ШАРОВАЯ МЕЛЬНИЦА

Полезная модель относится к механическому измельчительному оборудованию различных производств, предназначенному для тонкого измельчения материалов, может быть применено в горнорудной, химической, строительной и других промышленных отраслях, а также в порошковой металлургии.
Известна барабанная шаровая мельница, содержащая вращающийся барабан, внутри которого находятся мелющие тела - стальные шары. При вращении барабана шары перекатываются, поднимаются на определенную высоту за счет сил трения и падают, таким образом измельчая материал между шарами и корпусом (Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия, 1977, изд. 2-е, с. 160).
Недостатком этой конструкции является низкая эффективность измельчения из-за наличия так называемой внутренней «мертвой зоны», где частицы материала и шары не перемещаются, следовательно, и частицы материала не измельчаются. Производительность измельчения ограничена, так как при увеличении скорости вращения барабана шары и частицы материала прижимаются центробежной силой к внутренней стенке барабана, и процесс измельчения вообще прекращается. Процесс требует значительного времени нахождения материала в зоне выработки, а это ведет к повышенному расходу энергии.
Близким решением является вибровращательная шаровая мельница, содержащая цилиндрический барабан с мелющими телами, корпус которого жестко связан с пружинами и дебалансным вибровозбудителем, расположенным снаружи барабана (Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. М.:, Металлургия, 1988, с. 50).
Недостатком указанной мельницы является образование застойных зон в аппарате, которые образуются из-за различия в насыпной плотности исходного и измельчаемого материала. Измельчаясь, материал оседает в нижнюю часть барабана, и измельчение происходит в нижнем слое шаров. Измельчение затрудняется, так как шары находятся в более плотном измельчаемом материале, при этом амплитуда колебаний шаров уменьшается. В свою очередь, верхние слои шаров не совершают полезной работы - отсюда низкая эффективность измельчения.
Недостатком всех шаровых мельниц является невозможность осуществления высокодисперсного помола широкого диапазона материалов и ограниченная производительность измельчения.
Целью создания полезной модели является увеличение интенсивности измельчения и повышение качества готового сырья.
Раскрытие полезной модели
В основу заявленной полезной модели положено применение сложного движения двух барабанов и инерционного регулируемого силового воздействия шаров и частиц материала на процесс измельчения.
Цель достигается тем, что в устройстве шаровой мельницы, содержащей раму, источник привода, барабан, совершающий вращательное движение, отличающемся тем, что мельница снабжена двумя кривошипами, шатуном, балансиром и двумя барабанами, закрепленными на пальцах ведомого кривошипа, при этом геометрическая ось качания балансира перпендикулярна геометрическим осям валов вращения ведущего и ведомого кривошипов и расположена на расстоянии , равном половине длины шатуна, и отношение кратчайшего расстояния  между геометрическими осями шарниров кривошипов к расстоянию  равно синусу угла скрещивания геометрических осей шарниров кривошипов, т.е. /=sin α, а оси шарниров шатуна параллельны.
Технический результат - существенное увеличение интенсификации и сокращение продолжительности технологического процесса измельчения, повышение качества готового продукта.
Цель  достигается благодаря тому, что шаровая мельница снабжена двумя кривошипами, шатуном, балансиром и двумя барабанами, особым пространственным расположением геометрических осей шарниров кривошипов, шатуна и балансира, взаимосвязью их параметров.
Такая совокупность признаков обеспечивает сложное неравномерное движение барабанов, вращательное и возвратно-качательное, причем ведущий кривошип имеет постоянную угловую скорость вращения, а ведомый кривошип и два барабана - переменные скорости: при вращении и качании. Силовым движением шаров и частиц материала охвачен весь объем барабанов, застойные зоны здесь полностью отсутствуют.
Дополнительный эффект интенсификации возникает еще от инерционного силового воздействия шаров и частиц, имеющих переменные скорости движения.
Все это позволяет производить измельчение любых материалов за короткий промежуток времени с высокой степенью измельчения.
На фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2- разрез А-А шарнира балансира.
Шаровая мельница (фиг. 1) содержит раму 1, на которой закреплен источник привода 2 (мотор-редуктор или электродвигатель с редуктором). На выходном валу источника привода 2 закреплен ведущий кривошип 3, который шарнирно соединен с шатуном 4.
Последний шарнирно соединен с ведомым кривошипом 5, а кривошип 5 связан шарнирно с балансиром 6, взаимодействующим через вращательный шарнир 7 с рамой 1.
На пальцах ведомого кривошипа 5 закреплены два барабана 8, внутрь которых вставлены и закреплены прижимами герметично закрытые контейнеры 9 с размещенными там шарами и кусками измельчаемого материала.
Геометрические оси шарниров обоих кривошипов 3 и 5 скрещены (скручены) под углом α и отстоят друг от друга на кратчайшем расстоянии . (Термин скрещенные означает, что оси нигде не пересекаются и не параллельны).
Кратчайшее расстояние между скрещенными осями определяется не по материальному телу кривошипов, а находится вне тела, в пространстве, как и показано на схеме. (Пространственное расположение кратчайшего расстояния  на плоском чертеже показано несколько с искажением).
Геометрическая ось качания балансира 6 перпендикулярна геометрическим осям валов вращения ведомого 6 и ведущего 3 кривошипов и отстоит от них на расстоянии , равном половине длины шатуна 4. Разрез шарнира 7 показан на фиг. 2.
Угол β качания балансира 6 соответственно и барабанов 8 равен β=4α.
Геометрические оси шарниров шатуна 4 параллельны и расположены на расстоянии, равном 2.
В шаровой мельнице отношение кратчайшего расстояния  между геометрическими осями шарниров кривошипов к расстоянию  равно синусу угла скрещивания геометрических осей шарниров-кривошипов, т.е.
Угол скрещивания α геометрических осей шарниров кривошипов можно назначать в пределах 10…55°, расстояние  0,3…0,8 от длины выбранного барабана.
Общими признаками прототипа и предложенного устройства шаровой мельницы являются наличие рамы, источника привода, барабана с мелющими шарами, совершающего вращательное движение.
Отличительными признаками предложенной шаровой мельницы от прототипа являются следующие:
- в предложенной мельнице введены два кривошипа, шатун и балансир для сообщения барабанам сложного движения, у прототипа только одно простое вращательное движение барабана, корпус которого жестко связан с пружинами и дебалансным вибровозбудителем, расположенным снаружи барабана;
- в предложенной мельнице два барабана, у прототипа - один барабан;
- в предложенной мельнице барабаны имеют переменную на одном обороте угловую скорость вращения и возвратно-качательное движение с углом качания β=4α, у прототипа барабан вращается с постоянной угловой скоростью;
- в предложенной мельнице от переменной угловой скорости вращения возникают дополнительные регулируемые силовые инерционные воздействия шаров на измельчаемый материал в двух направлениях: вдоль оси барабанов и перпендикулярно оси, что существенно интенсифицирует процесс измельчения и степень измельчения, у прототипа таких воздействий нет, есть микроколебания от вибровозбудителя;
- в предложенной мельнице отсутствуют застойные, не обрабатываемые зоны частиц материала, у прототипа застойные зоны присутствуют;
- в предложенной мельнице кривошипы, шатун и балансир имеют особое расположение геометрических осей шарниров, у прототипа кривошипы, шатун и балансир отсутствуют.
Следует отметить, что в шаровой мельнице все шарнирные соединения кривошипов, шатуна и балансира оформлены на стандартных подшипниках качения, которые имеют высокий кпд (пара подшипников порядка 0,98-0,99), легко изолируются, надежны и долговечны. Следовательно, устройство имеет и малые энергозатраты.
На фиг. 1 для упрощения чертежа шарнирные соединения показаны на подшипниках скольжения.
Шаровая мельница работает следующим образом.
От источника привода 2 вращение передается ведущему кривошипу 3, который передает движение шатуну 4, второму ведомому кривошипу 5 и балансиру 6. Так как барабаны 8 закреплены на пальцах ведомого кривошипа 5, они получают вращательное движение с неравномерной за оборот угловой скоростью и одновременно имеют возвратно-качательное движение также с неравномерной скоростью вместе с балансиром 6, угол поворота β которого равен 4α.
Шары и частицы материала, находящиеся в герметично закрытых контейнерах и закрепленные, прижимами в барабанах получают сложное движение с интенсивными ударами о стенки контейнеров с дополнительным силовым инерционным воздействием в двух плоскостях. В результате чего происходит интенсивное комплексное измельчение кусков материала за непродолжительное время.
Интенсивность измельчения можно регулировать в широких пределах посредством частоты вращения барабанов, инерционным силовым воздействием посредством угла α скрещивания осей шарниров кривошипов, степенью неравномерности δ угловой скорости. Конструирование шаровой мельницы начинается с выбора вместимости барабана емкости 9. Например, примем диаметр барабанов, равный 600 мм, высоту - 900 мм. Для такой емкости назначим кратчайшее расстояние  между геометрическими осями валов кривошипов 3 и 5, равное =300 мм. Тогда расстояние между геометрическими осями шарниров у шатуна 4 будет равно 2=600 мм.
1
Примем угол α скрещивания геометрических осей шарниров кривошипов равным 15°, тогда кратчайшее расстояние  между геометрическими осями шарниров кривошипов будет определено из соотношения (1), =sinα=300sin 15°=300⋅0,258=77,4 мм.
Таким образом, параметры шаровой мельницы под размер барабанов 500×800 мм будут: =77,4 мм, =300 мм, 2=600 мм, угол α=15°, степень неравномерности 8 вращения барабанов равна 0,5094.
Степень неравномерности вращения барабанов оценивается коэффициентом 5 неравномерности, определяемым выражением,
Отметим влияние угла скрещивания осей шарниров кривошипов на коэффициент неравномерности вращения барабанов.
-
Примем угол α=15°, cos15°=0,9659, sin15°=0,2588, тогда по выражению (2) коэффициент 5 будет иметь значение
Примем угол α=35°, тогда cos35°=0,8191, sin35°=0,5736
При угле α=45° cos45°=0,7071, sin45°=0,7071 и коэффициент δ равен
Как видно из примера, коэффициент δ неравномерности вращения барабанов существенно возрастает с увеличением угла α скрещивания осей шарниров кривошипов от 0,5094 до 1,1767 при α=15° и соответственно при α=45°, т.е. более чем в 2 раза. Происходит и увеличение инерционного воздействия шаров на измельчение кусков материала более чем в два раза.