Вибрационная резонансная роликовая мельница

Устройство относится к вибрационным машинам для измельчения, истирания различных материалов и может быть использовано в горнорудной, строительной и других отраслях промышленности.
Известны вибрационные планетарные измельчители, истиратели проб, вибрационные роликовые мельницы, состоящие из помольных камер, дебалансных вибраторов, измельчительного ролика. В таких аппаратах измельчение происходит за счет раздавливания материалла измельчающим телом, совершающим планетарную обкатку по стенкам рабочей камеры. Существенным недостатком таких машин являются трудности при выборе конструктивных параметров и условий, связанных с устойчивостью синхронных движений дебалансов и измельчающих тел [Рудин А.Д., Финкельштейн Г.А.   О возможности и перспективах развития вибрационного измельчения в обогащении руд  // Обогащение руд.‒ 1977.‒ №6, с. 27-30].
В качестве прототипа принят планетарный измельчитель, содержащий корпус, связанный с неподвижным основанием пружинами, цилиндрическую рабочую камеру, измельчитель и дебалансный вибровозбудитель [Пановко Г.Я. Динамика вибрационных технологических процессов.‒ М.‒Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006.‒ 176 с., с. 157, рис. 6.8].
Недостатком данного измельчителя является зарезонансная настройка рабочего режима колебаний. В этом случае потребляемая мощность, даже при небольших амплитудах колебаний несущего тела, может быть весьма значительной. Потребляемая мощность пропорциональна половине произведения квадрата угловой скорости дебаланса, его статического момента и амплитуды колебаний несущего тела. Очевидно, что зарезонансный режим вынужденных колебаний сопровождается нерациональным расходом энергии. Для обеспечения устойчивой обкатки измельчителя необходимо увеличение амплитуды колебаний несущего тела. Это достигается увеличением статического момента дебаланса (увеличением его массы и/или эксцентриситета), что, в свою очередь, снижает надежность дебалансного привода. Настройка таких машин на резонансный (энергосберегающий) режим вынужденных колебаний не приводит к желаемому результату. Это объясняется крутизной амплитудно-частотной характеристики и малой величиной резонансной зоны, поэтому даже небольшие изменения технологической нагрузки  выводят машину из резонансного режима. Но даже в резонансном режиме работы коэффициент полезного действия дебалансного вибропривода составляет всего 50% [Асташев В.К., Бабицкий В.И. и др. Динамика машин и управление машинами: Справочник / Под ред. Г.В. Крейнина. М.: Машиностроение, 1988, 239 с.], что вынуждает повышать установочную мощность привода. Повышение установочной мощности приводит к повышению как полной мощности, потребляемой из сети, так и энергоемкости машины в целом.
Целью предлагаемого устройства является устранение недостатков прототипа, а также повышение устойчивости и надежности работы мельницы.
Эта цель может быть достигнута использованием параметрического  резонансного режима колебаний, являющегося наиболее энергетически эффективным [Антипов В.И., Асташев В.К. О принципах создания энергосберегающих вибрационных машин // Проблемы машиностроения и надёжности машин. 2004. –№4. –   с. 3-8. Кошелев А.В. Экспериментальное исследование эффективности работы параметрического резонансного привода // Фундаментальные исследования. 2014. – №11, часть 5. – с. 996-999].
Техническим результатом устройства является снижение энергозатратности, а также повышение надежности и ресурса мельницы.
1
2
1
x
y
Технический результат достигается тем, что средством для возбуждения и поддерживания рабочих резонансных колебаний мельницы является пара самосинхронизирующихся параметрических вибровозбудителей, между которыми встроена помольная камера с размольным телом, установленных на общем рабочем органе,  соединенным изотропными упругими связями с неподвижным основанием. Резонансная настройка рабочего режима колебаний определяется из соотношения комбинационного параметрического резонанса ω=λ+λ, ω – усредненная частота параметрического возбуждения, λ=νω – парциальная собственная частота качаний осцилляторов инерционного элемента (ИЭ) параметрического возбудителя, ν – безразмерный параметр, определяющий собственную частоту качаний осцилляторов во вращающейся системе координат (0<ν<1). Для обкатки размольного тела по внутренней поверхности помольной камеры жесткость упругой системы выбирается изотропной C=C=C, тогда собственная парциальная частота рабочего органа   соответствует круговой форме колебаний, M – общая масса мельницы.
Схема вибрационной резонансной роликовой мельницы изображена на фиг. 1.  На фиг. 2 показана схема ИЭ параметрического вибровозбудителя [Антипов В.И. Вибровозбудитель: Патент №2072661 РФ МКИ    В06В 1/16 // Бюл. №3, 1997].  Механизм ИЭ выполнен в виде роторно-маятниковой системы. Пара параметрических вибровозбудителей 1 симметрично установлены на рабочем органе 2, роторы которых вращающаются в одинаковых направлениях. Рабочий орган мельницы связан с неподвижным основанием 6 изотропной упругой подвеской 5, обеспечивающей возможность поступательного перемещения рабочего органа по любым направлениям плоскости, задаваемой осями x, y. Равномерное вращение роторов параметрических вибровозбудителей приводит к колебаниям маятников 10 по беговым дорожкам 9 каждого диска 8 с собственными частотами , .
1
2
2
2
1
2
При настройке , , ν=0.25 и выполнении порогового условия , где ‒ коэффициенты линейного демпфирования маятников и рабочего органа соответственно, самовозбуждается многократный комбинационный параметрический резонанс. Колебательная система вибромашины синхронизируется на частотах  где  некратные частоты генерации. Вследствие синхронизации маятников ИЭ по феномену Гюйгенса центр масс подсистемы маятников качения обращается вокруг осей приводных валов (роторов) с частотами и , описывая окружности в плоскости вращения ИЭ. При совместной работе параметрических вибровозбудителей с близкими парциальными угловыми скоростями ω, ω осуществляется их самосинхронизация по типу неуравновешенных роторов. В результате устанавливается синхронный режим, при котором общий центр масс качающихся маятников ИЭ («невидимый дебаланс») каждого из вибровозбудителей вращается вокруг их осей с одинаковой угловой скоростью Ω≈λ в одинаковых направлениях, сообщая несущему телу поступательные круговые колебания, которые вызывают резонансные колебания маятников ИЭ. При ν=0.25  на 25% ниже угловых скоростей ω, ω вращения роторов параметрических вибровозбудителей.  Синхронный режим вращения «невидимых дебалансов» обеспечивается резонансным воздействием на них со стороны рабочего органа.
2
2
об
2
2
вр
При совместной работе вибровозбудителей настройка колебательной системы на резонансные колебания приобретает вид  ν=0.25, где  усредненное значение угловых скоростей вибровозбудителей, ,  Поскольку Ω≈λ, то неуравновешенная центробежная сила инерции возбуждает резонансные колебания рабочего органа, которые, в свою очередь, возбуждают планетарную обкатку размольного тела 3 по внутренней поверхности помольной камеры 4 с угловой скоростью ω=λ≈Ω, совершая собственное вращение ω. Обкатка размольного тела по внутренней поверхности помольной камеры создает дополнительную центробежную силу, которая позволяет поддерживать резонансный режим работы и, тем самым, возвращать в колебательную систему часть затраченной энергии.
Измельчение материала 7 происходит в зазоре между роликом и помольной камерой. Согласованная работа вибровозбудителей достигается самой системой без вмешательства извне и проявляется как результат процесса её самосинхронизации и самоорганизации. В промышленности часто используются вибрационные мельницы с протяженным рабочим органом, возбуждаемым одним мощным вибровозбудителем. Вследствие такой конструкции движение рабочего органа носит характер «паразитных» колебаний. Такие колебания повышают энергопотребление, искажают форму заданной траектории движения помольной камеры, что ведет к нарушению устойчивости синхронных движений рабочего органа и размольного тела.  Исключение «паразитных» колебаний достигается использованием вместо одного мощного несколько маломощных самосинхронизирующихся вибровозбудителей.
Таким образом, использование самосинхронизирующихся резонансных параметрических вибровозбудителей в составе вибрационной роликовой мельницы вкупе с эффектом вибрационного поддержания вращения позволяет получить устойчивые синхронные движения помольной камеры с размольным телом, снизить шум и энергопотребление, повысить надежность и ресурс работы машины в целом.
Анализ показывает, что предлагаемое решение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».