РАЗМОЛЬНАЯ ГАРНИТУРА ДИСКОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ
GRINDING ASSEMBLY FOR DISK MILL

Изобретение относится к размольным гарнитурам быстроходных ножевых дисковых мельниц для подготовки волокнистых полуфабрикатов растительного происхождения при измельчении растительных материалов, древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве древесноволокнистых плит (ДВП), различных строительных и отделочных материалов.
Известна размалывающая гарнитура дисковой мельницы, включающая роторные и статорные диски, разделенные на секторы, рабочая поверхность которых имеет периферийную фронтальную кольцевую зону, ножи, равномерно нанесенные от входной до выходной окружных кромок секторов, и межножевые канавки, закрытые поочередно со стороны окружной кромки входа в зону и выхода из нее перемычками, расположенными на вписывающихся в кольцевую площадь зоны дугах с радиусами соответственно входной и выходной окружных кромок зоны, отличающаяся тем, что каждая межножевая канавка имеет по две дополнительные перемычки, дуги которых расположены эксцентрично относительно центра дисков, со стороны входной окружной кромки секторов открытые межножевые канавки чередуются с межножевыми канавками, закрытыми дополнительными перемычками, образующими сдвоенные ножи, которые образуют две дополнительные конические кольцевые зоны, сопряженные с входной окружной кромкой периферийной фронтальной кольцевой зоны, с наклоном образующей относительно опорной плоскости секторов под углами 22-26° и 5-9° соответственно(RU, №2288313, МПК D21D 1/30, В02С 7/12, заявлено 29.12.2004 г., опубликовано 27.11.2006 г.).
Недостатком данной гарнитуры является то, что за счет идентичного исполнения рисунков рабочих поверхностей роторного и статорного дисков при сопряжении углы наклона режущих кромок ножей к радиусам, проведенным из центра дисков в точки скрещивания, противоположны по направлению, а сумма их равна углу скрещивания. Поэтому углы скрещивания режущих кромок ножей всегда существенно превышают двойной угол трения о них волокнистого материала, образуя большое количество одновременных контактов пересечения. В результате этого силы трения волокнистого материала о режущие кромки, как правило, имеют меньшие значения по сравнению с касательными составляющими окружных сил в точках скрещивания, что определяет преобладание рубящего характера силового воздействия на него со стороны контактирующих режущих кромок. Это приводит к укорочению природной длины волокна, к снижению качества его обработки, а также к более интенсивному износу размалывающих поверхностей.
Наиболее близким по технической сущности изобретением к предлагаемому, является размольная гарнитура для дисковой мельницы, включающая роторный и статорный диски, рабочие поверхности которых разделены на секторы, снабженные параллельными прямолинейными ножами, чередующиеся с межножевыми канавками, режущая кромка параллельных ножей выполнена под углом относительно образующей единичного сектора, на ножах выполнены две прорези под углом относительно режущей кромки ножа, образуя между собой угол относительно центральной межножевой канавки (RU, №2652177, СПК В02С 7/12, D21D 1/30, заявл. 17.05.2016 г., Бюл. №12, опубл. 25.04.2018 г.).
Недостатком известной гарнитуры является то, что:
- наличие единичного ножа в пределах сектора в центральной зоне выполняет в основном функцию распределения массы, но не обеспечивает равномерную предварительную обработку грубых фракций и пучков волокон, что не позволяет в полной мере интенсифицировать процесс размола, ограничивая качественные показатели волокнистого полуфабриката.
- торцевые поверхности ножей со стороны входной окружной кромки выполнены под прямым углом к рабочей поверхности сектора. За счет этого происходит нависание и скопление волокон на входе в размалывающую полость гарнитуры, способствуя развитию гидравлических сопротивлений и затормаживанию движения потока волокнистой суспензии, что снижает интенсивность гидродинамических воздействий на волокнистый полуфабрикат, пропускную способность мельницы и энергоэффективность процесса размола в целом.
Изобретение решает задачу повышения эффективности процесса размола при измельчении растительных материалов, для получения волокнистых полуфабрикатов используемых в производстве древесноволокнистых плит (ДВП), различных строительных и отделочных материалов.
Технический результат заключается в повышении эффективности процесса размола и улучшении размерно-качественных характеристик древесноволокнистого полуфабриката при всех прочих равных условиях производства за счет постепенной предварительной обработки волокнистой массы, обеспечения цикличного равномерного воздействия ножей ротора и статора на волокнистую массу и ее циркуляции при прохождении через основную зону размола, а также наличия удерживающих прорезей на ножах.
Указанный технический результат достигается тем, что в размольной гарнитуре для дисковой мельницы, включающей роторный и статорный диски, рабочие поверхности которых разделены на секторы, снабженные параллельными прямолинейными ножами, чередующимися с межножевыми канавками, согласно изобретению, параллельные ножи с входной окружной кромкой в форме фаски равной 30°-48°, режущая кромка которых выполнена под углом равным 13°-17° относительно образующей единичного сектора чередуются от центра к периферии с разным отношением ширины межножевой канавки к высоте ножа равным 0,75-2,7, образуют предварительную и основную зоны размола с соотношением входного и выходного радиусов равным 0,5-0,9, поверхности ножей и донные поверхности межножевых канавок предварительной зоны размола выполнены под углом равным 0°-10° относительно опорной плоскости сектора, на ножах основной зоны размола выполнены три прорези под углом равным 50°-70° относительно режущей кромки ножа, образуя между собой угол 100°-140° относительно центральной межножевой канавки.
Достигаемый технический результат обуславливается конструктивными особенностями предлагаемого рисунка рабочей поверхности гарнитуры на основании экспериментальных исследований.
Форма входной окружной кромки ножей, угол установки ножей ротора и статора, ширина ножа и отношение ширины межножевой канавки к высоте ножа, наличие выполненных прорезей на ножах, угол наклона поверхностей ножей и донных поверхностей межножевых канавок относительно опорной плоскости сектора в предварительной зоне, а также соотношение входного и выходного радиусов основной и предварительной зоны размола, позволяет предварительно обрабатывать грубые фракции и пучки волокон полуфабриката, равномерно транспортировать, распределять и удерживать массу в зоне основного размола, тем самым улучшить размерно-качественные показатели волокон полуфабриката за счет увеличения внутреннего и наружного фибриллирования волокна, увеличения гибкости и удельной поверхности отдельных волокон и прессмассы в целом, соответственно увеличить степень помола и содержание средней фракции волокон полуфабриката, позволяя тем самым улучшить физико-механические свойства готовой древесноволокнистой плиты.
При значениях угла фаски входной окружной кромки параллельных ножей со меньше 30° происходит значительное уменьшение их размалывающей поверхности, что влечет снижение разработки волокон и ухудшение их качества, при угле больше 48° происходит нависание и скопление волокон на входе в размалывающую полость гарнитуры, затормаживание движения потока волокнистой суспензии и снижение гидродинамических воздействий, что будет негативно сказываться на качестве волокна и работе гарнитуры в целом.
При значениях угла установки режущей кромки параллельных ножей относительно образующей единичного сектора а меньше 13° происходит укорочение волокна, при угле больше 17° снижается отношение длины к диаметру волокон, соответственно их удельная поверхность.
Отношение ширины межножевой канавки к высоте ножа меньше значения 0,75 способствует к забиванию канавок волокнистой массой, а при значениях больше 2,7 к ухудшению гидродинамики процесса, что будет негативно сказываться на размерно-качественных характеристиках волокна и работе гарнитуры в целом.
Соотношения входного и выходного радиусов меньше значения 0,5 влечет повышение удельного расхода энергии, при соотношении больше 0,9 происходит значительное уменьшение размалывающей поверхности дисков гарнитуры, что не обеспечит необходимую разработку волокна и его качество.
Выполнение поверхностей ножей и донных поверхностей межножевых канавок предварительной зоны размола относительно опорной плоскости сектора под углом больше 10° нецелесообразно, так как при увеличении данного угла происходит забивание межножевого пространства волокнистым полуфабрикатом, что приводит к невозможности продвижения массы через рабочую зону гарнитуры.
При значениях угла β наклона прорезей на ножах меньше 50° появляется дополнительная режущая кромка, что приводит к укорочению (рубке) волокна, а при значениях больше 70° снижается эффект удержания массы и ее циркуляция, что будет негативно сказываться на качестве волокна и работе гарнитуры в целом.
Образование угла 100°-140° прорезями на ножах относительно центральной межножевой канавки обеспечивает удержание массы в зоне размола и ее циркуляцию, что способствует лучшей разработки поверхности волокна.
При таких значениях количество одновременных движущихся точек пересечения (контактов) ножей статора гарнитуры с ножами ротора единичного сектора равно 28-50, что способствует повышению эффективности размола, улучшению размерно-качественных характеристик полуфабриката.
н
д
На фиг.1 показан сектор размольной гарнитуры, вид спереди, где α угол установки ножей, β угол установки прорезей, γ - угол, образованный прорезями относительно центральной межножевой канавки, R1 и R2 -входной и выходной радиусы предварительной зоны размола, R2 и R3 -входной и выходной радиусы основной зоны размола; на фиг.2 показано сечение А-А, где L - ширина канавки, δ - ширина ножа, h - высота ножа; на фиг.3 показано сечение Б-Б, где ω - угол фаски входной окружной кромки ножей, ψ и ψ - углы поверхностей ножей и донных поверхностей межножевых канавок предварительной зоны размола относительно опорной плоскости сектора.
Размольная гарнитура дисковой мельницы включает, разделенные на сектора, роторный и статорный диски. Размольная гарнитура имеет две размольные зоны: центральную предварительного размола и распределения массы (I), и периферийную - основного размола (II).
Рабочие поверхности секторов статора и ротора имеют одинаковый геометрический рисунок относительно друг друга. Сектор 1 состоит из параллельных прямолинейных ножей 2 с входной окружной кромкой 6 в форме фаски ω равной 30°-48°, режущая кромка которых выполнена под углом а равным 13°-17° относительно образующей единичного сектора 1.
Входная окружная кромка в форме фаски 6 ножей 2 выполнена с целью равномерного и беспрепятственного транспортирования полуфабриката в зону размола, повышения гидродинамики процесса и эффективности работы гарнитуры в целом.
На рабочей поверхности сектора размольной гарнитуры 1 между ножами 2 шириной δ и высотой h выполнены межножевые канавки 4 шириной L с различным отношением L/h от центра к периферии, образуя предварительную I и периферийную II зоны размола с входными R1, R2 и выходными радиусами R2 и R3, соответственно.
н
д
В предварительной зоне I поверхности ножей 2 и донные поверхности межножевых канавок 4 выполнены под углом, соответственно ψ и ψ равным 0-10° относительно опорной плоскости 5 сектора размольной гарнитуры 1.
Ножи 2 в предварительной зоне I выполнены с целью постепенной предобработки грубых фракций и пучков волокон полуфабриката, равномерной их подачи и распределения в основную зону размола, увеличения отношения длины к диаметру волокон, соответственно улучшения размерно-качественных характеристик волокон и фракционного состава полуфабриката.
На ножах 2 основной зоны II выполнены три прорези 3 шириной ι под углом β равным 50°-70° относительно режущей кромки ножа, образуя между собой угол 100°-140° относительно центральной межножевой канавки.
Прорези 3 выполнены с целью циркуляции и удержания массы в зоне размола, увеличения степени помола и отношения длины волокон к их диаметру, улучшения размерно-качественных характеристик и фракционного состава полуфабриката.
2
При этом количество движущихся точек пересечения (контактов) ножей ротора с ножами статора равно 28-50 шт. в пределах единичного сектора, поверхность размола равна 0,1-0,16 м, секундная режущая длина и циклическая элементарная длина размольной гарнитуры равны 93646-145256 м/с и 13,57-16,35 м, соответственно, улучшается фракционный состав полуфабриката увеличивается отношение длины к диаметру волокон, доля средней фракции волокон в общей массе.
Размольная гарнитура работает следующим образом:
При размоле волокна собираются слоями на передней кромке ножа 2 предварительной зоны I, где они подвергаются действию сил резанья, трения и сжатия, где, равномерно распределяются и транспортируются в основную зону II размола.
При размоле волокна собираются слоями на передней кромке ножа 2 размольной гарнитуры, образуя нависающий слой, где они подвергаются действию сил резанья, трения и сжатия. В результате происходит их сплющивание и закручивание, а на поверхности волокна образуется тонкая, способная к связеобразованию волокнистая структура (фибриллирование). Постепенная обработка грубых фракций и пучков волокон, равномерное их распределение и транспортировка в основную зону размола обеспечивается за счет наличия предварительной зоны размола, образуемой ножами 2 с входной окружной кромкой в форме фаски 6. Интенсивная циркуляция и удержание массы в зоне размола осуществляется за счет выполненных прорезей 3 на ножах.
Были проведены экспериментальные исследования с использованием гарнитуры с различной геометрией размольных ножей.
2
Количество одновременно движущихся точек пересечения (контактов) ножей ротора с ножами статора в примерах равно 28-50 шт. в пределах единичного сектора, поверхность размола равна 0,1-0,16 м, секундная режущая длина равна 93646-145256 м/с, циклическая элементарная длина размольной гарнитуры равна 13,57-16,35 м. Исследования проводились при всех прочих равных условиях.
I
II
н
д
a
a
C
M
a
a
1. Пример 1. Рисунок размольной гарнитуры имеет следующие параметры: угол фаски входной окружной кромки ножей ω=48°, угол установки режущей кромки параллельных ножей относительно образующей единичного сектора α=13°, угол прорезей относительно режущих кромок ножей β=55°, образующих между собой угол 110° относительно центральной межножевой канавки, отношение ширины межножевой канавки к высоте ножа в I и II зонах размола L/h=2 и L/h=2, угол поверхностей ножей и донных поверхностей межножевых канавок относительно опорной плоскости сектора в зоне I ψ=2° и ψ=2°, соотношение входных и выходных радиус I и II зон размола R1/R2=0,80 и R2/R3=0,80. Древесноволокнистая масса степенью помола=10 ДС, отношением длины к диаметру волокон L/d=26,6, содержание в общей массе волокон крупной фракции Вк=48%, средней фракции В=32%, мелкой В=20%, концентрацией массы 3%, объемом древесноволокнистой массы 40 литров (1200 гр. а.с.в. + 38,8 литров воды), при температуре 70°С подается в размольную камеру дисковой мельницы. В размольной камере происходит процесс размола, при котором древесные волокна подвергаются действию сил трения, сжатия, происходит частичное укорачивание волокна и его фибриллирование, изменяется фракционный состав получаемой массы. После размола визуально производят оценку качества помола древесноволокнистой массы, а также с помощью специальных приборов (дефибратор-секунда, ситовый фракционатор, цифровой микроскоп) определяют: степень помола (ДС), фракционный состав (Вк, Вс, Вм), отношение длины к диаметру волокон (L/d), характеризующие качество готового полуфабриката и эффективность процесса размола.
I
II
н
д
2. Пример 2. Рисунок размольной гарнитуры имеет следующие параметры: угол фаски входной окружной кромки ножей ω=35°, угол установки режущей кромки параллельных ножей относительно образующей единичного сектора α=15°, угол прорезей относительно режущих кромок ножей β=60°, образующих между собой угол 120° относительно центральной межножевой канавки, отношение ширины межножевой канавки к высоте ножа в I и II зонах размола L/h=2,7 и L/h=0,75, угол поверхностей ножей и донных поверхностей межножевых канавок относительно опорной плоскости сектора в зоне I ψ=8° и ψ=8°, соотношение входных и выходных радиусов I и II зон размола R1/R2=0,87 и R2/R3=0,75. Ход эксперимента и процесс размола в данном примере происходят идентично, как в примере 1. В результате размола наблюдается внешнее и внутреннее фибриллирование волокна, при измельчении крупной фракции до 15%, увеличивается доля средней фракции до 53% и мелкой фракции волокна до 31%, что свидетельствует о преобладании в общей массе длинных и гибких волокон с высоким отношением длины к их диаметру до 100, в соответствии чего, улучшается степень помола и фракционный состав полуфабриката.
Примеры 3-5 аналогичны примерам 1 и 2. Результаты исследований, полученные в ходе экспериментов при изменении геометрических параметров гарнитур, изменение угла фаски входной окружной кромки ножей, угла установки режущей кромки параллельных ножей относительно образующей единичного сектора, угла прорезей относительно режущих кромок ножей, образующих между собой угол относительно центральной межножевой канавки, отношения ширины межножевой канавки к высоте ножа в I и II зонах размола, угла поверхностей ножей и донных поверхностей межножевых канавок относительно опорной плоскости сектора в зоне I, соотношения входных и выходных радиусов зон размола представлены в таблице 1.
a
a
Как видно из данных таблицы входе эксперимента, в результате размола древесноволокнистой массы при всех прочих равных условиях фиксировались: время размола (tразм.), степень помола (ДС), фракционный состав волокон (Вк, Вс, Вм), отношение длины к диаметру волокон (L/d). На основании выбранных геометрических параметров рисунка размольных гарнитур и размерно-качественных показателей готовых полуфабрикатов, полученных на них, представлены в выше указанных примерах, согласно известным методикам были рассчитаны такие параметры, как количество точек пересечения (контактов) ножей статора гарнитуры с ножами ротора, поверхность размола, секундная режущая длина и циклическая элементарная длина, подтверждающие эффективность заявленной гарнитуры.
Результаты исследований, подтверждающие эффективность процесса размола показаны выше в примерах. Экспериментальные данные показывают, что в процессе размола волокна собираются слоями на передней кромке ножа, где они подвергаются действию сил трения и сжатия. В результате происходит их сплющивание и закручивание, а на поверхности волокна образуется тонкая, способная к связеобразованию волокнистая структура, что подтверждают высокие показатели качества готового полуфабриката.
a
a
За счет уменьшения количества одновременно движущихся точек режущих кромок статора и ротора, увеличения поверхности размола, секундной режущей длины и циклической элементарной длины размольной гарнитуры улучшается фракционный состав волокон, увеличивается степень помола и отношение их длины к диаметру. Фракционный состав волокон улучшается, при снижении крупной фракции (Вк) до 15-20% и некоторым образованием мелкой фракции (Вм) до 31-34% преимущественное содержание доли средней фракции (Вс) в общей массе достигает 46-53%, показатель отношения длины к диаметру волокон (L/d) достигает 80-100. Прирост степени помола (ДС) древесноволокнистого полуфабриката достигает 22-27 ДС, предел прочности при статическом изгибе (Рr) ДВП, изготовленной из такого древесноволокнистого полуфабриката, составляет 38-48 МПа.
В таблице 2 приведены основные расчетные параметры аналога, прототипа и предлагаемой размольных гарнитур, характеризующие их эффективность, показатели качества помола и прочности ДВП.
Как видно из данных таблицы предлагаемый рисунок размольной гарнитуры в сравнении с аналогом и прототипом, характеризуется меньшим количеством точек пересечения режущих кромок ножей статора с ножами ротора, высокими значениями величины секундной режущей длины и более высокими значениями циклической элементарной длины ножевой гарнитуры, чем прототип и аналог размольной гарнитуры, используемый в производстве ДВП.
Использование предлагаемого рисунка размольной гарнитуры позволяет улучшить размерно-качественные показатели
древесноволокнистой массы и физико-механические свойства готовой плиты. При такой конструкции размалывающей гарнитуры, среднее количество одновременно движущихся точек пересечения (контактов) ножей ротора с ножами статора равно 28-50, что способствует повышению эффективности размола, увеличивается удельная рабочая поверхность размола, что приводит к увеличению значения не только параметра секундной режущей, но и элементарной циклической длины - основных параметров, характеризующих качество помола. Это способствует получению древесноволокнистого полуфабриката высокого качества с преобладанием длинноволокнистой фракции с наличием внутреннего и наружного фибриллирования, увеличению отношения длины к диаметру волокон, соответственно их гибкости и удельной поверхности, как отдельных волокон, так и прессмассы в целом при всех прочих равных условиях производства ДВП.