Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор теоретических и экспериментальных исследований 7
1.1 Влияние характера процесса размола на свойства волокнистых материалов 7
1.2 Влияние конструктивных параметров размалывающих машин на размол 14
1.3 Особенности размола в установках с ударным воздействием на обрабатываемый материал 23
1.4 Цели и задачи исследований 31
2. Теоретическая часть 33
2.1 Построение единичных радиальных ножей прямолинейной формы с ударным эффектом 33
2.2 Обеспечение одновременности контакта режущих кромок ножей по всей длине 45
2.3 Определение основных технологических параметров гарнитуры 56
2.4 Анализ скоростных характеристик движения ножей ротора 63
2.5 Механизм возникновения силовых факторов и характер их воздействия на волокнистый полуфабрикат 65
2.6 Характер распределения силовых факторов в межножевом зазоре, образованном при сопряжении рабочих поверхностей единичных радиальных ножей гарнитур ротора и статора 73
3 Экспериментальная часть 91
3.1 Методика проведения эксперимента 91
3.2 Описание экспериментальной установки 92
3.3 Планирование эксперимента 101
3.4 Результаты экспериментальных исследований для гарнитуры ударного типа без скоса фасок 106
3.5 Определение оптимального режима размола волокнистого полуфабриката при использовании ножевой гарнитуры дисковой
мельницы с ударным эффектом без скоса фасок 118
3.6 Результаты экспериментальных исследований для гарнитуры ударного типа с различными углами скоса фасок 119
3.7 Определение оптимального режима размола волокнистого полуфабриката при использовании ножевой гарнитуры дисковой мельницы с ударным эффектом для различных углов скоса фасок 132
4 Практическая реализация 135
Общее заключение 139
Библиографический список
- Особенности размола в установках с ударным воздействием на обрабатываемый материал
- Обеспечение одновременности контакта режущих кромок ножей по всей длине
- Результаты экспериментальных исследований для гарнитуры ударного типа без скоса фасок
- Результаты экспериментальных исследований для гарнитуры ударного типа с различными углами скоса фасок
Особенности размола в установках с ударным воздействием на обрабатываемый материал
Многочисленные теории размола, начавшие появляться с конца 19-го века, считали, что волокна при размоле становятся тоньше и приобретают определенную упругость, что и сказывается на улучшении прочностных свойств бумаги в процессе ее формирования.
Сущность процесса размола в ножевых размалывающих машинах в полной мере до настоящего времени не ясна. Объясняется это сложностью процесса размола, зависящего от многих факторов и недостаточностью проведенных в этой области исследований. Считается, что главными управляемыми факторами процесса размола волокнистых полуфабрикатов является продолжительность размола и удельное давление на волокно, создаваемое в зоне размола или удельная нагрузка на кромки ножей [91].
Удельная нагрузка на кромки ножей зависит от многих факторов, среди которых немаловажную роль играют конструктивные особенности ножевой гарнитуры. В частности, углы скрещивания ножей ротора и статора, в процессе размола, их геометрические параметры, форма площади поперечного сечения и др. Угол скрещивания ножей гарнитуры ротора и статора является параметром, с помощью которого можно варьировать соотношение гидратирующего и укорачивающего воздействия на волокнистый материал, а также удельный расход электроэнергии на размол.
Для увеличения внешней удельной поверхности волокна и прочности межволоконных связей следует создавать нагрузки, работающие на растяжение волокон, и уменьшать режущее воздействие ножевой гарнитуры.
Наибольший эффект воздействия на флокулярную массу происходит при движении волокнистой массы в стесненном межножевом пространстве ножевых размалывающих машин. При этом силовые воздействия могут развиваться по двум направлениям: во-первых, путем резания флокена острыми кромками скрещивающихся ножей, когда основная часть волокон не попадает в межножевой зазор, и, во-вторых, путем вязко-пластичной деформации флокена между рабочими поверхностями ножей [16].
Процесс механического разрезания флокена, сопровождающийся рубкой волокон, легко осуществляется на ножевой гарнитуре и не требует больших затрат энергии. Провести обработку массы с доминированием фибриллирующих воздействий значительно сложнее. Обычно для этой цели увеличивают межножевой зазор, скорость рабочих органов и концентрацию массы. Но увеличение зазора снижает удельное давление размола, растягивая процесс во времени, в результате чего расход энергии значительно увеличивается. Повышение окружной скорости вращения ротора вызывает неоправданно большие затраты энергии на преодоление потерь на трение и гидравлические сопротивления. Одновременно с этим увеличивается износ рабочих органов. Размол при высокой концентрации (10 - 30 %) также требует повышенных энергозатрат. Кроме того, возникают дополнительные трудности при сгущении и транспортировке высоко концентрированной массы [9]. X. Экспенмиллер [1], базируясь на работах С. Смита [90] и Л. Брехта [68] с сотрудниками, предложил гипотезу о пяти стадиях размола между ножами мельницы:
В первой стадии происходит сближение ножей с нависшими на их кромках волокнистыми наслойками.
Вторая стадия. Ножи начинают проходить друг над другом. X. Эспенмиллер считает, что в этот момент устанавливается очень высокое механическое давление порядка 6,0 - 30,0 МПа, действующее на волокна. Если прослойка сжата давлением, которое не превышает сил упругости, волокна восстановятся обратно без изменения структуры. Однако в случае, если будет превзойден предел упругости, физические характеристики волокна изменятся.
Третья стадия. Сжатые волокна проходят между поверхностями ножей ротора и статора. Теоретически подсчитано, что в этой стадии осуществляется только 10 % рафинирующего действия. Волокна расщепляются, прокатываются между рабочими поверхностями ножей.
Четвертая стадия. В этой стадии, когда поверхности ножей сходят друг с друга, рафинирующее действие на волокна прекращается. Сжатые перед этим волокнистые прослойки освобождаются от механического действия.
Пятая стадия. Волокна диспергируются. Пучки волокон с повышенной концентрацией очень быстро впитывают воду и быстро достигают первоначальной концентрации интенсивным гидродинамическим перемешиванием, производимым вращающимися ножами. Механические воздействия на волокна в процессе размола проявляются в рубке волокон, их раздавливании, расчесывании с отделением пучков фибрилл и образованием на поверхности волокон своеобразного ворса из отдельных фибрилл (внешняя фибрилляция). Гидродинамические воздействия выражаются, прежде всего, в ударах волокнистой суспензии о размалывающие органы и стенки размалывающего аппарата. Эти гидродинамические удары дополняют механические воздействия на волокна. Одновременно при этом имеет место трение волокон друг о друга в зоне размола и пульсации гидродинамического давления в узком зазоре между ножами ротора и статора при их набегании и сходе в процессе вращения ротора.
Таким образом, главная цель размола заключается в подготовке поверхности целлюлозных волокон к образованию межволоконных сил связей, приданию волокнам способности связываться между собой в прочный бумажный лист. Это достигается частичным разрушением и удалением наружных клеточных стенок, повышением гибкости и пластичности волокон за счет ослабления и усиленного набухания целлюлозного волокна в межфибриллярных пространствах и на поверхности фибрилл [30].
Многие исследователи [27, 35, 36, 38], рассматривая процесс размола волокон в ножевых размалывающих машинах, справедливо указывают, что размол за счет прямого силового воздействия ножевой гарнитуры имеет место при зазорах, сравнимых с толщиной волокна. При больших зазорах в действие вступают силы, отличные от сил механического воздействия ножей гарнитуры. Регулируя зазор между размалывающими поверхностями ротора и статора, изменяют характер воздействия на волокно. Например, при расстоянии между ножами от 0,8 до 0,65 мм происходит легкий расчес; от 0,6 до 0,5 мм - сильный расчес; от 0,4 до 0,2 мм - легкий размол; от 0,2 до 0,1 мм - средний размол; при зазоре менее 0,1 мм - сильный размол с высоким удельным давлением [39]. Удельное давление выбирают также в зависимости от требующегося характера помола и прочности исходного волокна. Для получения жирного помола удельное давление при размоле в роллах составляет от 0,05 до 0,6 МПа, для садкого - более 0,8 МПа. Удельное давление у конических мельниц с наборной гарнитурой обычно находится в пределах от 0,2 до 0,4 МПа, с литой гарнитурой - до 0,05 МПа, у дисковых мельниц - от 0,07 до 0,2 МПа.
В работах Ю. Д. Алашкевича экспериментально доказано, что величина зазора между ротором и статором оказывает влияние на характер размола волокнистых суспензий в ножевых размольных машинах, где наряду с механическим воздействием ножевой гарнитуры на волокно возникают также гидродинамические явления в потоке суспензии [40].
С повышением удельного давления продолжительность размола сокращается, расход энергии уменьшается, волокна укорачиваются, механическая прочность бумаги снижается. Следовательно, размол волокнистых материалов нужно вести с оптимальным удельным давлением.
Для получения бумаги максимальной прочности не следует интенсивно размалывать волокнистый материал. Необходимо воздействовать на волокно так, чтобы освобождались содержащиеся в его наружных слоях гемицеллюлозы, частично или полностью разрушался наружный слой вторичной стенки и сохранялся неразрушенным средний слой. Подобная обработка без рубки волокон бывает при размоле волокнистых материалов ультразвуком, высокочастотными механическими пульсирующими воздействиями, электрогидравлическим ударом и т. п. Массу со стабильными свойствами можно получать и благодаря автоматической системе регулирования удельного давления размола [41].
Обеспечение одновременности контакта режущих кромок ножей по всей длине
Теоретическая часть включает в себя рассмотрение следующих вопросов: - разработка обоснованного метода построения единичных прямолинейных ножей ротора и статора и возможные варианты их распределения на рабочей поверхности гарнитуры, обеспечивающие одновременность контакта по всей длине их режущих кромок; - определение основных технологических параметров процесса размола волокнистых полуфабрикатов в зависимости от геометрии и характера распределения ножей; - проведение анализа скоростных характеристик движения режущих кромок ножей ротора относительно ножей статора; - проведение анализа силовых параметров при движении режущих кромок ножей и характера их воздействия на волокно при различных конструкциях гарнитуры. Построение единичных радиальных ножей прямолинейной формы с ударным эффектом Построение произведём на примерах двух исполнений, равномерно распределенных на размалывающей поверхности диска, единичных радиальных ножей, режущие кромки которых выполнены без фасок и с фасками. Рассмотрим по отдельности каждое из исполнений.
На рисунке 2.1 изображена фронтальная проекция и радиальное сечение гарнитуры дисковой мельницы без скоса кромок. Размалывающие поверхности ножей зачернены. Гарнитура дисковой мельницы включает кольцо 1, с равномерно распределёнными на его рабочей стороне ножами 2 и межножевыми канавками 3, выполненными в форме усеченных радиальных секторов. Радиальное сечение А — А выполнено вдоль канавки 3. Прямые линии режущих кромок 4, в которые проецируются вертикальные боковые стенки 5 ножей 2, сходятся в центре 6. Боковая поверхность внутреннего отверстия 7 кольца 1 снабжена скосом ножей 8, линия пересечения которого с: - размалывающей поверхностью 9 является ограничивающей её входной окружной кромкой 10; - боковой поверхностью внутреннего отверстия 7 и дном 11 канавок 3 является окружной кромкой 12, на которой расположены вершины углов У , образованных скосом ножей 8 и дном 11.
Окружные толщины ai единичных ножей 2 и ширины si, смежных с ними межножевых канавок 3, равномерно увеличиваются от авх, sex входной окружной кромки 10, до авых , seblx выходной окружной кромки 13 (периферии) кольца 1. Окружные удельные площади ft = at -к ітьіх произвольных кольцевых секторов равномерно распределённых на рабочей поверхности 9 единичных ножей 2, также равномерно увеличиваются от /вх = вх к до /вьж = авьш -к , где к- радиальная высота произвольного кольцевого сектора единичного ножа 2, равная единице измерения окружной толщины а І , а именно, к = 1 мм. Считаем, что количество тр ножей 2 ротора равно количеству тс ножей 2 статора, т. е. тр = тс . Тогда, в отличие от известных решений, в предлагаемом радиальные режущие кромки 4 ножей 2 (вращающегося диска ротора и неподвижного диска статора) и нависшие на них волокнистые наслойки контактируют между собой линейно, т. е. соударяются одновременно по всей длине / режущих кромок 4, при этом углы
Размалывающая гарнитура с радиальными ножами, без скрещивания ІСКР режущих кромок 4 ножей ротора и статора, от входной 10 до выходной 13 окружных кромок кольца 1 равны. Определим аналитические зависимости, необходимые для расчёта основных геометрических параметров данной гарнитуры.
Радиус входной окружной кромки 10 кольцевого диска гарнитуры Согласно рисунку 2.1 где: т - радиус внутреннего отверстия 7 кольца 1; d - диаметр внутреннего отверстия 7 кольца 1; гвх радиус входной окружной кромки 10 кольца 1; dBX - диаметр входной окружной кромки 10 кольца 1; h - высота ножей 2 (глубина межножевых канавок 3); У - угол, образованный окружной поверхностью входной фаски 8 кольца 1 и дном 11 (межножевой канавки 3), пересекающейся на окружной кромке 12 с боковой поверхностью внутреннего отверстия 7 кольца 1.
Длина режущей кромки 4 единичного радиального прямолинейного ножа 2 определяется из зависимости где R - радиус наружной выходной окружной кромки 13 кольца 1. Дуговой шаг между радиальными ножами 2, определяем последовательно.
Результаты экспериментальных исследований для гарнитуры ударного типа без скоса фасок
Для максимального нормального усилия, развиваемого на і окружности (с радиусом ) межножевой полости, соотношение (2.129) можно представить в виде Как отмечалось выше (п.2.1.1.4), дуговые толщины а радиального ножа без фаски определяются по зависимостям (2.12), (2.13), (2.14) и дуговая ширина рабочей поверхности единичного радиального ножа 2 с фаской (представляющей часть окружности с произвольным радиусом , ограниченная пассивной 7 и режущей 9 кромками, согласно рисунку 2.3); авых дуговая ширина рабочей поверхности единичного радиального ножа 2 без фаски (см. рисунок 2.1) на выходной окружной кромке 13 (определяется по зависимости (2.14); Рвых длина проекции дуги (принимаем её равной периферийной ширине фаски 8, т. е. входному параметру) ограничивающей фаску 8 по выходной окружной кромке 18 (см. выше, п. 2.1.2.1, пояснение к зависимости (2.23).
В частности, в соответствии с (2.131) .3 Характер распределения нормального давления в межножевом зазоре по радиальной длине сопряжения единичных ножей ротора и статора Для решения поставленной задачи необходимо определить максимальные нормальные усилия и давления. Единичные традиционные и радиальные ножи Представляется, что распределение максимальных нормальных усилий на площадях произвольных кольцевых секторов, от входной до выходной окружных кромок, также подчиняется условию равенства крутящих моментов крутящий момент на окружности с радиусом rcp = r6, среднего проверочного кольца;
Единичные радиальные ножи с фасками Максимальные нормальные усилия на площадях произвольных кольцевых секторов. Согласно условия (2.131), величина крутящего момента на валу диска ротора постоянна, т. е. Мср =М. = Const . Как отмечалось выше, величины максимальных нормальных усилий (F"K см. выше, зависимость (2.130)) на площадях ft (см. выше, равенство (2.128)) произвольных кольцевых секторов радиальных ножей с фасками идентичны усилиям ( развиваемым на равноудаленных от центра О площадях /г і HP J піР произвольных кольцевых секторов не радиальных и радиальных ножей. дуговая толщина (с радиусом ) единичного радиального ножа с фаской, ограниченная его пассивной 7 и режущей 9 кромками (см. п. 2.1.2, рисунки 2.2 и 2.3), определяемая по зависимости (2.131). Характер распределения нормального давления в межножевом зазоре в известных гарнитурах с не радиальными и в исследуемых гарнитурах с радиальными ножами (рисунок 2.6, 2.7, 2.8).
На одиннадцати произвольных кольцевых секторах (каждой из названных гарнитур), каждый из которых ограничен двумя дополнительными концентрическими окружностями с радиусами Ц 0,5 и rt + 0,5 считаем:
Анализ табличных данных и графических зависимостей При анализе графических зависимостей (рисунок 2.11) были выявлены закономерности и особенности характера изменения максимального нормального давления в межножевом зазоре (в направлении от входной окружной кромки к выходной окружной кромке).
На входной окружной комке, на размалывающей поверхности сопряжения, максимальное нормальное давление принимает: - наибольшее значение при радиальной форме единичных ножей, режущие кромки которых выполнены в виде фаски (10,868 МПа); - среднее значение при радиальной форме единичных ножей без фасок (8, 793 МПа); - наименьшее значение при традиционной форме единичных ножей (5,470 МПа). Таблица 2.2 - Характер распределения нормального давления в межножевом зазоре по радиальной длине сопряжения единичных ножей ротора и статора
На средней окружной кромке, на размалывающей поверхности сопряжения, максимальное нормальное давление принимает: - наибольшее значение при радиальной форме единичных ножей, режущие кромки которых выполнены в виде фаски (4,203 МПа); - меньшее значение, одинаковое при традиционной и радиальной форме единичных ножей без фасок (3,4 МПа);
На выходной окружной кромке, на размалывающей поверхности сопряжения, максимальное нормальное давление принимает: - наибольшее значение на единичных ножах традиционной размольной гарнитуры (2,47 МПа); - среднее значение при радиальной форме единичных ножей с фасками (2, 216 МПа); - наименьшее значение при радиальной форме единичных ножей без фаски (1,792 МПа).
На основании анализа полученных результатов можно сделать заключение, что нормальное давление в межножевом зазоре для всех рассмотренных исполнений единичных ножей равномерно снижается от максимального - на входной окружной кромке, до минимального - на выходной окружной кромке.
Эти данные подтверждаются расчетом нагрузок, создаваемых на кромках ножей гарнитуры произведенным в программном комплекс САПР SolidWorks 2011 в модуле по газо/гидродинамическим расчетам SolidWorks Flow Simulation.
Данные расчета представлены графически (рисунок 2.12), распределение давления по поверхности гарнитуры показано различными цветами, с увеличением давления от холодных к более теплым цветам.
Как видно из рисунка, давление на ножевой поверхности гарнитуры на входе в межножевой зазор составляет порядка 10 МПа и снижается к выходу с поверхности гарнитуры до давления порядка 3,2 МПа, что укладывается в рамки расчетных данных, приведенных в таблице 2.2. Рисунок 2.12 - Данные расчета давления, создаваемого на поверхности ножевой гарнитуры в модуле SolidWorks Flow Simulation
Результаты экспериментальных исследований для гарнитуры ударного типа с различными углами скоса фасок
Из данных рисунка 3.22 прослеживается меньшая тенденция укорачивания волокна с ростом степени помола на гарнитуре с ударным эффектом, в сравнении с традиционной гарнитурой. Объясняется это следующим: масса, попадая в зазор между ножами ротора и статора, испытывает ударную нагрузку кромок гарнитуры, т. к. между встречающимися ножами угол скрещивания равен нулю, и подвергается в большей степени фибриллирующему воздействию, что положительно сказывается на сохранении исходной длины волокна.
Вместе с тем, следует отметить, что увеличение скоса фаски до 30 приводит к большему укорочению волокна, так, например, при размоле до 60 ШР среднеарифметическая длина волокна составляет 1,5 мм, тогда как на гарнитуре со скосом фаски 15 это значение составляет 1,9 мм. Объясняется это, на наш взгляд, тем, что при изготовлении фаски 30 на кромках ножей нависает большее количество волокна и, попадая в межножевой зазор, волокно оказывается под воздействием больших усилий, приводящих к разрыву волокна, вследствие резкого перепада давления.
Из графика, представленного на рисунке 3.25, видно, что показатель водоудерживающей способности повышается с увеличением степени помола. Показатель водоудерживающей способности отрицательно сказывается при отливе бумажного полотна на сеточной части бумагоделательной машины. Поэтому стремятся разработать массу с минимальным укорочением волокна и невысокими показателями водоудерживающей способности.
На рисунке 3.28 представлен график изменения разрывной длины отливок, полученных из волокнистой массы, подвергнутой размолу на гарнитурах с различной конструкцией. Как видно из рисунка, для гарнитур, не имеющих скоса фаски и имеющих скос до 15, величина разрывной длины несколько выше, чем для гарнитуры, имеющей скос кромок 30. Вместе с тем, разница в количественных значениях разрывной длины для гарнитур, не имеющих фаски и гарнитур имеющих фаску 5 и 15, мало отличаются друг от друга.
Как видно из рисунка 3.31, качественные зависимости прироста степени помола носят идентичный характер. Вместе с тем, для гарнитур с наличием фасок под углом 5 и 15 количественные зависимости сопротивления бумаги излому отличаются друг от друга незначительно. Что же касается гарнитуры без скоса фаски, наблюдается некоторое снижение показателей числа двойных перегибов, по сравнению с традиционной секторной гарнитурой.
Из данных на рисунке 3.34 видно, что качественные зависимости имеют одинаковый характер, однако количественные показатели существенно отличаются. Так, например, сопротивление продавливанию у гарнитуры с ударным эффектом и скосом фаски при 50 ШР имеет значение 405 кПа, а у традиционной восьмисекторной гарнитуры - 375 кПа. Из этого следует, что гарнитура с ударным воздействием имеет более высокие показатели сопротивления продавливанию, чем традиционная гарнитура.
Определение оптимального режима размола волокнистого полуфабриката при использовании ножевой гарнитуры дисковой мельницы с ударным эффектом для различных углов скоса фасок
Решение программы оптимизации проводится аналогично расчету раздела 3.5. При данных параметрах, с изменением скоса фасок ножей гарнитуры в пределах от 0 до 30, при параметре оптимизации Yj — min, выявлено, что оптимальным значением угла скоса фаски является 15.
В результате решения задачи оптимизации, были определены оптимальные параметры работы размольной установки, в зависимости от основных характеристик волокнистого полуфабриката и удельного расхода электроэнергии. Таким образом, варьируя технологическими и конструктивными параметрами работы размольной установки, можно прогнозировать необходимые показатели готовой продукции с минимальным удельным расходом электроэнергии на получение газетной бумаги необходимого качества. Полученные данные могут быть использованы при эксплуатации предлагаемой размалывающей машины в производственных условиях.
Определена зависимость изменения основных бумагообразующих свойств целлюлозы и физико-механических характеристик отливок, при использовании ударной гарнитуры с различными углами скоса фасок ножей. Практическая реализация результатов работы
Оценка экономической эффективности процесса получения волокнистого полуфабриката, при размоле на гарнитуре с ударным эффектом, выполнена для полученных оптимальных значений процесса: п = 2000 об./мин; межножевой зазор 8 = 0,3 мм; концентрация волокнистой массы с = 2 % и угол скоса фаски ножа гарнитуры 15. Расчет приведен в сравнении с данными, полученными при использовании традиционной восьмисекторной гарнитуры с углом установки ножей к радиусу 45, при прочих равных условиях.
Экономический эффект от проведения размола в установке с ударной размольной гарнитурой равен экономии условно-постоянной части расходов в себестоимости и достигается за счет повышения количества выпускаемой продукции, снижения затрат электроэнергии и времени на размол.
