установленном с возможностью поворота.
Изобретение поясняется рисунками:
фиг. 1 - общий вид вихревой мельницы;
фиг. 2 – вихревая мельница, вид сверху;
фиг. 3 – вихревая мельница в поперечном сечении;
фиг. 4 - ротор и статор с механизмом регулировки зазора между мелющими элементами, вид сверху;
фиг. 5 - увеличенный фрагмент поперечного сечения ротора и статора;
фиг. 6 – ротор и статор со снятыми верхними кольцами (показан разрез);
фиг. 7 – проставки ротора и статора, формирующие вихревые карманы;
фиг. 8 - плоское кольцо статора с прорезями;
фиг. 9 - плоское кольцо ротора с прорезями;
фиг. 10 –  вихреобразование в выемках ротора и статора.
Вихревая мельница содержит расположенные на основании 1 статор 2 и ротор 3, отводящий продукты помола патрубок 4 и подводящий патрубок 5 (фиг. 1, 3). Ось 6 ротора 3 соединена через приводной ремень с электродвигателем 7. Статор 2 и ротор 3 представляют собой сборки из плоских колец 8, 9, проставок 10, 11 (фиг. 3, 6),  проставок 10а (фиг. 5, 6) и проставок 11а (фиг. 6) соответственно, изготовленных из листовой стали и зафиксированных болтами 12 (фиг. 3). Статор 2 может выполняться без проставок и может быть сформирован не набором плоских колец, а может быть, например, цельным.
На обращенных друг к другу поверхностях ротора 3 и/или статора 2, образованы прорези, в которых расположены мелющие элементы.  Так, в кромках плоских колец 8 статора 2 выполнены прорези 13 для расположения в них мелющих элементов 14 и отверстия 16 (фиг.5, 8) для установки в них выступов 17 проставок 10 (фиг. 3, 7). В кромках плоских колец 9 ротора 3 выполнены прорези 18 для прохождения через них мелющих элементов 15 и отверстия 19 (фиг.5, 9) для установки в них выступов 17 проставок 11 (фиг. 3, 7). Мелющие элементы 14, 15 (фиг.5, 6) располагаются в соответствующих прорезях 13, 18, плоских колец 8, 9 (фиг. 5, 8, 9).
На обращенных друг к другу поверхностях ротора и/или статора образованы выемки 29. На рисунках показан вариант с выемками 29 на роторе 3 и на статоре 2, при этом используются проставки 10, 11, формирующие выемки 29, в которых, при работе вихревой мельницы,  образуются вихревые карманы 24. Проставки 10, 11 замыкают  объем изнутри выемки, формируя тем самым, совместно с мелющими элементами 14, 15, по образующей, и кольцами, в осевом направлении, вихревые карманы 24, в которых, при вращении ротора 3 образуются вихри обрабатываемого материала с транспортным газом (фиг. 10).
Используются проставки двух типов. Расстояние между плоскими пластинами 8, 9 статора и ротора в осевом направлении задают проставки 10 и 11, формирующие совместно с мелющими элементами 14, 15 и этими плоскими пластинами вихревые карманы (проставки, формирующие вихревые карманы). Длину полученных вихревых карманов легко варьировать, так как она задается высотой проставок 10, 11. Проставки 10а и 11а (фиг. 6), кольцевые, необходимы для жесткости конструкций статора 2 и ротора 3 (кольцевые проставки), изготавливаются той же высоты, что и проставки 10 и 11 (фиг. 6).
Использование проставок между кольцами снижает металлоемкость вихревой мельницы и ее вес. В результате уменьшения веса снижается нагрузка на опорные подшипники ротора, что приводит к уменьшению их износа и снижает требования, предъявляемые к подшипникам и прочностным характеристикам всей конструкции.
Мелющие элементы установлены с возможностью радиального перемещения, для этого, они соединены с толкателями, один конец которых посредством штифта входит в зацепление с пазом, концы которого разноудалены от оси ротора, указанный паз выполнен в торцовом кольце, установленном с возможностью поворота. Положение мелющих элементов 14 в статоре 2 фиксируется в отверстиях внутренних концов толкателей 20 (фиг. 4, 5, 6). Второй наружный конец толкателей 20 установлен с возможностью взаимодействия посредством штифта с вспомогательными, торцовыми кольцами 8а, 8б статора 2.  Вспомогательные, торцовые кольца 8а, 8б, верхние и нижние, установлены с возможностью синхронного поворота вокруг оси ротора 3. Благодаря этому, совместно с толкателями 20, они образуют механизм регулировки зазора между мелющими элементами 14, 15. Для отведения внутренних концов толкателей 20 с мелющими пластинами 14 в направлении от центра в торцовых кольцах  8а  выполнены пазы 21 с разноудаленными от центра концами, которые воздействуют через штифты на наружные концы толкателей 20 при вращении вспомогательных торцовых колец 8а, 8б по часовой стрелке (фиг. 4). Для перемещения мелющих пластин 14 к центру статора 2 в торцовых кольцах 8б вырезаны эксцентричные упоры 22, воздействующие через штифты на наружные концы толкателей 20 при вращении торцовых колец 8а, 8б  против часовой стрелки. Положение мелющих элементов 15 в роторе 3 фиксируется пластинами 23 (фиг. 4, 5, 6)
Преимущественно, ротор 3 и статор 2 содержат, по меньшей мере, по два плоских кольца с прорезями, образующими с мелющими элементами и проставками одну ступень размола. Количество ступеней выбирается исходя из требуемых параметров размола (длительности пребывания размалываемого материала в мельнице). Длина вихревых карманов 24  в разных ступенях размола может быть сделана разной, путем использования разной высоты проставок для каждой ступени, если это потребуется для улучшения качества размола.
Изготовление вихревой мельницы начинается с изготовления плоских колец 8, 9, проставок 10, 10а, 11, 11а, толкателей 20, торцовых колец 8а и 8б, фиксирующих пластин 23 для ротора 3 и статора 2 на универсальном оборудовании для листового кроя металла. После этого всем проставкам требуется придать нужную форму. Сборка статора 2 и ротора 3 производится на одной станине. Статор 2 собирают последовательно, устанавливая между плоских колец 8 проставки 10 и 10а, на станине и стягивают кольца болтами 12 (фиг. 3), крепящими всю конструкцию статора 2. На станине же, внутри статора 2, устанавливают вал 6 на подшипниковых опорах (фиг. 3). На одном конце вала аналогично статору 2 собирают ротор 3. В процессе сборки, до установки верхнего фиксирующего торцового плоского кольца 23 ротора 3 и верхних толкателей 20 статора 2 устанавливаются мелющие пластины 14, 15 (фиг. 5). Длину рабочей зоны мельницы,  зазор между мелющими пластинами 14, 15, зазор между статором 2 и ротором 3, количество ступеней размола, размеры и конфигурацию вихревых карманов 24 (фиг. 10), устанавливают в зависимости от физических свойств размалываемого материала, заданной степени помола, фракции размалываемого материала и производительности мельницы. Например, для размола кусочков бумаги размерами от 10*10 мм до 20*20 мм, размеры вихревого кармана 24 не должны быть меньше 4 сантиметров по длине и меньше 6 сантиметров по ширине, для обеспечения возникновения вихря с размалываемым материалом. С другой стороны, при увеличении количества вихревых карманов 24 по рабочим сторонам ротора 3 и статора 2 общая производительность мельницы будет расти. Поэтому ширина вихревых карманов 24 выбирается исходя из необходимых показателей производительности и качества размола. С торцов статора 2 устраивают подводящие и отводящие обрабатываемый материал каналы 5 и 4 (фиг. 1).
В процессе работы мельницы, ротору 3 (фиг. 1) придается вращение, в отводящем канале создается разряжение, в подводящий канал подается обрабатываемый материал. Обрабатываемый материал поступает в зазор между ротором 3 и статором 2 и формирует с транспортным газом (воздухом) псевдоожиженный слой 25 (фиг. 12). Кольца, проставки и мелющие элементы образуют выемках ротора 3 и статора 2 вихревые карманы  24 (фиг. 10), в которых при вращении ротора 3 образуются вихри размалываемого материала 26. При перемещении вихревых карманов относительно друг друга при вращении ротора 3, вихри 26 размалываемого материала ударяют в псевдоожиженный слой 25, а в определенные промежутки времени ударяют друг в друга в зоне повышенного давления, точке 27 (фиг. 10). Также при вращении вихрей образуются зоны низкого давления 28.
Перепады давления, при образовании вихрей и в роторе 3 и статоре 2, удваиваются по сравнению с конструкциями, где вихревые полости сделаны только с одной стороны псевдоожиженного слоя, что положительно влияет на эффективность работы мельницы. Плоские кольца 8, 9 образуют преграды, разделяющие вихревые карманы 24 в осевом направлении для увеличения времени нахождения материала в зоне обработки – псевдоожиженном слое 25. Для увеличения производительности мельницы достаточно пропорционально увеличить ее длину и повысить разрежение на ее выходе для увеличения скорости прохождения размалываемого материала через псевдоожиженный слой рабочей зоны. Количество соударений частицы материала при прохождении рабочей зоны в таком случае останется неизменным, поэтому качество размола не пострадает, а производительность пропорционально вырастет.
Изготовление ротора и статора вихревой мельницы из листовой стали отличается высокой технологичностью и низкой себестоимостью за счет использования универсального оборудования для раскроя листового металла. Проставки между плоскими кольцами возможно изготавливать также из листовой стали, с минимальной механической обработкой перед сборкой. Использование проставок, а не колец с выемками, как в известной из патента RU2562542 вихревой мельнице, обеспечивает необходимые свойства вихреобразования для эффективного помола.