Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, цель и задачи исследований 12
1.1. Современное состояние измельчительного оборудования 12
1.2. Современные тенденции развития оборудования для измельчения 13
1.3. Разработка нового способа измельчения и основные результаты испытаний мельниц типа МАЯ 16
1.4. Определение области рационального использования центробежных мельниц вертикального типа 20
1.5. Научные основы проектирования центробежных мельниц 22
1.6. Методы решения объемных задач 25
1.7. Исследования характера движения измельчаемого материала в центробежной мельнице 28
1.8. Математическое моделирование быстрого движения сыпучих сред 30
1.9. Задачи исследований 36
2. Выбор математической модели и программных средств для расчета движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа 39
2.1. Задачи исследований 39
2.2. Разработка математической модели движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы 39
2.3. Выбор алгоритмов решения уравнений для моделирования движения сыпучей среды в корпусе мельницы 42
2.4. Модель с несколькими зонами в расчетной области (MRF) 50
2.5. Выбор программных средста для моделирования движения сыпучей среды в корпусе мельницы 52
2 3. Проверка адекватности математической модели движения сыпучей среды в центробежной мельнице 56
3.1. Задачи исследований 56
3.2. Сравнение моделей движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы 56
3.3. Определение характера движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы на основе компьютерного моделирования 60
3.4. Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными исследованиями центробежной мельницы вертикального типа 65
3.5. Компьютерное моделирование движения измельчаемого материала в мельнице с установкой в полости ротора трех или шести ребер 75
3.6. Экспериментальная проверка движения измельчаемого материала в мельнице с установкой в полости ротора трех или шести ребер. 80
4. Разработка и исследование конструктивных изменений в центробежной мельнице вертикального типа 92
4.1. Задачи исследований 92
4.2. Компьютерное моделирование движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы с вырезами в ребрах ротора 92
4.3. Компьютерное моделирование движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы с вырезами в ребрах ротора при различных высотах столба и частотах вращения ротора 99
4.4. Исследование влияния эквивалентной вязкости измельчаемого материала на его движение в центробежной мельнице при вырезах в ребрах ротора 105
4.5. Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными исследованиями при выполнении вырезов в рёбрах 110
5. Рекомендации по использованию результатов теоретических и экспериментальных исследований 120
5.1. Задачи исследований 120
5.2. Предложения по конструктивному исполнению центробежной мельницы вертикального типа 120
Заключение 126
Список использованных источников 129
- Определение области рационального использования центробежных мельниц вертикального типа
- Разработка математической модели движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы
- Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными исследованиями центробежной мельницы вертикального типа
- Компьютерное моделирование движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы с вырезами в ребрах ротора
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время ведущей тенденцией повышения технико-экономических показателей работы обогатительных фабрик в отечественной и зарубежной практике оставалось увеличение единичной производительности измельчительного оборудования традиционной конструкции. Увеличение геометрических размеров барабанных мельниц позволяет повысить их единичную производительность, но одновременно вызывает существенные проблемы из-за снижения общей надежности, усложнения работы подшипниковых узлов и конструкций привода.
Очевидно, настало время, когда очередное, пятое поколение техники дезинтеграции должно сформироваться на базе нового технического направления.
В Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) (СКГМИ) был разработан новый способ измельчения материалов, согласно которому измельчаемый материал формируют в виде вертикального цилиндрического столба, нижнюю часть которого вращают с помощью подвижного ротора, а измельчение материала осуществляется в активной зоне за счет взаимного соударения частиц и кусков друг о друга и последующего истирания в верхних слоях столба. Практической реализацией этого способа являются мельницы МАЯ (мельница А. Ягупова).
Все проведенные испытания в лабораториях и промышленных условиях показали экономическую целесообразность и перспективность нового способа самоизмельчения за счет: отсутствия мелющих тел; совмещения операций мелкого дробления и измельчения; малой металлоемкости; отсутствия специальных фундаментов; высокой удельной производительности; сокращения удельного расхода электроэнергии; низкого расхода металла; низкого уровня шума в работе; простоты конструкции и ремонтных операций.
В работах Ягупова А. В., Хетагурова В. Н., Гегелашвили М. В., Выскребенца А. С. и их учеников были детально исследованы процессы в центробежной мельнице вертикального типа при размоле минерального сырья, выбраны оптимальные режимы работы мельниц. Опытные образцы мельницы нового типа прошли успешные испытания по размолу руд и других сырьевых материалов и были реализованы в виде промышленных серии центробежных мельниц вертикального типа. Но теоретические исследования в этих работах проводились с помощью упрощенных математических моделей, в которых не учитывался трехмерный характер движения измельчаемого материала в корпусе мельницы.
В связи с этим возникает необходимость в проведение дальнейших исследований, направленных на получение новых знаний о закономерностях движения измельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной
мельницы вертикального типа путем применения трехмерного компьютерного моделирования, которое позволит уточнить характер движения измельчаемой среды в корпусе центробежной мельницы и усовершенствовать ее конструкцию.
Цель работы: совершенствование конструкции центробежной мельницы вертикального типа на основе исследования движения измельчаемого материала в ее рабочем пространстве с использованием трехмерного компьютерного моделирования.
Идея работы: получение новых знаний о закономерностях движения измельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной мельницы вертикального типа путем применения трехмерного компьютерного моделирования, что позволит усовершенствовать конструкцию мельницы с целью повышения ее производительности и энергоэффективности.
Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников, теоретические исследования с использованием механики сплошной среды, компьютерное моделирование движения измельчаемого материала с использованием пакета вычислительной гидродинамики OpenFOAM, экспериментальные исследования процессов измельчения на лабораторных моделях с использованием методов планирования экспериментов, гранулометрический метод анализа исходного сырья и продуктов измельчения.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Установлено, что движение измельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной мельницы вертикального типа, при наличии трапецеидальных вырезов в радиальных ребрах ротора, начинается у внутренних стенок корпуса мельницы и периферийной верхней части ротора и продолжается по восходящей спиралевидной траектории, которая расположена на поверхности параболоида вращения с вершиной на оси мельницы, далее, измельчаемый материал, по нисходящей траектории опускается на дно ротора через вырезы трапецеидальной формы в ребрах, а затем, под действием центробежной силы, перемещается к периферийной зоне внутренней полости ротора. Это движение может быть описано трехмерными гидродинамическими уравнениями Навье-Стокса.
-
Выявлено, что установка в полости ротора центробежной мельницы вертикального типа радиальных ребер с вырезами в виде прямоугольной трапеции, меньшее из оснований которой прилегает к днищу внутренней полости ротора, снижает тангенциальную скорость движения частиц измельчаемого материала над вращающимся ротором, что в свою очередь повышает эффективность процесса измельчения за счет большей скорости соударения слоя частиц сформированного перед рабочей поверхностью ребер с частицами, находящимися в нижних слоях столба материала, в пространстве над верхними кромками ребер.
3. Определены оптимальные размеры вырезов трапецеидальной формы в ребрах ротора центробежной мельницы вертикального типа, обеспечивающие повышение ее производительности на 20 %, снижение расхода электроэнергии на 12 % при сохранении требуемого гранулометрического состава продуктов измельчения.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью поставленных задач, методов их исследования и решения; применением хорошо зарекомендовавшего себя программного обеспечения; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных условиях с использованием современных методик и измерительной аппаратуры; внедрением результатов исследований и новых научно-технических разработок в производство, подтвержденных актом внедрения.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель, описывающая движения из
мельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной мельницы
вертикального типа при наличии в полости ротора радиальных ребер с
вырезами трапецеидальной формы на основе гидродинамических уравнений
Навье-Стокса при учете зависимости вязкости сыпучей среды от давления
избыточного над гидростатическим.
2. Выявленная зависимость тангенциальной скорости движения частиц
измельчаемого материала над верхними кромками радиальных ребер ротора
центробежной мельницы вертикального типа определена с учетом размеров
вырезов трапецеидальной формы в радиальных ребрах ротора, высоты столба
материала над ротором мельницы, частоты вращения ротора и зависимости
вязкости сыпучего материала от давления избыточного над гидро
статическим.
3. Оптимальные размеры вырезов трапецеидальной формы в ребрах
ротора центробежной мельницы вертикального типа определены с учетом
высоты столба материала над ротором мельницы, частоты вращения ротора и
зависимости вязкости сыпучего материала от давления избыточного над
гидростатическим.
Научное значение работы:
1. Использование трехмерной гидродинамической модели движения
материала, в которой коэффициент вязкости зависит от давления, позволяет
исследовать процессы, происходящие в корпусе и роторе центробежной
мельницы вертикального типа при различной конфигурации рабочих органов
мельницы.
2. Выявлено, что при наличии в полости ротора центробежной мельницы
вертикального типа радиальных ребер с вырезом трапецеидальной формы
разрушается подвижное торообразное ядра в полости мельницы, в
пространстве над вращающимся ротором.
3. Выявлены новые закономерности распределения тангенциальной
скорости непосредственно над верхними кромками радиальных ребер ротора: зона в области вырезов, где тангенциальная скорость имеет минимальные значения; зона над наклонной частью вырезов, где тангенциальная скорость возрастает по параболе; зона над цельной частью ребер, где тангенциальная скорость возрастает монотонно.
4. Для центробежной мельницы вертикального типа с трапециевидными вырезами в ребрах установлены точки активного контакта материала с поверхностью ротора.
Практическое значение работы
– разработана методика компьютерного моделирования движения измельчаемого материала в центробежной мельнице вертикального типа;
– разработаны методики испытания центробежной мельницы вертикального типа при размоле минерального сырья;
– определены оптимальные размеры вырезов трапецеидальной формы в ребрах ротора центробежной мельницы вертикального типа;
– разработано программное обеспечение для моделирования движения измельчаемого материала в центробежной мельнице.
Реализация выводов и рекомендаций. Основные рекомендации по реконструкции рабочего пространства центробежной мельницы, усовершенствованию конструкторской документации центробежной мельницы МВ– 1 производительностью 5 т/ч, а также результаты по исследованию закономерностей измельчения минерального сырья в модернизированной центробежной мельнице приняты в 2014 г. к использованию ОАО «Кавказцветметпроект» при разработке новой технологической линии размола минерального сырья для получения порошковых продуктов с применением этих мельниц.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на: II Международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 13–15 мая 2011 г.; Второй международной конференции «Облачные вычисления. Образование. Исследования. Разработки 2011» Москва; Международной научной конференции «Теория операторов, комплексный анализ, и математическое моделирование», Волгодонск, Россия, 4–8 июля 2011г.; II международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика», г. Ставрополь 2011 г.; Международной конференции молодых ученых «Математический анализ и математическое моделирование», г. Владикавказ, 12–19 июля 2010 г.; XXI Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2011», г. Москва, 2011 г.; «Неделя горняка-2012», г. Москва 2012 г.; «Неделя горняка–2013», г. Москва 2013 г.; Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» – Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности, г. Екатеринбург, 2011 г.; на VII Региональной школы-конференции молодых ученых «Владикавказская молодежная
математическая школа», Владикавказ, 25–30 июля 2011 года; на научно-практической конференции, посвященной дню эколога «Природа. Общество. Человек», Владикавказ, 3 июня, 2011 года; XV Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении: Прогрессивные технологии в современном машиностроении–2013». – Пенза, июнь 2013; семинарах отдела математического моделирования ЮМИ ВНЦ РАН, 2011–2014 гг.; на расширенном заседании кафедры технологических машин и оборудования СКГМИ (ГТУ), 2014 г.
Личное участие автора.
Личный вклад соискателя состоит в участии во всех этапах работы, совместно с соавторами проведен анализ литературных и патентных источников, разработаны методики исследований, получены исходные данные и проведены научные эксперименты, обработка и интерпретация экспериментальных данных, проанализированы и обобщены результаты экспериментов, сформированы выводы и научно-технические рекомендации, подготовлены основные публикации по выполненной работе.
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 16 печатных работах в научных журналах и сборниках, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также получено 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, 3 приложений, изложенных на 187 страницах машинописного текста, и содержит 6 таблиц, 75 рисунков, список использованной литературы из 129 наименований.
Определение области рационального использования центробежных мельниц вертикального типа
Сложившаяся ситуация вызвала в последние годы у нас и за рубежом резкую интенсификацию работ по созданию более эффективных дробильно-измельчительных машин. Основные факторы, которые, прежде всего, учитываются при этих разработках - необходимость интенсифицировать процесс, резко поднять производительность труда и эксплуатационную надежность, снизить расход металла, переизмельчение материала и энергозатраты на разрушение, решить проблему рационального распределения энергии на разрушение между составляющими стадиями: взрыв, дробление и измельчение.
Создание измельчителей, ввиду ряда особенностей дезинтеграции, требует специфического подхода. Во-первых, вследствие обеднения месторождений полезных ископаемых и уменьшения размеров вкраплений ценных компонентов размол очень часто необходимо производить до крупности менее 0,044 мм; во-вторых, требуется селективное воздействие на обрабатываемую среду с целью исключения переизмельчения зерен ценных минералов; в-третьих, необходимо перерабатывать огромное количество рудной массы с высокой абразивной способностью и получать при этом зерновой продукт узкого гранулометрического состава; в-четвертых, рабочие механизмы должны обеспечивать новые технологические свойства. Последнее обстоятельство вытекает из анализа тенденций развития рудоподготовки, требующей осуществления сверхтонкого размола до крупности 1-3 мкм ряда минералов и активации их путем интенсивного воздействия [9], совмещения процессов измельчения и флотации [10], а также использования твердых минеральных отходов [11].
Поиски ведутся в двух направлениях. Первое направление заключается в разработке дробильно-измельчительных машин, реализующих уже известные принципы работы, но на новой конструктивной основе. Такое направление может явиться прогрессивным в области дезинтеграции, поскольку может быть быстро внедрено в производство, т. к. технологические особенности самих способов хорошо известны.
Вторым направлением является стремление перейти к новым физическим принципам организации процесса разрушения. Все традиционные машинные способы дезинтеграции основаны на взаимодействии кусков или частиц материалов с рабочими органами машин, однако более совершенным принципом является разрушение путем взаимодействия кусков (частиц) материала друг с другом, со средой - энергоносителем или непосредственно с энергетическим полем. Только одно мероприятие - отказ от механического рабочего органа машины, характерный для всех новых способов дезинтеграции, сразу упрощает решение проблемы износа мелющих тел.
Для решения этой проблемы необходимо создание и внедрение принципиально новых способов дробления и измельчения материалов на основе фундаментальных исследований, НИР и ОКР, с использованием рациональных видов сдвиговых, растягивающих и других усилий, эффекта механической активации и других видов воздействия на измельчаемый материал.
Это обстоятельство вызвало в последние годы интенсификацию работ по созданию эффективных дробильно-измельчительных машин и процессов. Проводимые исследования и опытно-конструкторские работы направлены на создание аппаратов, использующие вышеуказанные принципы разрушения. Некоторые работы проводятся уже в течение нескольких десятков лет, однако из-за ненадежности конструктивного исполнения или малой производительности аппаратов они еще не нашли пока массового использования в промышленности (мельницы Крюкова и Федорова [12]).
С точки зрения оптимального характера единичного акта разрушения необходимо подвергать материал преимущественно не сжатию, а растяжению, изгибу, сдвигу, кручению с высокими градиентами напряжений. Важно также своевременно отводить из зон дезинтеграции уже измельченный до требуемой фракции продукт. Необходимым условием такой организации процесса измельчения является максимальное увеличение количества материала, подвергаемого разрушению в единицу времени путем направления энергии разрушения на единичные частицы с распределением их тонкими слоями непрерывной подачей измельчаемого материала в зоны измельчения. Таким образом, даже если прилагаемые деформационные усилия будут ниже по своему уровню, чем предел прочности разрушения материала, будет происходить накопление энергии разрушения в теле кусков в результате многократного ударного характера воздействия. При деформации не единичного куска, а слоя материала, в разрушаемом куске горной породы на поверхности раздела кристаллов минералов с различными упругими
Меняя режимы движения слоев материала, можно регулировать дробящую силу, прилагая к слою разрушаемого материала многочисленные импульсные дозированные нагрузки определенной величины. Отдельная частица испытывает в данном случае воздействие соседних частиц материала и подвергается неоднократным циклическим объемным нагружениям. Это приводит к возникновению усталостных эффектов и концентрации дислокаций на границе зерен.
В СКГМИ был разработан способ измельчения материалов, согласно которому давление материала на нижнюю часть столба поддерживают равным 0,005–0,049 МПа [17]. Эти значения давления присущи значениям цилиндрического столба менее 2,5 м. Практической реализацией этого способа являются центробежные мельницы вертикального типа [18]. Новый процесс самоизмельчения минерального сырья многократно исследовался на лабораторных моделях мельницы «МАЯ» (мельница А. Ягупова) с диаметром ротора 300 и 450 мм [19-26], а также на опытно-промышленной мельнице МАЯ-Р6 с диаметром ротора 600 мм в условиях обогатительной фабрики Урупского ГОКа [27-29]. Измельчению подвергались различные сырьевые материалы: известняк, доломит, коксы, цементный клинкер, марганцевая, медная и свинцово-цинковая руды, различные углеродистые материалы. Все проведенные испытания в лабораториях и промышленных условиях показали экономическую целесообразность и перспективность нового способа самоизмельчения за счет: отсутствия мелющих тел; совмещения операций мелкого дробления и измельчения; малой металлоемкости; отсутствия специальных фундаментов;
Разработка математической модели движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы
Алгоритм, разработанный для расчета поля течения, получил название SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations), что означает полунеявный метод решения уравнений. Данный алгоритм описывался в [106].
Дискретизация (получение конечно-разностного аналога исходной системы дифференциальных уравнений) производится методом контрольного объема. Основная идея метода контрольного объема легко понятна и поддается прямой физической интерпретации. Расчетная область разбивается на некоторое конечное число непересекающихся контрольных объемов таким образом, что каждая узловая точка содержится в одном контрольном объеме. Дифференциальное уравнение интегрируется по каждому из контрольных объемов. Для вычисления интегралов используются кусочные профили, которые описывают изменение переменной между узловыми точками. В результате получается дискретный аналог дифференциальных уравнений, в который входят значения переменной в некоторых узловых точках.
Полученный подобным образом дискретный аналог выражает закон сохранения для конечного контрольного объема точно так же, как дифференциальное уравнение выражает закон сохранения для бесконечно малого контрольного объема. Одним их важных свойств метода контрольного объема является то, что в нем заложено точное интегральное сохранение таких величин, как масса, количество движения и энергия на любой группе контрольных объемов и, следовательно, на всей расчетной области. Это свойство проявляется при любом числе узловых точек, а не только в предельном случае очень большого их числа. Таким образом, даже решение на грубой сетке удовлетворяет точным интегральным балансам. Ниже приведены геометрии контрольных ячеек вокруг узла P (рис. 2.1) и ячеек к расчету поля скорости (рис. 2.2, 2.3). Причем символы w, n, e, s характеризуют «стороны света».
Заметим, что перед применением метода контрольного объема для получения дискретизации исходной системы, строится шахматная сетка. Исходная область покрывается равномерной сеткой
Давление определяется в узловых точках построенной сетки, а компоненты скорости определяются в точках расположенных на гранях контрольного объема.
Такая сетка называется шахматной. Получим конечно-разностный аналог дифференциальной системы уравнений.
Если вместо Ф подставлять соответственно u, v, то из уравнения (2.10) можно получить уравнения движения для соответствующих компонент скорости.
Интегрирование уравнения (2.10) по контрольному объему дает: где Лх, Лу, Зх, ду - величины, показанные на рис. 2.4 Если в уравнении (2.12) заменить производные, присутствующие в диффузионных членах на их центрально-разностные аналоги вида:
Как нетрудно выяснить, построенные таким образом схемы являются схемами первого порядка. Результаты расчетов по таким схемам показывают проявление схемной вязкости, изменяющей картину течения [9]. Схемная вязкость проявляется в сглаживании резких, скачкообразных изменений функции Ф за счет возникновения искусственной диффузии при использовании схемы против потока.
Значения коэффициентов anb, ap связаны с влиянием совместных конвективных и диффузионных процессов на гранях контрольного объема и имеют вид, аналогичный (2.21) с учетом смещения контрольного объема. Уравнения движения можно решить только в том случае, если поле давления задано или каким-либо образом найдено. Если при решении использовалось некорректное поле давления, найденное поле скорости не будет удовлетворять уравнению неразрывности. В этом случае поле скорости, получаемое с использованием приближенного поля давления р , выразим через u u v и найдем из решения системы уравнений:
Существует способ улучшения получения приближенного поля р таким образом, чтобы результирующее поле скорости с каждой итерацией лучше удовлетворяло уравнению неразрывности. Представим, что истинное давление может быть найдено из соотношения р = р +р , где р - поправка давления. Необходимо установить, как будут изменяться составляющие скорости в соответствии с таким изменением давления. Для этой цели введем поправки скорости и = и +и , v = v +v , где и, V- добавки к скоростям на коррекцию. Вычитая из уравнений системы (2.23) уравнения (2.24), а также пренебрегая
Интегрируя уравнение неразрывности по контрольному объему, можно получить его дискретный аналог в виде уравнения для поправки давления, если вместо составляющих скорости подставить их выражения из поправочных формул для скорости:
Из (2.28) можно видеть, что член b в уравнении для поправки давления по существу равен левой части дискретного аналога уравнения неразрывности (2.16), записанного через значения составляющих скорости с индексом . Равенство b=0 означает, что эти составляющие удовлетворяют уравнению неразрывности и не требуется никакой коррекции давления. Таким образом, член b представляет собой «источник массы», который должен быть скомпенсирован поправкой давления.
Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными исследованиями центробежной мельницы вертикального типа
Как видно из рис. 4.30 выход кл. – 0,08 мм в установившемся режиме измельчения при использовании рёбер с вырезами до 11 % выше, чем при цельных рёбрах. На наш взгляд, этот результат связан не только со своевременной эвакуацией готового продукта из рабочего пространства через решетки в наклонной части ротора мельницы, но и с созданием в рабочем пространстве мельницы условий для эффективного контакта измельчаемых частиц, находящихся в нижних слоях динамически подвижного цилиндрического столба материала, с частицами, находящимися перед рабочей зоной радиальных рёбер ротора.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований характера движения измельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной мельницы вертикального типа при выполнении трапецеидальных вырезов в теле радиальных ребер ротора было установлено следующее:
1. Производительность мельницы выше при использовании вырезов в радиальных ребрах ротора. Причем рост производительности происходит при низких значениях удельного расхода электроэнергии. Это можно объяснить большей разницей скоростей частиц измельчаемого материала и верхних кромок радиальных ребер ротора центробежной мельницы вертикального типа, находящихся на одинаковом расстоянии от оси мельницы, при установке в полости ротора радиальных ребер с вырезами прямоугольной или трапецеидальной формы, выполненными в зоне у ступицы ротора и цельных ребер.
2. Видно, что удельный расход электроэнергии при установке в полости ротора центробежной мельницы радиальных ребер с вырезами у ступицы ротора в среднем на 11 % меньше, чем при использовании цельных ребер.
3. Выполнение вырезов в радиальных рёбрах ротора центробежной мельницы вертикального типа повышает выход кондиционного продукта за счет увеличения градиента скоростей взаимного соударения измельчаемых частиц, созданного в рабочей зоне мельницы, а также за счет своевременной эвакуации готового продукта через решетки ротора.
Результаты компьютерного моделирования экспериментально подтверждены, причем рост производительности происходит при снижении удельного расхода электроэнергии [121] (в данной работе мною проведено компьютерное моделирование, проведен эксперимент, обработаны результаты рассчетов, обработаны результаты эксперимента, проведен анализ полученных результатов и предложена их интерпритация - 70%).
Таким образом, теоретически рассмотрев характер движения сыпучей среды в полости центробежной мельницы вертикального типа с вырезами различных размеров в ребрах, и основываясь на том, что дробление материала зависит от разности скоростей ребра и материала вблизи кромок ребер получен экспериментально подтвержденный вывод о том, что производительность мельницы с вырезами в ребрах, длина которых у верхней кромки ротора 0,1 м, а у основания - 0,07 м будет больше при одинаковых энергозатратах.
Характер движения материала, определенный в результате расчетов, подтверждается опытами (рис. 4.30). Видно, что краска, которой был окрашен ротор, наиболее сильно повреждена именно за вращающимся ребром. Точки контакта материала и ротора были предсказаны при компьютерном моделировании. Возможно, установка высевающих решеток в этих местах будет способствовать более активному выходу готового продукта.
При этом на ребре в вертикальной плоскости хорошо различимы три зоны с разной интенсивностью столкновения сыпучей среды с ребром (рис. 4.32). Первая зона в верхней части ребра имеет треугольную форму, окрашена в белый цвет доломитовой пылью. В этой зоне наблюдается наиболее интенсивное взаимодействие сыпучей среды и радиального ребра. Вторая зона – окрашена в темный цвет металла, на котором не сохранилось краски. В этой зоне соударения ребра и частиц измельчаемого материала обладали средней интенсивностью. В третьей зоне в нижней части ребра сохранилась краска, которой было окрашено ребро, что говорит о наименьшей интенсивности соударений.
Компьютерное моделирование движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа с помощью выбранной математической модели показало, что наличие вырезов в ребрах ротора мельницы снижает скорость движения измельчаемого материала непосредственно над ротором, что должно приводить к увеличению интенсивности соударения частиц измельчаемого материала со слоем частиц, сформировавшимся на вращающихся ребрах, и способствовать интенсификации ударного разрушения материала. Выбрана оптимальная форма вырезов в виде трапеции.
Компьютерное моделирование движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы с вырезами в ребрах ротора
В нижней части вал 2 соединен с приводом (на рисунке не показан). В верхней части вал 2 соединен с чашеобразным ротором 5, имеющим форму перевернутого полого усеченного конуса.
Внутренняя полость чашеобразного ротора 5 разделена радиальными перегородками 6 на секции, а в каждой секции имеются просеивающие поверхности в виде сит 7, вмонтированных непосредственно в наклонную стенку чашеобразного ротора 5. Радиальные перегородки 6 в чашеобразном роторе 5, в пространстве между перегородками 6 и ступицей ротора 8 выполнены с вырезами 9 в виде прямоугольной трапеции, меньшее из оснований которой прилегает к днищу внутренней полости ротора. Радиальные перегородки 6 также имеют в нижней части над наклонной поверхностью ротора 5 сквозные пазы в виде прямоугольников 10, каждая большая из сторон которых размещена на наклонной поверхности ротора 5.
В верхней своей части внешняя стенка чашеобразного ротора 5 выполнена с отогнутым от центра его горизонтальным участком 11, который выполнен съемным. На корпусе 1 закреплен выступ 12 с окнами 13, верхняя поверхность которого расположена под горизонтальным участком 11 ротора 5 с минимальным зазором по отношению к горизонтальному участку 11.
Над кольцевым выступом 12 и концентрично корпусу 1 установлен перфорированный цилиндр 14, охватывающий в нижней части периферийную часть горизонтального участка 11 таким образом, что между поверхностями корпуса 1, кольцевым выступом 12 и перфорированным цилиндром 14 образованны камеры 15 для вывода готового продукта из рабочей зоны мельницы. Между цилиндром 14 и участком 11 имеется кольцевой зазор. Сверху камера 15 закрыта кольцом 16. К нижнему фланцу корпуса 1 крепится сборник 17, в котором имеется патрубок 18 для отвода измельченного материала из мельницы. Сверху корпус 1 перекрыт крышкой 19, в которой имеется загрузочное отверстие 20 для присоединения воронки (на фиг. не показан), через которое осуществляется непрерывное питание мельницы кусковым материалом.
Мельница работает следующим образом. От привода (на рисунке не показан) вращательное движение через вал 2 передается чашеобразному ротору 5, в это время в рабочее пространство мельницы через загрузочное отверстие 20 в крышке 19 непрерывно подают подлежащий дроблению и измельчению материал. Большая часть рабочего пространства мельницы все время заполнена материалом, образующим цилиндрический столб 21 над вращающимся ротором 5.
Частицы измельчаемого материала, находящиеся в нижних слоях цилиндрического столба 21, увлекаются перегородками 6 ротора 5, и движутся по кольцевым траекториям в пространстве над вращающимся ротором 5.
Измельчаемый материал, находящийся у оси столба 21 через вырезы 9 в перегородках 6 ротора 5 опускается на дно ротора 5, и, под действием центробежной силы перемещается к периферийной зоне внутренней полости ротора 5, прижимается к рабочей поверхности перегородок 6 и удерживается у рабочей стороны перегородок 6 за счет сил трения.
Частицы измельчаемого материала, находящиеся в нижних слоях цилиндрического столба 21, вовлеченные в движение перегородками 6, опускаются во внутреннюю полость ротора 5 и сталкиваются с частицами, расположенными перед рабочей поверхностью перегородок 6, вследствие чего происходит взаимное разрушение частиц за счет сочетания операций дробления, скалывания и многоциклового ударного процесса, приводящего к усталостному разрушению частиц. При этом выполнение вырезов 8 в виде трапеции в радиальных перегородках 6 снижает тангенциальную скорость движения вовлеченных в движение частиц, находящихся в нижних слоях столба 21, соответственно повышается скорость взаимного соударения частиц, сформированных перед рабочей поверхностью перегородок 6, с частицами материала, находящимися в нижних слоях столба 21, что повышает производительность и эффективность мельницы.
Измельченный материал кондиционных фракций удаляется из внутренней полости ротора 5 через сита 7, встроенные в наклонную часть чашеобразного ротора 5 и непрерывно выводится из мельницы через сборник 17.
Измельченный материал, находящийся в периферийной части столба 21 в зоне над вращающимся ротором 5, непрерывно поднимается, преодолевая давление столба под действием давления, вызванного центробежной силой и совершает движение вдоль стенок перфорированного цилиндра 14 по восходящей винтовой линии, теряя свою энергию на истирание частиц друг о друга и на трение о стенки цилиндра 14, и, вместе с исходным материалом, опускается в центральную часть полости ротора 5. При этом мелкие частицы кондиционных фракций, находящиеся у внутренних стенок цилиндра 14, удаляются из рабочего пространства мельницы через отверстия цилиндра 14, в дальнейшем попадают в камеру 15, и далее проходят через отверстия 13 в кольцевом выступе 12 и удаляются из сборника 17 через патрубок 18.
Использование предлагаемой мельницы позволит по сравнению с прототипом повысить её производительность и эффективность за счет большей скорости удара частиц сформированных перед рабочей поверхностью ребер с частицами материала, находящимися в нижних слоях столба материала, в пространстве над верхними кромками перегородок и вовлеченными в движение перегородками ротора. Так же можно повысить скорость удара частиц другими способами [122, 124-128] (в данных работах мною проведено компьютерное моделирование, обработка результатов и участие в обсуждении полученных резльтатов – 30%).