Исследование процесса измельчения в бегунах мокрого помола СМ–365
Министерство Образования РФ
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Кафедра Механического Оборудования
Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту
по дисциплине: ППСМ
на тему: “Исследование процесса измельчения в бегунах мокрого помола СМ – 365”
Белгород 2010
Содержание
Введение
1. Общие сведения и классификация бегунов
2. Конструкция, принцип действия и описание процессов, происходящих в машине
3. Расчёт основных параметров
4. Проведение экспериментальных исследований зависимости функции от варьируемых параметров
Заключение
Список используемой литературы
Приложение
Введение
Многообразие измельчаемых материалов по их свойствам и преследуемым промышленным целям этого процесса приводит к большому количеству различных конструкций дробильно-помольных машин и установок.
Все применяемые машины для измельчения материалов разделяют на две группы: дробилки и мельницы.
Дробилки - это машины, которые применяются для дробления сравнительно крупных кусков материала, начальный размер 100-1200 мм, размер кусков конечного продукта 250-3 мм. Дробилки применяются в горнодобывающей, горнорудной, строительной, химической и других отраслях промышленности для крупного, среднего и мелкого дробления различных горных пород. Степень измельчения в дробилках находится в пределах 3-20.
Мельницы предназначаются для получения тонко измельченного порошкообразного материала. Они применяются при грубом, тонком и сверхтонком помоле известняка, мела, мрамора, глины, угля, клинкера и других материалов, при этом размер начальных кусков равен 2-20 мм, а размер частиц конечного продукта составляет от 0,1-0,3 мм до долей микрометра.
По конструкции и принципу действия различаются следующие виды дробилок: щековые (дробление происходит между подвижной и неподвижной щеками), конусные (раздавливание материала и частичное его изгибание происходят между двумя конусами), валковые (материал раздавливается между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу), бегуны (измельчение материала происходит между вращающимися катками и чашей (подвижной или неподвижной) путем раздавливания и истирания.), дробилки ударного действия.
По сравнению с другими машинами для измельчения материала, например валковыми дробилками, в общем случае бегуны менее эффективны. Поэтому их следует применять только тогда, когда это вызывается специальными технологическими требованиями, когда наряду с измельчением необходимо обеспечить уплотнение, растирание, обезвоздушивание массы (например, при переработке глины).
1. Общие сведения и классификация бегунов
Бегуны применяются для мелкого дробления (конечный размер частиц 3...8 мм) и грубого помола (0,2...0,5 мм) извести, глины и других материалов. Кроме того, бегуны могут также обеспечить растирание, гомогенизацию, уплотнение и обезвоздушивание материала. При производстве строительной керамики бегуны используют для мелкого и тонкого дробления сухой и увлажнённой глины, полевого шпата, фарфорового боя, угля, доломита и других материалов.
Бегуны классифицируют по следующим основным признакам.
По способу действия: периодического и непрерывного действия.
По технологическому назначению: для мокрого, сухого и полусухого измельчения; для измельчения и перемешивания и только перемешивания; для брикетирования сырьевой смеси; с металлическими катками и металлическим подом; с каменными катками и каменным подом.
По конструктивному оформлению: с неподвижной чашей; с вращающейся; с верхним и нижним приводом (при нижнем приводе сложнее разборка, длительнее ремонт, но масса не загрязняется); с катками, опирающимися на материал своей массой или с дополнительным гидравлическим, пневматическим или с пружинным нажатием на катки.
По способу разгрузки: с ручной разгрузкой; продавливанием через подовую решетку; с центробежной разгрузкой; с разгрузкой через периферическую подовую решетку и с разгрузкой по опускающемуся в чашу отвалу. В бегунах с вращающимися катками вокруг вертикальной оси центробежные силы стремятся сорвать катки, а в случае их неуравновешенности вертикальный вал может изогнуться, но центробежные силы при этом не оказывают влияния на материал, находящийся в чаше.
У бегунов с вращающейся чашей более спокойный ход, но центробежные силы отбрасывают материал к периферии, кроме того, у этих бегунов большая нагрузка на упорный подшипник (массы катков и чаши).
Достоинства бегунов по сравнению с валковыми дробилками: можно загружать значительно большие куски материала; проще регулировать тонкость измельчения; улучшаются пластические свойства глиняных материалов из-за многократного воздействия катков. Недостатки бегунов: громоздкость; более сложный ремонт; повышенный удельный расход энергии на единицу массы перерабатываемого материала.
2. Конструкция, принцип действия и описание процессов, происходящих в машине
Бегуны мокрого помола (материал влажностью более 15 %) с вращающимися катками (рис. 1) имеют нижнее расположение привода. При вращении вертикального вала 1 катки 5, установленные на подшипниках на водилах 6, перекатываются по поддону 4 и одновременно вращаются вокруг собственных осей. Коленчатые водила, шарнирно закрепленные в цапфе 7, позволяют каткам подниматься или опускаться в зависимости от толщины слоя материала и преодолевать недробимые предметы. Катки устанавливают на разных радиусах от центра поддона, чтобы они перекрывали большую площадь. Поддон укладывают плитами, имеющими овальные отверстия размером от 6×30 до 12×40 мм. Измельченный материал продавливается сквозь отверстия в поддоне и попадает на вращающуюся тарелку 8, с которой сбрасывается скребком 3 в разгрузочный лоток 2. К валу 1 прикреплены поводки со скребками 9, которые очищают борта и поверхность чаши от налипшего материала и равномерно направляют его под катки.
Рисунок 1
Применяют также верхний привод катков, бегуны с вращающейся чашей, бегуны с пружинным, гидравлическим или пневматическим прижимом катков. Использование последних позволяет снизить металлоемкость машины.
В бегунах массивные катки, перекатываясь по слою материала, находящемуся на поддоне, измельчают его раздавливанием и истиранием. Это происходит вследствие того, что широкие катки, перемещаясь по окружности небольшого радиуса, непрерывно разворачиваются относительно поддона и их внешняя сторона скользит юзом, а внутренняя буксует. В бегунах может осуществляться как сухой, так и мокрый помол материалов. Главным параметром бегунов является диаметр D и ширина b катков. Для мокрого помола выпускают бегуны с размерами D х b от 1200 х 300 до 1800 х 800 мм с катками массой, соответственно 2...9 т. Для сухого помола изготавливают бегуны с D х b от 600 х 200 до 1800 х 450 мм.
Бегуны мокрого помола СМ – 365 предназначены для тонкого помола, перемешивания, растирания и увлажнения керамических масс. Чугунное кольцо станины состоит из шести секций, скреплённых болтами. Стальная литая чаша бегунов, укреплённая на станине, имеет форму усечённого конуса, расширяющегося к верху. Отливка чаши выполнена без днища, днищем служат сегментообразные дырчатые плиты, образующие дорожку, по которой перекатываются катки.
Перерабатываемый материал загружается в загрузочную воронку, и далее через течку попадает под каток, раздавливается и истирается. Далее материал продавливается через отверстия решётчатых плит и просыпается под чашу на тарель, с которой сбрасывается на течку для измельчённого материала. Отверстия в дырчатых плитах конические, увеличивающиеся к низу для обеспечения свободного просыпания продавленных в отверстия кусочков материала.
На вертикальном валу бегунов укреплена крестовина с горизонтальными полуосями, на которых вращаются катки. Катки для более эффективного помола снабжены специальными пружинными прижимами. Для регулирования силы прижима катков имеются регулировочные гайки.
Катки бегунов состоят из двух частей: чугунного корпуса и прочно насаженного на него стального бандажа. Бегуны получают движение от электродвигателя через фрикционную муфту, редуктор, горизонтальный приводной вал с конической шестерней. Коническое колесо, входящее в зацепление с шестерней, насажено на вертикальный вал.
Для равномерности загрузки бегуны оснащают вращающейся загрузочной воронкой.
3. Расчёт основных параметров
1) Определение угла захвата.
Углом захвата называют угол, образованный плоскостью чаши и касательными, проведёнными через точки соприкосновения куска материала с поверхностью катка.
Рисунок 2
В
момент захвата куска материала в точке
А возникает сила нормального давления
Р и сила F=P
f,
где f
– коэффициент трения (рис.2,схема а).
Возникает
также сила противодействия P>1>
и сила трения P>1>f.
При равновесии куска имеем:
∑x=0,
Psinα
– Pfcosα
- P>1>f=0,
Psinα=
P>1>f+
Pfcosα
∑y=0,
P>1 >–
Pfsinα
– Pcosα
P>1>=
Pfsinα
+ Pcosα
Получаем:
Psinα=f
Pcosα
+ fP
(cosα
+ fsinα).
(1)
tgα=
2f/(1
– f2)
Подставим значение коэффициента трения
f=tg2 φ,
где φ – угол трения:
tgα=2tg φ/(1 – tg2 φ)=tg2 φ (2)
α<2 φ (3)
Следовательно, угол захвата должен быть меньше двойного угла трения. Коэффициент трения может колебаться в пределах 0,3 – 0,5, что соответствует углу захвата 30 – 50 ˚.
2) Определение соотношений между диаметром катка бегунов и диаметром дробимого материала (рис.2, схема б).
где D – диаметр катка,
d – диаметр куска дробимого материала.
При угле α = 50˚ получаем:
При угле α = 30˚:
D = (4,6…14) d. (6)
При D =1800 мм возможная крупность дробимого материала:
d>max>
=
.
При переработке влажных глин отношение D/d составляет 5…6,
следовательно для бегунов СМ – 365 максимальная крупность исходного материала составляет:
d>max>
=
.
Для обеспечения надёжного захвата материала максимальная крупность кусков принимается на 20% меньше.
d
= 0,8
d>max>
=0,8
(360…300) = 288…240 мм.
3) Сила нормального давления, действующая на
материал (усилие раздавливание), H:
P>ср>
= σ>сж>
F
Kρ
(7)
где σ>сж> – предел прочности материала при сжатии, H/м2,
для мягких пород σ>сж> = 80МПа, для прочных σ>сж> ≥ 150МПа
(1 H/м2 = 10-6 МПа); F – площадь дробления, м2;
K>ρ> -коэффициент разрыхления материала (для прочных пород
K>ρ> = 0,2 … 0,3, для глины K>ρ> = 0,4 … 0,6).
Полагая,
что F=bl
= bRβ,
где l – длина дуги на участке измельчения материала, м;
R=D/2 - радиус катка, м;
b – ширина катков, м;
β - угол дуги, рад, β = α /2.
Формула (7) принимает следующий вид
При дроблении твердых пород (β=16°40’ ):
P>ср>
= 0,04
σ>сж>
bD,
(8)
при дроблении глин (β = 24°20’ ):
P>ср>
= 0,1
σ>сж>
bD
(9)
Для бегунов СМ – 365:
σ>сж> = 80 МПа = 800000 Н.
B = 0,8 м;
D = 1,8 м.
P>ср>=0,1
8000000
0,8
1,8=152000 Н.
4) Определение угловой скорости и числа оборотов вертикального вала бегунов.
На
вращающейся чаше материал находится
под действием двух сил: силы трения Gf,
удерживающей материал на чаше, и
центробежной сил mω2
стремящейся отбросить
материал
(где
r –
наружный радиус качения катка; ω –
угловая скорость вращения вертикального
вала;
-
линейная скорость.).
Чтобы материал не отбрасывался к борту чаши должно соблюдаться условие:
Gf
mω2r;
Gf
mv2/r,
где ω – угловая скорость вращения вертикального вала;
m=G/g;
v=
rn/30.
Тогда:
Gf
ω2r;
Gf
,
где n – частота вращения вала.
ω
(рад/с); (10)
n
(об/мин). (11)
Приняв для увлажнённых глин f=0,5 получаем:
Угловая скорость вращения вертикального вала:
ω
=2,4
рад/с
Частота вращения вала:
n
= 23,3 об/мин.
5) Определение производительности бегунов.
Для ориентировочного расчёта производительности бегунов с решётчатым подом используют следующую формулу:
Q
=
(м3/с);
(12)
Q
= S
l
a
n
60
(м3/ч);
(13)
где S – площадь отверстия в решётчатой плите, м2;
l – длина глиняного прутка, м, продавливаемого при каждом набегании катка (l= 25 – 35 мм для глин влажностью 20 – 22%);
а – число отверстий, перекрываемых катком за один оборот вертикального вала;
ω – угловая скорость вертикального вала, рад/с;
n – частота вращения вертикального вала, об/мин;
λ – поправочный коэффициент, λ = 0,8 – 0,9.
Исходные данные для бегунов мокрого помола СМ – 365:
S
= 34
28
+ 2
=
745 мм2 =0,000745
м2;
а = 920;
l = 30мм = 0,03м;
λ = 0,8;
n = 22,7 об/мин.
Q
= 0,000745
0,03
920
22,7
60
0,8 = 22,4 м3/ч.
При плотности глины (влажностью 20%) γ = 1450 кг/м3 получим:
Q
= 22,4
1450
= 38480 кг/ч = 38,4 т/ч.
6) Определение мощности двигателя.
Мощность двигателя может быть определена как сумма мощностей, необходимых в основном для преодоления сил трения качения и трения скольжения катков.
N = (N>1> + N>2>)/ η, (14)
где N>1> – мощность, необходимая для преодоления сил трения качения;
N>2> – мощность, необходимая для преодоления сил трения скольжения катков.
η – КПД установки, η = 0,5 – 0,8.
Мощность, необходимая для преодоления сил трения качения
N>1>
=
(кВт), (15)
где G – вес (сила тяжести катка), Н;
- коэффициент трения качения;
v>ср> – средняя окружная скорость качения катка, м/с:
R – радиус катка, м.
Подставляя в формулу значение средней окружной скорости
v>ср>
=
r
n/30,
получаем
N>1>
=
;
(16)
N>1>
=
=
(кВт), (17)
где i – число катков.
Исходные данные:
G = 90000 Н;
=
0,03;
r = 0,9 м;
n = 22,7 об/мин ;
i = 2;
R = 0,9 м.
N>1
>=
= 12,8 кВт.
Мощность, необходимая для преодоления сил трения скольжения катков:
N>2>
=
(кВт); (18)
N>2>
=
=
(кВт), (19)
где
- коэффициент трения скольжения;
b – ширина катка.
Для бегунов СМ – 365:
f>ск> = 0,3;
b = 0,8 м.
N>2>
=
= 25,7 кВт.
Необходимая мощность электродвигателя:
N
= k>N>
, (20)
где k>N> – коэффициент мощности двигателя на преодоление пускового момента, k>N> = 1,1 – 1,5.
N
= 1,1
= 60,48 кВт.
4. Проведение экспериментальных исследований зависимости функции от варьируемых параметров
Проведём исследование влияния изменения частоты вращения вертикального вала n на производительность.
Q
= S
l
a
n
60
(м3/ч).
Постоянные параметры:
Площадь отверстия в дырчатой плите S = 0,000745 м2;
Длина глиняного прутка l = 0,03 м;
Число отверстий, перекрываемых катками за один оборот вертикального вала a = 920;
Поправочный коэффициент λ = 0,8.
Варьируемый параметр изменяется в пределах: n = 22,75%.
Минимальное значение: n>min> = 21,565 мин-1
Максимальное значение: n>max>= 23,835 мин-1
Шаг
варьирования: p
=
= 0,227 мин-1.
Q>1
>= 0,000745
0,03
920
60
0,8
21,565= 21,284 (м3/ч)
Q>2>=
0,000745
0,03
920
60
0,8
=21,508
(м3/ч)
Q>3>
= 0,000745
0,03
920
60
0,8
22,019=21.733 (м3/ч)
Q>4>
= 0,000745
0,03
920
60
0,822,246
=21,956 (м3/ч)
Q>5>
= 0,000745
0,03
920
60
0,822,473=22,181
(м3/ч)
Q>6>
= 0,000745
0,03
920
60
0,8
= 22,4 (м3/ч)
Q>7>
= 0,000745
0,03
920
60
0,822,927
=22,629 (м3/ч)
Q>8>
= 0,000745
0,03
920
60
0,8
=22,853 (м3/ч)
Q>9>
= 0,000745
0,03
920
60
0,8
=23,077 (м3/ч)
Q>10>
= 0,000745
0,03
920
60
0,8
23,301 (м3/ч)
Q>11>
= 0,000745
0,03
920
60
0,823,835
= 23,525 (м3/ч)
Таблица 1
|
n, мин-1 |
21,565 |
21,792 |
22,019 |
22,246 |
22,473 |
22,7 |
22,927 |
23,154 |
23,381 |
23,608 |
23,835 |
|
Q, м3/ч |
21,284 |
21,508 |
21.733 |
21,956 |
22,181 |
22,4 |
22,629 |
22,853 |
23,077 |
23,301 |
23,525 |
Q = f(n).
Проведём исследование влияния изменения частоты вращения вертикального вала n на мощность двигателя.
N
= k>N>
(кВт)
Постоянные параметры:
Коэффициент увеличения мощности двигателя k>N> = 1,1;
Сила нажатия катка G = 90000 H;
Число катков i = 2;
КПД установки η = 0,7;
Радиус качения катков r = 0,9 м;
Коэффициент трения качения f>k> = 0,03;
Коэффициент трения скольжения f>ск> = 0,3;
Ширина катка b = 0,8 м;
Радиус катка R = 0,9 м.
Варьируемый параметр изменяется в пределах: n = 22,75% мин-1.
Минимальное значение: n>min> = 21,565 об/мин
Максимальное значение: n>max>= 23,835 об/мин
Шаг варьирования p = 0,227.
N>1>=
1,1
=57,45
(кВт)
N>2>=
1,1
=58,05
(кВт)
N>3>=
1,1
=58,66
(кВт)
N>4>=
1,1
=59,26
(кВт)
N>5>=
1,1
=59,87
(кВт)
N>6>=
1,1
=60,5
(кВт)
N>7>=
1,1
=61,07
(кВт)
N>8>=
1,1
=61,68
(кВт)
N>9>=
1,1
=62,28
(кВт)
N>10>=
1,1
=62,89
(кВт)
N>11>=
1,1
=63,49
(кВт)
Таблица 2
-
n, мин-1
21,565
21,792
22,019
22,246
22,473
22,7
22,927
23,154
23,381
23,608
23,835
N,
кВт
57,45
58,05
58,66
59,26
59,87
60,5
61,07
61,68
62,28
62,89
63,49
N = f(n).
3) Проведём исследование влияния изменения числа отверстий в решётчатых плитах, перекрываемых катками на производительность.
Q
= S
l
a
n
60
(м3/ч).
Постоянные параметры:
Площадь отверстия в дырчатой плите S = 0,000745 м2;
Длина глиняного прутка l = 0,03 м;
Частота вращения вертикального вала n = 22,7 об/мин;
Поправочный коэффициент λ = 0,8.
Варьируемый параметр изменяется в пределах: а = 9205%.
Минимальное значение: a>min> = 875
Максимальное значение: a>max>= 965
Шаг
варьирования: p
=
= 9 шт.
Q>1>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
875 =21,262 (м3/ч)
Q>2>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
=21,481 (м3/ч)
Q>3>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
= 21,699 (м3/ч)
Q>4>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
902 = 21,918 (м3/ч)
Q>5>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
=22,137 (м3/ч)
Q>6>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
920 = 22,356 (м3/ч)
Q>7>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
=22,574 (м3/ч)
Q>8>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
938 =22,793 (м3/ч)
Q>9>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
947 = 23,012 (м3/ч)
Q>10>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
956 = 23,23 (м3/ч)
Q>11>
= 0,000745
0,03
22,7
60
0,8
965 = 23,449 (м3/ч)
Таблица 3
|
а, шт |
875 |
884 |
893 |
902 |
911 |
920 |
929 |
938 |
947 |
956 |
965 |
|
Q, м3/ч |
21,262 |
21,481 |
21,699 |
21,918 |
22,137 |
22,356 |
22,574 |
22,793 |
23,012 |
23,23 |
23,449 |
Q = f(a).
4)Проведём исследование влияния изменения силы давления катка на мощность электродвигателя установки.
N
= k>N>
(кВт)
Постоянные параметры:
Коэффициент увеличения мощности двигателя k>N> = 1,1;
Частота вращения вертикального вала n = 22,7 мин-1;
Число катков i = 2;
КПД установки η = 0,7;
Радиус качения катков r = 0,9 м;
Коэффициент трения качения f>k> = 0,03;
Коэффициент трения скольжения f>ск> = 0,3;
Ширина катка b = 0,8 м;
Радиус катка R = 0,9 м.
Варьируемый параметр изменяется в пределах:
G= 90 0005% мин-1.
Минимальное значение: G>min> = 85500 H
Максимальное значение: G>max>= 94500H
Шаг
варьирования: p
=
= 900 Н.
N>1>
= 1,1
= 57,45 (кВт)
N>2>
= 1,1
= 58,06 (кВт)
N>3>
= 1,1
= 58,66 (кВт)
N>4>
= 1,1
= 59,27 (кВт)
N>5>
= 1,1
= 59,87 (кВт)
N>6>
= 1,1
= 60,48 (кВт)
N>7>
= 1,1
= 61,08 (кВт)
N>8>
= 1,1
= 61,69 (кВт)
N>9>
= 1,1
= 62,29 (кВт)
N>10>
= 1,1
= 62,89 (кВт)
N>11>
= 1,1
= 63,5 (кВт)
Таблица 2
|
G, H |
85500 |
86400 |
87300 |
88200 |
89100 |
90000 |
90900 |
91800 |
92700 |
93600 |
94500 |
|
N, кВт |
57,45 |
58,06 |
58,66 |
59,27 |
59,87 |
60,48 |
61,08 |
61,69 |
62,29 |
62,89 |
63,5 |
N = f(G).
По результатам вычислений строим графики.
Заключение
В результате проведённых вычислений были выявлены следующие зависимости:
С повышением частоты вращения вертикального вала увеличивается производительность бегунов;
С увеличением частоты вращения вала повышается мощность двигателя;
С увеличением числа отверстий в решётчатых плитах увеличивается производительность;
С увеличением силы давления катка на измельчаемый материал повышается мощность двигателя.
Список использованной литературы
Сапожников В.А. и др. «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций». М., «Высшая школа». 1971. – 382 с.
Ильевич А.П. «Машины и оборудование для заводов по производству керамики и огнеупоров». М., «Высшая школа», 1979. – 343 с.
Сапожников Н. Я. «Атлас механического оборудования»
Уваров В.А., Семикопенко И.А., Чемеричко Г.И., «Процессы в производстве строительных материалов и изделий». БелГТАСМ, 2002. – 121с.