ВИБРАЦИОННАЯ МЕЛЬНИЦА
VIBRATORY MILL

Изобретение относится к измельчению материалов, в частности к вибрационным мельницам, может найти применение в строительной, горнорудной, металлургической, пищевой, химической и других отраслях промышленности.
Широко известны вибрационные мельницы, которые, в общем случае, содержат одну или несколько помольных труб (камер), частично заполненных помольными телами, например шарами, и установленных на единой раме. Рама оборудована одним или несколькими дебалансными виброприводами для возбуждения круговых вибраций помольных труб (камер) и опирается на неподвижное основание через упругие элементы (спиральные пружины, резиновые амортизаторы, металлические рессоры и т.д.). Помольные трубы (камеры) обеспечены средствами загрузки исходного продукта и разгрузки измельченного продукта. Измельчение материала осуществляется помольными телами, перемещающимися под действием вибраций помольной трубы (камеры).
Первые вибрационные мельницы были созданы в середине тридцатых годов прошлого века и в настоящее время получили широкое применение в различных отраслях промышленности, как наиболее эффективные устройства для тонкого измельчения материалов. Применение вибрационных мельниц, по сравнению с другими типами мельниц, позволяет уменьшить расход электроэнергии, повысить производительность, уменьшить износ помольных тел и помольной трубы, использовать помольные тела из различных материалов, достичь высокой тонины помола, получить более чистый конечный продукт, осуществлять процесс измельчения в вакууме, инертной среде, при разных температурах (http://www.akmetech.ru/62/).
Вибрационные мельницы указанного типа широко запатентованы в разных странах. Примерами являются вибрационная шаровая или трубчатая мельница по патенту США US 4164328, вибрационная мельница по патенту США № US 3465974, вибрационная мельница по патенту США № US 3392925, вибрационная мельница барабанного типа по патенту США № US 3295771, горизонтальная вибрационная мельница по патенту США № US 2189849, эксцентриковая вибрационная мельница по европейскому патенту № ЕР 0672469, вибрационная мельница по заявке Японии № JP 11090257 и другие.
Например, горизонтальная вибрационная мельница инерционного типа по патенту США № US 2819849 состоит из цилиндрической помольной трубы, заполненной помольными телами. Помольная труба установлена на неподвижном основании с помощью упругих элементов (пружинных опор) и обеспечена дебалансным виброприводом для возбуждения круговых вибраций трубы. Дебалансный вибропривод выполнен в виде приводного вала, установленного на подшипниках качения в корпусе помольной трубы, и дебалансов, установленных на противоположных концах приводного вала. Приводной вал соединен с электродвигателем через упругую муфту. Ось вращения приводного вала проходит через центр веса колебательной системы.
При вращении приводного вала помольная труба вибрационной мельницы с помольными телами (шарами) и измельчаемым материалом приводится в гармоничное колебательное движение по траектории, близкой к круговой. Поле траекторий всех точек помольной трубы - однородное, поскольку указанные траектории имеют одинаковую форму и одинаковые параметры. Движение шаров в вибрационной мельнице происходит в сторону, противоположную вращению вибровозбудителя. Измельчаемый материал перемещается вдоль корпуса по сложной спирали. При этом шары измельчают материал в результате ударов и истирания.
Круговая циркуляция помольных тел, возникающая за счет однородного кругового или эллиптического поля траекторий движения корпуса помольной трубы, не создает достаточно интенсивного перемешивания помольных тел и измельчаемого материала. Вследствие этого образуются застойные зоны, происходит сегрегация помольных тел и измельчаемого материала, что является существенным недостатком вибрационных мельниц указанного типа. Сегрегация заключается в том, что крупные помольные тела накапливаются в верхней части помольной камеры, а мелкие и измельчаемый материал опускаются вниз. Это резко снижает эффект вибрационного действия помольных тел на измельчаемый материал и эффективность вибрационного измельчения.
Производительность вибрационных мельниц зависит от многих факторов. По результатам исследований и практического применения вибрационных мельниц известно, что определяющими факторами производительности являются частота вибраций (число размалывающих импульсов) при постоянной амплитуде и амплитуда вибраций. С увеличением частоты вибраций (числа размалывающих импульсов) производительность нарастает почти линейно. Повышение амплитуды позволяет распространять размалывающие импульсы от внутренних стенок помольной трубы на большую часть ее рабочего объема.
В известных вибрационных мельницах с круговыми вибрациями повышение производительности за счет увеличения частоты вибраций (числа размалывающих импульсов) и их амплитуды ограниченно из-за постоянно действующих (с периодом гармонических колебаний) больших механических ускорений. Так, в известных высокопроизводительных мельницах ускорения составляет максимум 9д при амплитуде 17 мм, частоте вибраций 960/мин (описание изобретения по выложенной заявке Германии №3224117). Такие, постоянно действующие экстремальные ускорения "вызывают значительные технические проблемы, как при конструировании, так и при эксплуатации вибрационных мельниц. Дальнейшее увеличение производительности вибрационных мельниц указанным путем вряд ли возможно.
В качестве прототип выбрана вибрационная мельница, известная из описания изобретения по выложенной заявке Германии №32224117, МПК В02С 19/16, дата подачи заявки 29.06.1982.
Указанная вибрационная мельница решает задачу повышения производительности путем наложения двух разных круговых вибраций, действующих на помольную трубу. Такое решение обеспечивает возможность работы с повышенными амплитудами и частотами размалывающих импульсов без превышения разумных границ механических ускорений.
В качестве примера описана вибрационная мельница, включающая помольную трубу с помольными телами, соединенную с помощью упругих элементов с неподвижным основанием и снабженную двумя независимыми дебалансными виброприводами. Каждый дебалансный вибропривод выполнен в виде приводного вала с индивидуальным приводом вращения, выполненным с возможностью независимого изменения угловой скорости и направления вращения приводного вала, и дебалансов, установленных на противоположных концах приводного вала со стороны противоположных торцевых стенок помольной трубы. Оси вращения приводных валов расположены в плоскости продольной симметрии помольной трубы и совпадают с продольной осью помольной трубы, то есть проходят через центр веса колебательной системы. Плоскости вращения дебалансов перпендикулярны плоскости продольной симметрии помольной трубы. Помольная труба имеет вход для загрузки в трубу измельчаемого продукта и выход для выгрузки измельченного продукта.
В такой конструкции при выборе соотношения числа оборотов приводных валов (первой n1 и второй n2 гармоник), равном n1:n2=1:2, соотношения центробежных возбуждающих сил, равном F1:F2=2:1, и при условии противоположного направления вращения приводных валов, траектории колебаний всех точек помольной камеры в поперечном сечении представляют собой равносторонние треугольники с вогнутыми сторонами и острыми пиками, как показано на фиг.1 (1а). При вращении приводных валов в одну и ту же сторону траектории колебаний будут иметь вид, показанный пунктирной линией.
При сохранении соотношения числа оборотов, то есть, при n1:n2=1:2, при соотношении центробежных возбуждающих сил, равном F1:F2=4:1, и при условии противоположного направления вращения приводных валов, траектории колебаний всех точек помольной камеры в поперечном пересечении принимают вид равностороннего треугольника без острых пиков, как показано на фиг.1 (16).
При соотношении числа оборотов приводных валов, равном n1:n2=1:3, соотношении центробежных возбуждающих сил, равном F1:F2=3:1, и при условии противоположного направления вращения приводных валов, траектории колебаний всех точек помольной камеры в поперечном сечении напоминают по своей конфигурации квадрат с вогнутыми сторонами и с острыми выступающими углами, как показано на фиг.1 (1в). При одинаковом направлении вращения приводных валов форма вибрации имеет вид, показанный пунктирной линией.
Три произвольно выбранных примера показывают, что наложение двух разных по частоте и направлению круговых вибраций, действующих на помольную трубу, дает возможность получить многообразные формы вибраций помольной трубы, существенно отличающихся от круговых вибраций.
В описании изобретения отмечается, что могут быть получены и другие траектории вибраций в зависимости от выбора соотношений угловых скоростей, центробежных возбуждающих сил и направления вращения приводных валов.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: вибрационная мельница, содержащая помольную трубу с помольными телами, которая установлена с помощью упругих элементов на неподвижном основании и снабжена двумя дебалансными виброприводами, каждый из которых включает приводной вал с.индивидуальным приводом вращения, выполненным с возможностью независимого изменения угловой скорости и направления вращения приводного вала, и дебалансы, установленные на приводном валу.
В вибрационной мельнице, выбранной в качестве прототипа, помольная труба мельницы с помольными телами и измельчаемым материалом под воздействием двух дебалансных виброприводов приводится в бигармоническое колебательное движение по сложным траекториям, отличающимся от траектории круговой вибрации. Однако поле траекторий всех точек помольной камеры однородно, поскольку эти траектории одинаковые по форме и имеют одинаковые параметры. В условиях однородного поля траекторий в объеме помольной трубы образуются застойные зоны, происходит сегрегация помольных тел и измельчаемого материала - крупные помольные тела, накапливаются в верхней части помольной камеры, а мелкие и измельчаемый материал опускаются вниз. Это препятствует интенсивному перемешиванию помольных тел и измельчаемого материала, снижает эффект вибрационного действия помольных тел на измельчаемый материал, то есть ограничивает возможности повышения производительности вибрационной мельницы.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования вибрационной мельницы, в которой за счет генерирования неоднородных полей траекторий бигармонических колебаний помольной трубы, обеспечивается повышение производительности вибрационной мельницы.
Поставленная задача решается тем, что в вибрационной мельнице, содержащей помольную трубу с помольными телами, которая установлена с помощью упругих элементов на неподвижном основании и снабжена двумя дебалансными виброприводами, каждый из которых включает приводной вал с индивидуальным приводом вращения, выполненным с возможностью независимого изменения угловой скорости и направления вращения приводного вала, и дебалансы, установленные на приводном валу, в соответствии с изобретением, дебалансные виброприводы установлены диаметрально противоположно относительно боковых стенок помольной трубы в плоскости поперечной симметрии помольной трубы, при этом оси вращения дебалансов расположены перпендикулярно плоскости поперечной симметрии помольной трубы.
Указанные признаки являются существенными признаками изобретения.
Существенные признаки изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым результатом.
Так, отличительные признаки изобретения (дебалансные виброприводы установлены диаметрально противоположно относительно боковых стенок помольной трубы в плоскости поперечной симметрии помольной трубы, при этом оси вращения дебалансов расположены перпендикулярно плоскости поперечной симметрии помольной трубы) в совокупности с существенными признаками, общими с прототипом, обеспечивают неоднородность поля траекторий бигармонических колебаний помольной трубы и, как следствие, повышение производительности вибрационной мельницы.
Объясняется это следующим.
Существенной особенностью заявляемой конструкции есть то, что в отличие от прототипа оси вращения обоих дебалансных виброприводов не проходят через центр веса колебательной системы. В результате каждый дебалансный вибропривод генерирует не только центробежную возбуждающую силу, но и возбуждающий момент, величина которого прямо пропорциональная центробежной возбуждающей силе и расстоянию от оси вращения дебалансного вибропривода до центра веса колебательной системы (L). Именно по этой причине поле траекторий всех точек помольной камеры будет неоднородным, поскольку траектории разных точек помольной камеры различаются как по форме, так и параметрами.
Исследование вибрационных процессов проводилось на экспериментальной установке, схема которой показана на фиг.2.
Характеристики экспериментальной установки: масса системы - 1200 кг; масса неуравновешенных частей дебалансов - 50 кг; эксцентриситеты дебалансов - 0,04 м и 0,02 м соответственно для первой и второй гармоник; угловая частота - 100 рад/с и 200 рад/с соответственно для первой и второй гармоник; диаметр помольной трубы - 0,5 м; направление вращения дебалансов - в одну сторону.
Рассматривались вибрационные процессы и параметры колебаний (траектории колебаний, вибрационные перемещения, вибрационные ускорения вдоль осей X, Y) в пяти характерных точках помольной трубы: точка А - расположенная в центре веса колебательной системы, точки В и С - расположенные на горизонтальной осе (X), соответственно справа и слева от центра веса колебательной системы, и точки D и Е -расположенные на вертикальной осе (Y), соответственно ниже и выше центра веса колебательной системы. Расположение точек А, В, С, D, Е показано на фиг.2.
Результаты исследований показаны на фиг.3.
Для сопоставления результатов графики по каждому параметру представлены в одинаковом масштабе и отвечают адекватным периодам (моментам) времени.
Как следует из таблицы, ни одна из характерных точек помольной трубы не имеет одинаковых параметров. Графики вибрационных ускорений по двум взаимно перпендикулярным осям свидетельствуют об их высоком уровне, а также существенном отличии амплитудных значений в разных точках поперечного сечения помольной камеры.
Неоднородное поле вибраций корпуса помольной камеры создает циркуляционные потоки помольных тел и измельчаемого материала, в которых происходит их интенсивное перемешивание. За счет повышенного градиента энергии вибрационного действия на объект во всех точках поперечного сечения помольной трубы ликвидируются застойные зоны или значительно уменьшается их общий объем, снижается эффект сегрегации помольных тел и измельчаемого материала. Это повышает эффективность вибрационного действия помольных тел на измельчаемый материал, обеспечивает повышение производительности вибрационной мельницы.
Ниже приводится подробное описание заявляемой вибрационной мельницы и особенностей ее работы со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - Вибрационная мельница, траектории колебаний помольной камеры в мельнице-прототипе.
Фиг.2 - Вибрационная мельница, схема экспериментальной установки.
Фиг.3 - Вибрационная мельница, результаты исследований на экспериментальной установке.
Фиг.4 - Вибрационная мельница, принципиальная схема.
Фиг.5 - Вибрационная мельница, разрез А-А на фиг.4.
Фиг.6 - Вибрационная мельница, вид сбоку.
Фиг.7 - Вибрационная мельница, разрез Б-Б на фиг.6.
Фиг.8 - Вибрационная мельница, вид из торца со стороны приводов вращения.
В самом общем случае вибрационная мельница  представляет собой бигармоническую колебательную систему, включающую помольную трубу 1 с помольными телами 2, которая соединена с помощью упругих элементов 3 с неподвижным основанием 4 и снабжена двумя дебалансными виброприводами 5, каждый из которых включает приводной вал 6 с индивидуальным приводом вращения 7, выполненным с возможностью независимого изменения угловой скорости и направления вращения приводного вала 6, и дебалансы 8, установленные на приводном валу 6, при этом дебалансные виброприводы 5 установлены диаметрально противоположно относительно боковых стенок помольной трубы 1 в плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1, а оси вращения (приводной вал 6) дебалансов 8 расположены перпендикулярно плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1 (фиг.4, 5). Вибрационная мельница может содержать две и больше помольных трубы 1, закрепленных на едином корпусе 10, упруго установленным на неподвижном основании 4 и соединенным с дебалансными виброприводами 5 (фиг.9, 10).
Заявляемая вибрационная мельница, включает (фиг.6, 7, 8) корпус 10 с цилиндрической помольной трубой 1, который установлен с помощью упругих элементов 3 (пружин) на неподвижном основании 4. На боковых элементах 11 корпуса 10 (диаметрально противоположно относительно боковых стенок помольной трубы 1) в плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1 закреплены два дебалансных вибропривода 5 первой и второй гармоник.
Каждый дебалансный вибропривод 5 включает приводной вал 6 с индивидуальным приводом вращения 7 (электродвигатель), выполненным с возможностью независимого изменения угловой скорости и направления вращения приводного вала 6, и дебалансы 8, установленные на противоположных концах приводного вала 6 на равных расстояниях от плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1. Таким образом, результирующая центробежная возбуждающая сила дебалансов 8 действует в плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1. Приводной вал 6 установлен в корпусе 10 на подшипниках 12 в опорах 13. Привод вращения 7 соединен с приводным валом 6 через упругие муфты 14. Приводы вращения 7 соединены с устройствами управления угловой скоростью и направлением вращения (например, с частотными инверторами преобразователей - не показанные). В такой конструкции плоскости вращения дебалансов 8 параллельны плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1, оси вращения дебалансов 8 расположены перпендикулярно к плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1. Помольная труба 1 снабжена верхним загрузочным 15 и нижним разгрузочным 16 патрубками.
При включении приводов вращения (электродвигателей) 7 их крутящие моменты передаются через упругие муфты 14 и приводные валы 6 к дебалансам 8, которые вращаются в плоскостях, параллельных плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1. Результирующие центробежные возбуждающие силы дебалансов 8 действуют в плоскости 9 поперечной симметрии помольной трубы 1 и вызывают колебание корпуса 10, а следовательно и помольной трубы 1, в вертикальной поперечной плоскости. В результате того, что оси вращения дебалансных виброприводов 5 не проходят через центр веса колебательной системы (оси расположены на расстоянии L от центра веса колебательной системы), дебалансные виброприводы 5 генерируют не только центробежные возбуждающие силы в вертикальной плоскости, но и возбуждающие моменты. Величина этих моментов прямо пропорциональна центробежным возбуждающим силам и расстоянию L от оси вращения дебалансов до центра веса колебательной системы. Эти моменты вызывают крутильные колебания корпуса 10, следовательно, и крутильные колебания помольной трубы. Поля траекторий всех точек помольной трубы 1 в таких условиях будет неоднородным, поскольку траектории разных точек помольной трубы 1 различаются как по форме, так и параметрами (это объяснено выше в разделе "Сущность изобретения").
Регулирование амплитуд колебаний помольной трубы 1 (первой и второй гармоники) выполняют путем разворачивания соответствующих дебалансов 8 относительно приводных валов 6. Регулирование частот колебаний помольной трубы 1 (первой и второй гармоники) выполняют путем изменения угловой скорости вращения соответствующих индивидуальных приводов (электродвигателей) 7 с помощью устройств управления угловой скоростью вращения индивидуальных приводов 7, например частотных инверторов преобразователей (не показаны).
Исходный материал поступает в помольную трубу 1 с помольными телами 2 через загрузочный патрубок 15. Помольные тела 2 могут иметь сферическую (шары), цилиндрическую (стержни) или другую форму. В результате воздействия помольных тел на измельчаемый материал, последний измельчается, перемещается в сторону разгрузки и выходит из мельницы через разгрузочный патрубок 16.
Путем регулирования частоты и амплитуды колебаний соответствующих гармоник, а также реверса одного из индивидуальных приводов (электродвигателей) 7 возможно управлять в широком диапазоне силовым воздействием помольных тел на измельчаемый материал. Сложное циркуляционное и вибрационное движение помольных тел вместе с измельчаемым материалом позволяет устранить застойные зоны в рабочем пространстве помольной трубы 1, интенсифицировать процесс измельчения материала, увеличить производительность вибрационной мельницы.