ШАРОВАЯ МЕЛЬНИЦА С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ДЕБАЛАНСА
BALL CRUSHER WITH SPATIAL COMPENSATION OF IMBALANCE

Изобретение касается шаровой мельницы с как минимум двумя расположенными на опорной плите держателями стаканов, в каждом из которых в горизонтальном положении закреплен стакан, при этом в стаканы загружены шарики в качестве мелющих тел, и с приводом, который приводит во вращательное движение держатели стаканов.
Шаровая мельница с описанными выше свойствами известна по заявке на патент WO 2009/026990 A1. У указанной шаровой мельницы, в отличие от широко применяемых планетарных мельниц, как, например, описано в заявке на патент DE 19712905 C2, вследствие расположения стаканов горизонтально или под наклоном до 60 градусов к горизонтали относительно продольной оси траектории, движения шариков внутри стакана изменяются таким образом, что торцевые концы стаканов также становятся мелющими и ударными плоскостями, участвующими в процессе измельчения. При этом, с одной стороны, во время процесса измельчения вследствие вращения стакана на шарики периодически действует компонента силы/движения в направлении боковых стенок стакана, в то время как с другой стороны вследствие горизонтального расположения стакана другая компонента силы/движения действует в направлении концов стакана на шарики. Таким образом достигается эффект, когда во время движения шариков по боковым стенкам стакана получается преимущественно трущее воздействие, а при попадании шариков на концы стакана на измельчаемое вещество действует ударная сила. Одновременно с этим вследствие движения шариков в направлении продольной оси измельчительной камеры, измельчаемое вещество лучше перемешивается, поскольку частицы измельчаемого вещества подвергаются воздействию одновременно, что приводит к повышению эффективности измельчения. Относительное воздействие компонент трения и удара может изменяться посредством настройки или выбора длины стаканов, а также диаметра стаканов по отношению к диаметру колебательного контура, а также диаметра и удельной массы шариков.
Поскольку оба держателя стаканов и закрепленные в них стаканы располагаются на общей опорной плите, то предлагается привод с использованием, например, пружинного вибратора, с помощью которого опорная плита будет вовлечена в круговое движение, то есть оба держателя стаканов будут двигаться по этой круговой траектории. У известного типа шаровой мельницы есть недостаток, состоящий в том, что круговое движение, получаемое при использовании пружинного вибратора, является слишком неопределенным по отношению к траекториям движения шариков внутри каждого стакана.
Изобретение исходит из поиска решения задачи улучшения конструкции, описанной вначале таким образом, чтобы стаканы выполняли определенное и строго направленное круговое движение, чтобы получался точно повторяемый режим движения шариков.
Решение этого вопроса заключается в исключительно удобной конструкции и доработке изобретения, которое описано в заявке на патент, их объяснение приведено ниже.
Основной идеей изобретения является то, чтобы каждый из соответствующих парных держателей стаканов совершал равномерное принудительное круговое движение параллельно плоскости опорной плиты относительно оси симметрии эксцентриковых валов, размещенных на противоположных концах противолежащих стаканов, причем каждый из эксцентриковых валов, проходящих через раму машинной группы и соединенных с соответствующим держателем стакана, содержит противовес, находящийся под опорной плитой и выступающий в качестве балансира массы для держателя стакана, соединенного с эксцентриковым валом, при этом он расположен на стороне эксцентрикового вала, противолежащей соединению с держателем стакана относительно продольной линии эксцентрикового вала, и чтобы у обоих держателей стакана эксцентриситет обоих соединенных с ними эксцентриковых валов был равный, чтобы противовесы располагались на сторонах, противолежащих друг другу относительно продольной оси стакана, а держатели стаканов участвовали в противофазном круговом движении навстречу друг другу посредством привода.
Для этого необходимо настроить такой режим движения, при котором стаканы двигались бы по маленьким круговым траекториям, причем отношение диаметра круговой траектории, с одной стороны, и длина стакана, с другой стороны, были подобраны таким образом, чтобы значительная часть работы по измельчению в закрепленном стакане осуществлялась посредством ударения измельчаемого материала и мелющих тел о концы стакана. Из применения эксцентриковых валов также вытекает проблема, что при эксплуатации шаровой мельницы появляются неизбежные силы и моменты дебаланса, которые необходимо компенсировать. Решение, в соответствии с которым силы дебаланса, возникающие на уровне движения стаканов, компенсируются расположением двух держателей стаканов, вращаемых навстречу друг другу и в противофазе, является в данном случае недостаточным. В соответствии с конструкцией, предусматривающей привод от эксцентриковых валов, моменты дебаланса возникают вследствие того, что держатели стаканов, соединенные с верхними концами эксцентриковых валов, с зажатыми в них стаканами генерируют соответствующие вращательные моменты вокруг оси, которая находится в центре, между держателями стаканов, на том самом уровне, на котором движутся держатели стаканов. Эти моменты вращения изменяют направление воздействия с частотой, равной частоте вращения стаканов, которые производят вращательные колебания, и эти колебания компенсируются в соответствии с концепцией изобретения с помощью дополнительного балансирования на каждом эксцентриковом валу в области, которая находится под держателем стакана. Для этого на эксцентриковом валу размещается противовес, который устанавливается на примыкающей области держателя стакана, на верхнем конце расположенного там эксцентрикового вала, точнее с той стороны вала, которая лежит напротив продольной оси эксцентрикового вала. Дополнительные моменты дебаланса обусловлены тем, что центробежная сила, возникающая на держателе стакана, который соединен с концом эксцентрикового вала, с одной стороны, и центробежная сила, возникающая на противовесе, соединенном с другим концом эксцентрикового вала, с другой стороны, создают вращательный момент вокруг осей, движущихся в горизонтальной плоскости. Эти моменты дебаланса вращаются по мере вращения стаканов и противовесов вокруг вертикальной оси на уровне движения стаканов.
В соответствии с концепцией изобретения, проблема пространственного дебаланса и одновременной компенсации сил и моментов дебаланса решается таким образом, что не только силы дебаланса, которые возникают вследствие вращательного движения держателя стакана, компенсируются тем, что устанавливается второй держатель стакана, вращаемый в противоположном направлении и в противофазе, но, кроме этого, противовесы, которые замещают эксцентриковые оси на держателях стаканов в процессе вращения, расположены таким образом, что они также компенсируются моментами дебаланса, возникающими вследствие компенсации сил дебаланса на уровне держателей стаканов.
В рамках данного изобретения "лежачее" расположение стаканов определяется таким же образом, как и в родовой формуле изобретения WO 2009/026990 А1, то есть как горизонтальное или наклоненное до 60 градусов по отношению к горизонтали расположение.
Поскольку данное изобретение распространяется главным образом на расположение двух стаканов, возможна также и конструкция изобретения с количеством стаканов, кратным двум, например, с четырьмя или шестью стаканами.
Поскольку в рамках конструкции изобретения каждый держатель стаканов соединен с двумя эксцентриковыми валами, которые расположены на противоположных сторонах держателя стакана симметрично относительно оси закрепленного стакана, в альтернативных примерах конструкции изобретения может быть предусмотрено, чтобы каждый держатель стаканов соединялся с двумя эксцентриковыми валами, лежащими друг напротив друга относительно продольной оси стакана, или в качестве альтернативы, чтобы каждый держатель стакана был подсоединен к двум эксцентриковым валам в области обеих торцевых концов стакана.
В соответствии с примером конструкции изобретения можно предусмотреть, чтобы каждый держатель стакана состоял из нижней части, связанной с обоими эксцентриковыми валами с обеих противолежащих сторон, симметрично относительно оси стакана, лежащей горизонтально или под наклоном относительно горизонта, а также из верхней части, соединенной с нижней частью и прижимающей стакан сверху.
Шаровые мельницы также характеризуются затратами энергии, которая используется в ходе процесса измельчения, поскольку не должно происходить чрезмерного недопустимого нагревания измельчаемого вещества. Таким образом, вследствие нагрева измельчаемого вещества, например, при измельчении пластмассы, может быть превышена температура стеклования или температура размягчения пластмассы, что может привести к приклеиванию вещества к измельчительной камере или к его шлакованию в ней. Поскольку желательным является охлаждение измельчительной камеры или стаканов, привод обоих стаканов из концепции изобретения представляет собой хорошую возможность обеспечения охлаждения стаканов через эксцентриковые валы. В частности, в соответствии с примером конструкции, предусмотрено, что для обустройства охлаждения стакана во время процесса измельчения оба эксцентриковых вала, связанные с держателем стакана, имеют полый вал для прохождения через него хладагента, а держатель стакана, в котором зажат стакан, герметично соединен с обоими эксцентриковыми валами и имеет сквозные полости, и тем, что эксцентриковый вал, соединенный с держателем стакана, соединен с отверстием подачи хладагента, а через другой эксцентриковый вал, соединенный с держателем стакана, - с отверстием выхода хладагента.
Кроме того, далее можно предусмотреть, чтобы нижняя часть держателя стакана имела в местах примыкания, которые охватывают соответствующие концы обеих эксцентриковых валов, а также в средней области, которая является опорой для закрепленного стакана, полости для прохождения через них хладагента, в то время как еще можно предусмотреть, чтобы верхняя часть держателя стакана, перекрывающая стакан, имела, по крайней мере, одну полость для прохождения через нее хладагента, которая была бы соединена с полостями областей примыкания нижней части, в средней части, лежащей на стакане.
Охлаждение стакана или держателя стакана, описанное выше, посредством пропускания хладагента через эксцентриковые валы, может быть реализовано на любых типах мельниц, в которых в качестве привода используются или могут использоваться эксцентриковые валы. Поскольку применение вышеописанного принципа изобретения не ограничивается конструкцией шаровой мельницы с горизонтально расположенными стаканами, этот принцип может применяться на всех мельницах с приводом в виде эксцентриковых валов.
Кроме того, можно предусмотреть, чтобы концы стакана, закрепленного горизонтально или под наклоном, имели такую конструкцию, чтобы, например, стакан имел цилиндрическую форму при изображении его в разрезе.
Альтернативно можно предусмотреть, чтобы торцевые концы стакана имели сферическую форму.
Поскольку при реализации изобретения необходимо достигнуть такого значения масс стаканов и держателей, с одной стороны, и эксцентриковых валов с расположенными на них противовесами, с другой стороны, чтобы при наполнении стакана измельчаемым веществом и, соответственно, шариками, не возникало воздействий на установленную систему компенсации дебаланса, в примере конструкции изобретения также можно предусмотреть, чтобы противовес, расположенный на эксцентриковом валу под держателем стакана, можно было регулировать в зависимости от массы держателя и закрепленного в нем стакана. В наиболее простом случае регулировка может осуществляться навешиванием дополнительного груза. Следующий вариант заключается в радиальном смещении центров масс эксцентрично расположенных противовесов.
В рамках изобретения имеет смысл применение вытянутых в длину стаканов, у которых длина при условии вытягивания по длине и, таким образом, расстояние между концами стакана в любом случае больше, чем диаметр области, лежащей между концами стакана. При таких условиях реализация изобретения может включать различные формы стаканов. Таким образом, можно предусмотреть, чтобы соответствующие стаканы имели поперечное сечение круга или эллипса, или многоугольника с закругленными углами, причем последний из названных примером конструкции может иметь закругленные углы соответствующего стакана при применении в стакане таких мелющих тел, радиус которых соответствует радиусу закругления углов. Другие формы стаканов также возможны, например, стакан может иметь эллиптическое продольное сечение.
В рамках изобретения можно предусмотреть, чтобы эксцентриситет соединений держателя стакана с обоими эксцентриковыми валами был настолько большим, чтобы в таком случае движение держателя стакана с закрепленным в нем стаканом было круговым, причем продольные оси стаканов, закрепленных в разных держателях стаканов, при любых положениях стакана во время прохождения своей траектории оставались параллельными между собой.
В качестве альтернативы, можно предусмотреть, чтобы эксцентриситет соединений держателя стакана с обоими эксцентриковыми валами был различным, чтобы в области примыкания эксцентрикового вала держателя стакана с меньшим эксцентриситетом происходило вращательное движение, а на противоположной стороне держателя стакана эксцентриковый вал с большим эксцентриситетом приводил закрепленный стакан в колебательное движение. В таком случае в движение приводится только эксцентриковый вал с меньшим эксцентриситетом, а другой эксцентриковый вал просто следует первому.
Поскольку оба эксцентриковых вала, соединенных с держателем стакана, одним концом жестко соединены с соответствующим держателем стакана, а также жестко соединены между собой, то вследствие наличия производственных и монтажных допусков не обеспечивается то, что свободные нижние концы эксцентриковых валов, которые необходимо соединить с приводным механизмом, например, посредством зубчатого ремня или цепи, соответственно, находятся в зацеплении с приводным механизмом, не испытывая при этом напряжения, и система в таком случае имеет лишние детали. Чтобы избежать заклинивания эксцентриковых валов и приводного ремня, в одном примере конструкции изобретения предусмотрено, что оба эксцентриковых вала, соединенные с держателем стакана, приводятся одним приводным механизмом, и у обоих эксцентриковых валов между валом и приводным механизмом имеются зазоры.
В частности, можно предусмотреть конструкцию таким образом, что на конце эксцентрикового вала, лежащем напротив держателя стакана, расположено зубчатое колесо, а приводной двигатель также содержит зубчатое колесо, которое в процессе вращения входит в зацепление с зубчатым ремнем, в то время как у одного из двух зубчатых колес для образования зазора ширина выемок зубчатого колеса больше, чем ширина зубцов установленного зубчатого ремня. Это касается, в частности, случая, когда все эксцентриковые валы держателей стаканов, расположенных на одной опорной плите, приводятся от одного зубчатого ремня, и если один из двух эксцентриковых валов, соединенных с одним и тем же держателем стакана, имеет зазор.
На чертежах изображен пример конструкции изобретения, который описан ниже. На фигурах изображено следующее:
Фиг. 1 - шаровая мельница с двумя держателями стаканов с деталями в перспективе,
Фиг. 2 - держатель стакана с закрепленным в нем стаканом в схематичном виде сбоку,
Фиг. 3а-с - вид эксцентриковых валов, соединенных с обоими держателями стаканов, включая приводной механизм, снизу.
Шаровая мельница 10, общий вид которой изображен на Фиг. 1, имеет один (не полностью изображенный на чертеже) корпус 11, на верхней стороне которого расположена опорная плита 12 для двух установленных на ней держателей стаканов 13, в каждом из которых закрепляется по одному стакану. Каждый держатель стакана 13 состоит из нижней части, которая содержит два соединительных узла 16, расположенных снаружи друг напротив друга, и находящейся между ними средней области 15, образующей опорную плоскость для закрепляемого стакана. На соединительный узел 16 положена верхняя часть 17, которая перекрывает среднюю область 15 держателя стакана 13, и подвижно крепится к соединительному узлу 16 посредством поворотной оси 18, закрепленной на последнем, в то время как в рамках изображенного примера конструкции верхняя часть 17 может блокироваться со стороны, которая лежит напротив ее поворотной оси 18, зацеплением стопорного механизма 19 за другой соединительный узел 16 нижней части 14 посредством стопорного рычага 20. Альтернативно можно также применять стопорный механизм, работающий по принципу винтового соединения, например закручиваемый зажимной механизм с соответствующей зажимной скобой. Верхняя часть 17 держателя стакана 13 перекрывает среднюю область 15 нижней части 14, которая образует опорную плоскость для стакана, в том числе и средней частью 22, причем средняя область 15 нижней части 14, как и средняя часть 22 верхней части 17 имеет форму внешнего контура стакана, закрепляемого в держателе стакана 13.
На опорной плите 12 корпуса 11 расположен выступающий вверх двигатель 21, который приводит в движение оба держателя стакана 13, расположенных на опорной плите 12, с помощью предусмотренного под опорной плитой 12 приводного механизма.
Как видно из общего вида, представленного на Фиг. 1 и 2, по два эксцентриковых вала 25 служат в качестве привода для каждого из двух держателей стаканов 13, каждый из которых подсоединен к соединительным узлам 16 каждого из держателей стаканов 13, будучи связанными таким образом. Соответственно, у каждого эксцентрикового вала 25 есть один приводной участок 26, который находится под опорной плитой 12, и рабочий участок 27, который находится над опорной плитой 12 и закреплен в соответствующем соединительном узле 16 держателя стакана 13. Участки 26 и 27 каждого эксцентрикового вала 25 расположены со смещением друг относительно друга для образования эксцентриситета, причем в приведенном примере конструкции у них одинаковый эксцентриситет. При этом для закрепления приводного участка 26 эксцентрикового вала 25 под опорной плитой расположено по подшипнику 29, в то время как между рабочими участками 27 эксцентриковых валов 25 и соответствующими соединительными узлами 16 примыкающей нижней части 14 каждого держателя стакана 13 предусмотрены подшипники 30.
Как далее видно из Фиг. 2, на среднюю область 15 примыкающей нижней части 14 держателя стакана 13 положен стакан 23, который закреплен в держателе стакана 13 с помощью верхней части 17, которая перекрывает нижнюю часть 14 держателя стакана 13.
Когда оба приводных участка 26 обоих эксцентриковых валов, имеющих одинаковый эксцентриситет, благодаря приводному механизму, который вращает двигатель 21, смещаются друг относительно друга по мере вращения, то закрепленный стакан 23, лежащий в примыкающем к нему держателе стакана 13, движется по круговой траектории, поскольку оба соединительных узла 16 держателя стакана 13, каждый из которых примыкает к эксцентриковому валу 25, самостоятельно совершают круговое движение. Поскольку на опорной плите 12 расположены два держателя стаканов 13 с закрепленными в них стаканами, направления движения обеих стаканов по соответствующим круговым траекториям имеют противоположные фазы движения и противоположное направление таким образом, что при работе шаровой мельницы 10 над опорной плитой 12 действует противоположное уравнивание центробежной силы, действующей на держатели стаканов 13 с закрепленными в них стаканами 23.
Поскольку благодаря такому размещению центробежные силы находятся на одном уровне, на котором поворачиваются держатели стаканов, и компенсируют друг друга, но вертикальные моменты с переменным направлением вращения все же остаются на этом уровне, дополнительно каждый эксцентриковый вал 25 в его приводном участке 26, который находится под опорной плитой 12, оснащен противовесом 28, который противоположен рабочему участку 27 эксцентрикового вала 25, находящемуся над опорной плитой 12, с соединительным узлом 16 держателя стакана 13 относительно продольной оси каждой отдельной стороны, лежащей напротив эксцентрикового вала 25. Таким образом, на каждом отдельном эксцентриковом валу 25 при круговом движении подсоединенного к нему держателя стакана 13 осуществляется выравнивание сил, которое вследствие того, что два движущихся навстречу друг другу в противофазе приводимых держателя стаканов 13 вместе с подсоединенными к ним эксцентриковыми валами 25 имеют одинаковую конструкцию, одновременно получают вышеописанный момент относительно вертикали на уровне, на котором вращаются держатели стаканов 13, и компенсируют друг друга, а моменты на осях, которые лежат на этом уровне, возникают, прежде всего, из-за того, что их генерируют центробежные силы держателей стаканов 13 и противовесов 28.
Чтобы осуществлять охлаждение стакана во время работы шаровой мельницы, оба эксцентриковых вала 25 выполнены полыми с внутренним каналом 31. Соответственно, в двух лежащих друг напротив друга соединительных узлах 16, а также в связывающих их средней области 15 нижней части 14 каждого держателя стакана имеется по полости 32, которая с использованием уплотнительного элемента 33, который зафиксирован на верхнем конце каждого эксцентрикового вала 25, и уплотнительной поверхности 34, выполненной на держателе стакана 13, в качестве уплотнительного элемента, противолежащего уплотнительному элементу 33, сообщается с каналом 31 обоих эксцентриковых валов 25. Таким образом, газообразный или жидкий хладагент, подаваемый в один из двух эксцентриковых валов 25, может также перетекать через прилегающий эксцентриковый вал 25 и полости 32, которые имеются в нижней части 14, до противолежащего эксцентрикового вала 25, подключенного к держателю стакана 13, и также попадать в этот эксцентриковый вал. Соответственно, на представленном примере конструкции, на нижнем конце левого эксцентрикового вала 25 есть отверстие подачи хладагента 36, а на нижнем конце правого эксцентрикового вала 25 есть отверстие отвода хладагента 37. Благодаря соответствующей конструкции средней области 22 верхней части 17 каждого держателя стакана 13 с полостью 35 внутри, а также ее соединению с полостями 32 нижней части 14, а также верхней части 17 каждого держателя 13 обеспечивается протекание подаваемого хладагента, подаваемого из нижней части 14 держателя стакана. Таким образом, стакан 23 подключен к охлаждаемым элементам конструкции, то есть в стакане 23 в процессе измельчения ограничивается существующий температурный уровень.
На Фиг. 3а представлена концепция привода для изобретения, при которой кольцеобразный зубчатый ремень 39, приводимый приводным зубчатым колесом 40, обеспечивает вращение всех четырех эксцентриковых валов 25 для обоих держателей стаканов, описанных на Фиг. 1 и 2. Здесь зубчатый ремень 39, входящий в зацепление с приводным зубчатым колесом 40, проходит через направляющие ролики 42 и зацепляет зубчатое колесо, расположенное на каждом из концов эксцентрикового вала 25, причем зубцы 43 зубчатого ремня 39 зацепляют выемки 44 в зубчатом колесе. Чтобы предотвратить заклинивание эксцентриковых валов и зубчатого ремня 39 при эксплуатации, предусмотрено, что на одном из двух эксцентриковых валов 25 между эксцентриковыми валами и зубчатым ремнем 39 будет обеспечен компенсационный зазор 38. Как видно из Фиг. 3b, на одном из двух зубчатых колес 41 ширина выемок 44 больше, чем ширина зубцов 43 зубчатого ремня 39, поэтому получается желаемый компенсационный зазор 38. И напротив, согласно Фиг. 3с, на другом эксцентриковом валу, который подсоединен к тому же держателю стакана 13, происходит полное зацепление зубцов 43 зубчатого ремня 39 с прорезями 44 соответствующего зубчатого колеса 41. Такая же конфигурация обеспечена и для обоих эксцентриковых валов 25 второго держателя стакана, что не показано на фигурах.
Свойства изобретения из описания, приведенной ниже формулы изобретений, обзора и чертежей можно применять как по отдельности, так и в любой комбинации с другими свойствами в различных конструктивных формах.