ВИБРАЦИОННАЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНАЯ МАШИНА
VIBRATION GRINDER

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано во всех отраслях промышленности для измельчения, помола кусковых и сыпучих материалов. Область применения предлагаемого изобретения весьма широка: производство строительных материалов, помол и активация низкомарочного цемента, производство тонкомолотых продуктов для стекольной и пищевой промышленности; производство шлифовальных порошков, получение тонкодисперсных, ультрадисперсных материалов и нанопорошков для обеспечения производства магнитореологических суспензий и т.п.
Общим названием вибрационная измельчительная машина (ВИМ) обозначает группу машин: вибрационные мельницы, вибрационные смесители, вибрационные измельчители и т.п.
В качестве привода ВИМ используют центробежные (дебалансные), кинематические, электромагнитные, электродинамические, гидравлические и пневматические вибровозбудители.
Современные ВИМ, как правило, работают в режиме вынужденных колебаний с далеко зарезонансной частотой. Такой режим сопровождается нерациональным энергопотреблением, что проводит к повышению уровня энергозатратности. Кроме этого, снижается надежность привода в результате действия больших инерционных сил. Настройка таких машин на резонансный (энергосберегающий) режим  вынужденных колебаний не представляется возможной. Это объясняется крутизной амплитудно-частотной характеристики, малой величиной резонансной зоны, низкой стабильностью. Поэтому даже небольшие изменения технологической нагрузки  выводят машину из резонансного режима.
Небольшое распространение в ВИМ получили электромагнитные вибровозбудители. Преимуществом таких приводов является простота настройки резонансного режима колебаний. Но ввиду малой возмущающей силы, развиваемой электромагнитными возбудителями, возникают сравнительно малые амплитуды колебаний, которые не способны осуществить технологический процесс измельчения [Вибрации в технике в 6 томах. Т.4. Вибрационные процессы. М.: Машиностроение, 1981. с. 258. Шишканов К.А., Дмитрак А.Ю. Анализ конструкций и основных характеристик вибрационных мельниц // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №4, с. 324-328].
В настоящее время современные конструкции зарезонансных ВИМ имеют в своем составе дебалансные вибровозбудители, которые приводят в колебательное движение помольную камеру с технологической загрузкой [Лесин А.Д. Современное помольное оборудование. Вибрационные мельницы. Обзорная информация. Серия 7. Промышленность нерудных и неметаллорудных материалов. - М.: ВНИИЭСМ, 1989. с.43].
Недостатком такой конструкции является зарезонансная настройка высокой частоты и низкой амплитуды. Это приводит к высоким непроизводительным энергозатратам, низкой эффективности измельчения, снижению надежности привода. Для повышения эффективности измельчения необходимо увеличивать амплитуду колебаний и снижать их частоту для получения интенсивных разрушающих воздействий. Вопрос снижения энергозатратности решается на основе разработки резонансных машин. Повышение эффективности помола, надежности привода при одновременном снижении энергозатратности можно достичь путем использования параметрических вибровозбудителей, в которых реализуется комбинационный параметрический резонанс [Антипов В.И. Вибровозбудитель: Патент №2072661 РФ, МКИ В06В 1/16 // Бюл. №3, 1997. Антипов В.И., Денцов Н.Н., Кошелев А.В. Энергетические соотношения в вибрационной машине на многократном комбинационном параметрическом резонансе // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. 2013. - №5. - С. 188-194] в совокупности с изотропной упругой подвеской [Антипов В.И., Денцов Н.Н., Кошелев А.В. Динамика параметрически возбуждаемой вибрационной машины с изотропной упругой системой // Фундаментальные исследования. 2014. - №8, часть 5. - С. 1037-1042].
В качестве прототипа принята вибромельница, содержащая пару цилиндрических помольных камеры с мелющими телами в корпусе, установленном на упругих опорах. Возбудителем колебаний зарезонансной частоты является дебалансный вибровозбудитель, установленный между помольными камерами [Патент №2302904 В02С 19/00, Бюл №20, 2007 г.].
Недостатками данного устройства являются:
• Зарезонансный режим работы сопровождается малой амплитудой колебаний, что не позволяет получить большие разрушающие воздействия. Вследствие этого повышается время технологического процесса и снижается производительность.
• Для достижения зарезонансной области необходимо иметь мощность двигателя, которая в 5 раз выше мощности, необходимой для поддержания зарезонансных колебаний.
• Возникающие большие центробежные силы, вследствие вращения дебалансов нагружают подшипники, что приводит к снижению их долговечности и повышению энергозатратности.
• Необходимость принимать во внимание перегрузки электродвигателя в пусковом режиме. Это вынуждает применять электродвигатели  центробежных вибраторов, мощность которых в 1,5-2 раза выше необходимой в установившимся режиме.
• Наличие паразитных колебаний дестабилизирует рабочий режим и вызывает дополнительную диссипацию энергии.
Задачей изобретения является решение этих недостатков при одновременном повышении качественных и эксплуатационных показателей машины.
Техническим результатом изобретения является тонкое измельчение материалов повышенной производительности, уменьшение центробежных сил, уменьшение паразитных колебаний.
1
2
1
x
y
0
<mrow><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
Технический результат заявляемой ВИМ достигается тем, что в вибрационной измельчительной машине, содержащей рабочий орган, средствами для сообщения резонансных поступательных круговых колебаний которого являются изотропная упругая подвеска в виде цилиндрических стержней, которой он связан с неподвижным основанием, и роторно-маятниковый возбудитель, приводимый во вращение в вертикальной плоскости приводным валом, а резонансная настройка средств для сообщения резонансных поступательных круговых колебаний определяется из соотношения комбинационного параметрического резонанса ω=λ+λ, где ω - частота параметрического возбуждения (частота вращения роторно-маятникового возбудителя), λ=νω - парциальная собственная частота качаний маятников, ν - безразмерный параметр, определяющий собственную частоту качаний маятников во вращающейся системе координат (0<ν<1),
- парциальная собственная частота рабочего органа, соответствующая круговой форме колебаний, C=C=C - жесткость изотропной стержневой упругой подвески, M - масса рабочего органа машины.
Схема вибрационной измельчительной машины изображена на фиг. 1, 2. Рабочий орган 1 опирается на неподвижное основание 2 посредством изотропной стержневой упругой системы 3 жесткостью C (фиг. 1). На рабочем органе закреплена пара цилиндрических помольных камер 4 с мелющими телами 5 сферической формы (шарами), между которыми установлен параметрический привод 6 (параметрический мотор-вибратор) для возбуждения и поддержания резонансных поступательных круговых колебаний. Он представляет собой электродвигатель, на валу которого установлен роторно-маятниковый возбудитель, плоскость вращения которого расположена в вертикальной плоскости.
2
Резонансные колебания на частоте λ принимаются за рабочие, соответствующие поступательным круговым колебаниям рабочего органа машины в двух взаимно перпендикулярных направлениях по осям Ox, Oy. Согласно постулату Видлера здесь предполагается, что форма стационарных резонансных колебаний совпадает с формой свободных колебаний.
На фиг. 2 показана схема роторно-маятникового возбудителя параметрического привода [Антипов В.И. Вибровозбудитель: Патент №2072661 РФ, МКИ В 06 В 1/16 // Бюл. №3, 1997]. Ротор параметрического привода может состоять из одного роторно-маятникового возбудителя, как это показано, или набора таких устройств. Кроме этого может использоваться более эффективная конструкция роторно-маятникового возбудителя [Антипов В.И. Вибровозбудитель: Патент №2072660 РФ, МКИ В 06 В 1/16 // Бюл. №3, 1997].
0
0
Уравновешенный диск 7 (фиг. 2) роторно-маятникового возбудителя  имеет три периодически чередующиеся замкнутые беговые дорожки 8 круглого профиля, центры которых смещены от оси вращения диска на одинаковые расстояния AB=l. На беговых дорожках размещены одинаковые уравновешенные тела качения (маятники) 9 массой m каждый с возможностью обкатки. Роторно-маятниковый возбудитель содержит N=3 тел качений. Диск массой m в собранном виде жестко закрепляется на вал электродвигателя, который устанавливается на рабочем органе 1 массой M, который имеет две степени свободы: поступательное движение x, y по круговой траектории в плоскости вращения ротора в направлении координатных осей Ox, Oy. Предпочтительнее считается конструкция измельчительной машины с вынесенным из колебательной системы электромотором.
<mrow><mi>A</mi><msup><mi>x</mi><mo>′</mo></msup><msup><mi>y</mi><mo>′</mo></msup><msup><mi>z</mi><mo>′</mo></msup></mrow>
<mrow><mi>O</mi><mi>x</mi><mi>y</mi><mi>z</mi></mrow>
<mrow><mi>A</mi><msup><mi>x</mi><mo>′</mo></msup><msup><mi>y</mi><mo>′</mo></msup></mrow>
Система координат
с началом в центре масс роторно-маятникового возбудителя движется поступательно по круговой траектории относительно неподвижной системы
. При этом плоскость
расположена в плоскости вращения ротора. В положении статического равновесия оси этих координатных систем совпадают. Ось z параллельна оси вращения диска.
Рассматриваются круговые колебания рабочего органа машины в направлении осей Ox, Oy. Такая форма траектории обеспечивается образованием изотропного упругого поля путем введения упругих элементов, имеющих одинаковую жесткость как минимум в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Такая упругая система может быть выполнена в виде цилиндрических стержней из пружинно-рессорной стали, например штанг стабилизатора поперечной устойчивости подвески автомобиля.
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>k</mi><mo>/</mo><mi>N</mi><mo>,</mo></mrow>
k
k
1
k
Положение беговых дорожек определяется углами
(k=1,2,3;  N=3 - число маятников), а положение маятников определяется углами φ=Acos(ωt+2πk/N) (k=1,2,3). Качания маятников на углы  φ (k=1,2,3), а так же перемещения  x, y рабочего органа составляют степени свободы рассматриваемой колебательной системы машины. Эти величины принимаются за обобщенные координаты системы. Таким образом, представленная механическая система машины имеет пять степеней свободы, которую можно рассматривать как систему, состоящую из двух подсистем.
1
с
Ck
c
k
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>m</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></msub><mi>l</mi><mo>/</mo><msub><mi>J</mi><mi>B</mi></msub></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>J</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>J</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msub><mo>+</mo><mi>m</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>i</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>−</mo></mrow>
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>r</mi><mo>/</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
Первая подсистема представляет собой рабочий орган, связанный с неподвижным основанием изотропной упругой подвеской. Вторая подсистема состоит из трех одинаковых маятников, находящихся в поле центробежных сил инерции, имеющие одинаковые парциальные собственные частоты λ=νω во вращающейся системе координат Aξηζ. Здесь
mρ - статический момент маятников,
момент инерции тела качения относительно оси обкатки, J - момент инерции тела качения относительно оси, проходящей через его центр масс, r - радиус цапфы тела качения,
- передаточное отношение обкатки тела качения к беговой дорожке, l = АВ, ρ=BC.
<mrow><mi>ε</mi><mo>></mo><mn>4</mn><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mn>0</mn></msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mi>ν</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>ν</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>m</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mi>l</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo></mrow>
1
2
1
1
0.
2
Устройство работает следующим образом. Энергия к колебательной системе вибрационной измельчительной машины подводится за счет равномерного вращения диска 7 роторно-маятникового возбудителя параметрического привода 1 с угловой скоростью ω. При настройке ν=0,25 и выполнении порогового условия
самовозбуждается многократный комбинационный параметрический резонанс, удовлетворяющий соотношению ω=ω+ω. Здесь ω=νω≈λ - частота генерации осцилляторов роторно-маятникового возбудителя, которая близка к их собственной частоте качаний, ε = νNμ /2 - коэффициент, пропорциональный отношению общей массы осцилляторов качения к массе всей системы,
относительные коэффициенты линейного демпфирования соответственно осцилляторов качения и массы M
2
2
2
2
<mrow><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
Самосинхронизация колебаний маятников 9 (эффект Гюйгенса) приводит к образованию неуравновешенности («невидимого дебаланса»), вращающейся с частотой ω≈λ, которая близка к собственной частоте
колебаний рабочего органа 2 и меньше частоты вращения диска на 25%. Поскольку ω≈λ, то центробежная сила инерции «невидимого дебаланса» возбуждает резонансные колебания корпуса измельчительной машины по круговой траектории, а колебания корпуса, в свою очередь, возбуждают ударные и пульсирующие движения мелющих тел 3 по внутренней поверхности помольной камеры 4. В результате этого происходит вовлечение тел системы в коллективное резонансное взаимодействие. Разрушение материала происходит в кольцевом зазоре между помольной камерой и указанными пульсирующими телами  внутри помольной камеры. В результате достигается самоуправляемое, самоорганизованное и самоподдерживаемое собственное движение машины.
В настоящее время тенденциями развития ВИМ является снижение частоты колебаний при одновременном увеличении их амплитуды. Это объясняется наиболее эффективным способом измельчения, позволяющим реализовывать однократные, но мощные разрушающие воздействия на обрабатываемый материал. В предлагаемой машине такая проблема автоматически решается за счет оригинальной конструкции роторно-маятникового возбудителя, позволяющего снижать частоту рабочего органа машины на 25% при настройке ν=0,25 и на 50% при настройке ν=0,5 при одновременном увеличении его амплитуды за счет резонансного режима.
<mrow><mi>ε</mi><mo>></mo><mn>4</mn><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mn>0</mn></msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mi>ν</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>ν</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Существенным преимуществом использования роторно-маятникового возбудителя в вибрационных измельчительных машинах с круговым движением рабочего органа является порог  возбуждения параметрических резонансных колебаний
. Его величина снижается в два раза по сравнению с использованием такого же возбудителя, но в вибрационных транспортирующих машинах, где необходимы однонаправленные колебания [Антипов В.И., Антипова Р.И., Кошелев А.В., Денцов Н.Н.  Вибрационная транспортирующая машина. Патент №2532235 РФ, В06В, Бюл. №30, 2014 г.]. Такое обстоятельство позволяет снизить массу маятников ВИМ тоже в два раза, причем эффективность и интенсивность колебаний рабочего органа при этом не снизится. Это подтверждает целесообразное применение роторно-маятникового возбудителя в качестве вибрационного привода измельчительных машин с круговым движением рабочего органа.
Простота и надежность предлагаемой конструкции, малые габариты и вес, высокий КПД привода по сравнению с доминирующими на сегодняшний день виброприводами позволяют использовать предложенную вибрационную измельчительную машину в качестве лабораторной, стационарной или мобильной промышленной установки.
Данное изобретение разработано и создано по выше высказанным соображениям (фиг. 3). Его испытания, а также проводимые на нем эксперименты подтвердили надежную и стабильную работу.
Предложенная резонансная ВИМ обладает важными преимуществами и достоинствами.
1. Коэффициент полезного действия роторно-маятникового возбудителя выше аналогов на 25%. Чем выше КПД, тем ниже энергозатраты. Требуемая амплитуда колебаний достигается при минимальном статическом моменте, что создает минимальные нагрузки на подшипниковые узлы приводного вала. В результате этого повышается долговечность подшипников, их надежность и снижается расход энергии на преодоление трения. Кроме этого, рабочий резонансный режим работы ВИМ характеризуется высокой стабильностью, что недостижимо при использовании обычных центробежных вибровозбудителей.
2. Двигатель параметрического привода измельчительной машины, в отличие от кинематического или центробежного, в момент пуска преодолевает только момент сил трения в подшипниках, разгоняясь практически в режиме холостого хода, поэтому нет необходимости учитывать пусковые моменты двигателя, заботится о возможных перегрузках двигателя. Такое обстоятельство позволяет снизить установочную мощность двигателя параметрического вибропривода ВИМ более чем в два раза по сравнению с преобладающими на сегодняшний день центробежными (дебалансными) виброприводами.
3. Высокая интенсивность процесса измельчения материалов. Возможность возбуждения больших амплитуд колебаний при низких частотах позволяет получить большие разрушающие воздействия на обрабатываемый материал. Вследствие этого сокращается его время нахождения в помольной камере, что способствует повышению чистоты готового продукта и повышению производительности машины.
4. Наличие стержневой изотропной упругой подвески позволяет исключить влияние паразитных колебаний и получить необходимую форму колебаний рабочего органа машины. Это способствует повышению уровня энергосбережения и эффективности тонкого измельчения благодаря реализации совмещенных режимов - удара и истирания.
5.  Удобство эксплуатации и обслуживания. Колебания рабочего органа возбуждаются только в резонансной области, вблизи его собственной частоты. Для того чтобы прекратить процесс измельчения, достаточно вывести машину из области параметрического резонанса увеличив или уменьшив скорость вращения диска роторно-маятникового возбудителя, а не выключать двигатель. В нерезонансной зоне параметрический привод не совершает колебаний, в то время как двигатель привода работает.
6. Отсутствие автоматических средств контроля резонансной частоты колебаний, средств редукторизации частоты колебаний рабочего органа, а также средств остановки двигателя. Это положительно сказывается на надежности, эффективности и стоимости машины.
Анализ показывает, что предлагаемое изобретение удовлетворяет предъявляемым к нему трем основным критериям - «новизна», «промышленная применимость» и «изобретательский уровень».