employee
Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
The article deals with the problem of complex processing of technogenic anisotropic materials. The direction of production activity, which requires the creation of special equipment for selective exposure at each stage of the technological process, is determined. A description of the devices of aggregates that have a basic crank-slide scheme of the mechanism for performing various technological functions is presented: grinding, classification, thin and ultrafine grinding, homogenization, agglomeration, etc. A brief description of patent-protected designs of vibro-centrifugal units is given: centrifugal grinding and mixing unit, centrifugal unit with parallel grinding blocks, vibration-centrifugal granulator, vibro-centrifugal unit of combined action. The design features of the vibro-centrifugal unit of combined action intended for complex processing of technogenic fibrous materials in two ways are considered. One of the developed technological options for the implementation of the vibration-centrifugal combined effect on the material is described in detail, in which, according to the single-branch variant, the processes of deagglomeration of technogenic fibrous materials in the first chamber, grinding and mixing of the components of the composite mixture in the second chamber and micro-granulation of the mixture with fiber fillers in the third the camera. The results of the analysis of the kinematic scheme of the basic crank-slide mechanism are presented and a system of equations for determining the position functions of the points of the mechanism links is obtained, the characteristics of speed and power parameters in individual units of the unit are defined. Taking into account the identified advantages of the vibro-centrifugal unit, the directions of its use for complex processing of technogenic materials are determined.
technogenic materials, multifunctional units of vibro-centrifugal type, crank-slide mechanism, kinematic analysis, kinematic and power parameters
Введение. Проблема комплексной переработки и утилизации техногенных материалов, защиты окружающей среды от загрязнений становится одной из важнейших проблем не только для нашей страны, но и для других промышленно развитых стран, которую должно решать человечество в XXI в. Ежегодно на территории РФ образуется около 6 миллиардов тонн техногенных материалов, из которых порядка 40 миллионов тонн – это твердые коммунальные отходы. Причем, только 4–5 % вовлекаются в переработку [1].
В мире насчитывается более 1000 наименований техногенных продуктов, перспективных для применения в виде вторичного сырья. Из этого количества 700 наименований включены в банки данных как предмет использования, но лишь 60 из них утилизируются тем или иным способом. В то же время, огромный объем техногенных материалов является неиспользуемым потенциалом ресурсо-энергосбережения каждого промышленно-развитого государства [2].
Особое место при этом занимает группа техногенных волокнистых материалов (ТВМ), характеризующихся анизотропной текстурой; малой насыпной плотностью и сыпучестью, повышенной влагоемкостью, склонностью к слеживаемости, повышенным коэффициентом трения и другими физико-механическими характеристиками, усложняющими их переработку (классификацию, измельчение, смешение, транспортировку и др.). К числу ТВМ относятся: базальто-ватные и целлюлозно-бумажные отходы; отходы вермикулитового производства (гидрослюды) и химической промышленности, агропромышленного комплекса и др. Переработка указанных материалов требует создания специального оборудования селективного воздействия на каждом этапе технологического процесса [3–6].
Материалы и методы. С учетом актуальности решения вышеуказанных задач на кафедре ТКММ БГТУ им. В.Г. Шухова разработана серия агрегатов вибро-центробежного типа многофункционального действия. Каждый из агрегатов имеет конструктивно-технологические особенности, обеспечивающие выполнение поставленной задачи.
Так, центробежный помольно-смесительный агрегат [7] предназначен для тонкого и сверхтонкого измельчения сыпучих материалов с различными физико-механическими характеристиками. Данный агрегат обеспечивает селективное динамическое воздействие мелющих тел на материал за счет различных траекторий движения помольных камер.
Дальнейшим совершенствованием данного агрегата стало создание центробежного агрегата с параллельными помольными блоками [8, 9], что позволило существенно повысить производительность при тех же энергозатратах.
Основываясь на базовом кривошипно-ползунном механизме агрегата для тонкого измельчения материала, был разработан вибрационно-центробежный гранулятор [10]. Агрегат предназначен для гранулирования композиционных материалов с различными физико-механическими характеристиками, в том числе с низкой насыпной плотностью (ρ0≤600 – 800 кг/м3).
На этой же базе разработан и вибро-центробежный агрегат комбинированного действия, предназначенный для комплексной переработки техногенных волокнистых материалов и выполнения различных технологических операций.
Для обеспечения стабильных динамических режимов работы агрегатов разработаны технические устройства для автоматизированного управления технологическими процессами. [11, 12]
Каждая из разработанных конструкций ВЦА выполняет свои технологические функции за счет конструктивных особенностей и организации технологического процесса.
В качестве примера, рассмотрим конструктивные особенности и принцип действия ВЦА КД [13]. Вибрационно-центробежный агрегат комбинированного действия реализует следующие технологические процессы: дезагломерацию волокнистых материалов, например, базальто-волокнистых отходов или целлюлозно-бумажных отходов; классификацию; измельчение отдельных компонентов композиционной смеси, а, также, ее гомогенизацию; получение фибронаполнителей в виде отдельных фибр или высококонцентрированных микрогранул.
Кроме того, использование последовательно или параллельно расположенных камер при обеспечении их герметичности позволяют осуществлять в них процессы пароувлажнения, сушки, вакуумирования и другие операции.
По схеме агрегата рис.1 предусмотрена переработка ТВМ способом дезагломерации в верхней камере и микрогранулирования в нижней. Во втором варианте рис.2 используется средняя камера для механоактивации, классификации или смешения материалов.
Верхняя камера выполнена призматической формы. Внутри камеры закреплены гирляндные цепные завесы. Верхние цепные завесы подпружинены по вертикали с помощью прорезиненных валиков, расположенных в их центральной части. Нижняя камера для переработки материала составлена из двух сопряженных в центре цилиндрических камер, ограниченных со стороны загрузки перегородками с загрузочными спиралевидными устройствами, а в центральной части – выгрузочными решетками. Кроме того, в цилиндрических камерах расположены мелющие тела.
Согласно схеме агрегата на рис. 2, устройство для получения фибронаполнителей содержит две камеры для переработки ТВМ и камеру микрогранулирования. Камера микрогранулирования, с загрузочным отверстием по центру и двумя выгрузочными отверстиями по краям, содержит по своему периметру прорезиненные вставки в виде усеченных конусов, направленных большими основаниями от центра в стороны выгрузки.
При необходимости переработки более плотных или слежавшихся ТВМ в обоих вариантах устройств прорезиненные валики могут быть соединены с виброустройствами [13].
Основная часть. Вышеуказанные конструкции ВЦА представляют кривошипно-ползунные механизмы, в которых функции кривошипа выполняет звено АВ, элемент ползуна С. Кинематическая связь звеньев кривошипа АВ и ползуна С выполняет рама (шатун), на которой закреплены рабочие камеры. Разработанные ВЦА имеют общую кинематическую схему (рис. 3), расчет которой сводится к следующему.
Проведенный анализ кинематической схемы механизма позволил получить систему уравнений для определения функций положения точек звеньев механизма, в которых закреплены рабочие камеры, в системе координат X0Y0, связанной со стойкой 0.
Для точки С:
(1)
где yс – координата точки С, м; l1 и l2 – длины звеньев 1 и 2, м; φ0– угол поворота входного звена 1, град.; φ1– угол поворота звена 2 относительно звена 1, град.
|
|
|
|
Рис. 1. Вибрационно-центробежный агрегат |
Рис. 2. Вибрационно-центробежный агрегат |
|
1 – станина; 2 – вертикальные направляющие; |
1 – станина; 2 – вертикальные направляющие; |
Для дальнейших преобразований необходимо учесть, что
2
, (2)
, (3)
где φ2 – угол поворота звена 3 относительно звена 2, град.
Для точки К получим зависимости изменения координат точки К
xK = xK (
), yK = yK ( ):
l1cos + lK cos(
) = xK , ( 1.4 )
l1sin + lK sin( ) = yK ,
где lK – расстояние от точки В до точки К вдоль звена 2, м.
Получаем функции положения:
точки С:
. (5)
точки К:
(6)
;
точки В, совершающей движение по окружности:
; (7)
.
Рис. 3. Расчетная схема кривошипно-ползунного
механизма
С целью установления рациональных соотношений длин звеньев рычажного механизма введем коэффициент n относительной длины шатуна
. (8)
Обозначив величину эксцентриситета l1 = e, выражения (5), (6), запишем в следующем виде:
; (9)
; (10)
Используя полученные аналитические зависимости, проводим кинематический расчет ВЦА с определением величины перемещений, скоростей и ускорений центров звеньев. Исходными данными для кинематических расчетов являются конструктивные параметры экспериментального образца ВЦА, для которого величина эксцентриситета вала е = 0,02 м; коэффициент смещения средней камеры x = 0,5; коэффициент относительной длины шатуна n = 33. Угловая скорость эксцентрикового вала постоянна и равна ω = 40 с -1. Использовались также результаты теоретических исследований агрегатов подобного кинематического типа [14–17].
Проведенный нами кинематический расчет параметров агрегата позволил определить характер скоростных и силовых параметров в отдельных узлах агрегата для расчета потребляемой мощности привода ВЦА.
Рассматривались условия действия силовых нагрузок на кинематические звенья и узлы ВЦА для дезагломерации ТВМ и гранулообразования композиционной смеси (рис. 4).
В данном случае изучался один из указанных технологических вариантов реализации ВЦА, в котором при одноветьевом варианте реализуются последовательно процессы дезагломерации ТВМ в первой камере, измельчение и смешение компонентов композиционной смеси во второй камере и микрогранулирование смеси с фибронаполнителями в третьей камере.
На кинематические звенья ВЦА воздействуют следующие усилия. На ползуны верхней камеры дезагломерации А: силы тяжести камеры дезагломерации и ее рабочих элементов 
; сила нормального давления 
ползунов на направляющие камеры дезагломерации и сила инерции 
01уu верхней камеры. На кинематическое звено О1О3 – шатун в его центральной части (камеру измельчения – смешения В): сила тяжести камеры с мелющей загрузкой G02, силы инерции по оси X- 02xu и оси Y- 02xu. На камеру гранулирования С, расположенную в нижней части шатуна О1О3 и соединенную с кривошипом О О3: сила тяжести 
03 и сила инерции 03u. В точке опоры эксцентрикового вала 
0x и 0y и крутящий момент М эксц, передаваемый эксцентриковым валом. В точке расположения контргрузов (противовесов) О4: сила тяжести контргруза к. гр. и сила инерции 04u.
Рис. 4. Схема воздействия силовых нагрузок на
кинематические звенья и узлы вибро-центробежного агрегата
Для определения мощности, затрачиваемой на преодоление сил сопротивления в кинематических звеньях, узлах и системе контргрузов ВЦА, используем метод определения приведенных моментов, заключающийся в равенстве мощностей, развиваемых приведенным моментом и моментами, возникающими от действия сил тяжести, инерции и других, приложенных к звеньям агрегата [18–19].
(11)
где Fi – сила, приложенная к звену i, Н; Мi – момент, приложенный к звену i, Н·м; Ui – скорость движения точки приложения силы Gi (Fi), м/с;
αi – угол, образованный между векторами силы (Gi) Fi и скорости Ui, град.; ωi – угловая скорость i-го кинематического звена, рад/с.
При определении мощности (11) массу ползунов и перерабатываемых в камерах материалов, в силу их незначительных величин по сравнению с рабочими элементами агрегата (подвижной рамы с тремя камерами, эксцентриковым валом, контргрузом и др.), не учитываем. Для удобства расчетов силы тяжести рамы и эксцентрикового вала приведены к соответствующим силам тяжести камер дезагломерации, измельчения – смешения и гранулирования. Силовые нагрузки от действия веса звеньев О1О3 и О3О4 не учитываем ввиду их незначительных величин. Силы трения при перемещении ползунов в направляющих камеры дезагломерации также не значительны, Fтр=N·fтр – min.
Согласно приведенной одноветьевой кинематической схеме ВЦА и указанных силовых нагрузок (рис. 4) аналитическое выражение для определения потребляемой мощности привода имеет вид:
, (12)
где V01,V02, V03 – соответственно, скорости точек (О1, О2, О3) приложения сил тяжести и инерции, м/с; Vк.гр. – скорость точки приложения сил тяжести Gк.гр. и инерции к.гр.u контргрузов, м/с; Мэксц – момент, приложенный к эксцентриковому валу, Н·м, Мэксц=ωэксц·g·e; ωэксц – угловая скорость вращения эксцентрикового вала, рад/с; α1i, α2i, α3i, α4i, α5i, α6i, α7i, α8i – соответственно, углы между векторами силовых нагрузок (Gi, Fi) и их скоростей (Vi) в точках приложения центров масс, град.
Рассмотрим схему воздействия силовых нагрузок (рис. 4) для определения параметров выражения (12). При этом, используя принцип Даламбера, считаем, что механическая система будет уравновешенной, если к существующим активным силам и реакциям связи будут приложены силы инерции.
Определим координаты точек приложения силовых нагрузок. Положение камер ВЦА определяет углом α03 (в системе координат ХОУ) при вращении точки О3 по круговой траектории вокруг центра О, а также углом α01, при перемещении кинематического звена О1О3 – шатуна [14, 20].
Координаты точки О1 по оси У получаем из следующих рассуждений.
При рассмотрении ∆O1SK и ∆ OSK имеем
О3К=О1О3·sinα01=ОО3cosα03, (13)
или полагая – длины шатуна Lо1о3=О1О3 и кривошипа Lоо3=е, а также 
– коэффициент отношения длины кинематических звеньев, кривошипа и шатуна, из последнего выражения (13) имеем
, (14)
Тогда координата точки О1 по оси Y
, (15)
Для выражения (11) потребляемой мощности привода скорость перемещения ползуна Vо1 определяются при дифференцировании координаты Yо1, по углу поворота кривошипа αо3 и угловой скорости вращения эксцентрикового вала.
, (16)
Сила инерции, действующая на камеру дезагломерации, равна
01u= -mAaAy, (17)
где mA – масса камеры дезагломерации, кг;
aAy – ускорение движения камеры дезагломерации, м/с2.
Значение aAy определяем как производную скорости перемещения
, (18)
Соответствующие значения координат Хо2, Yо2, скорости Vо2 силы инерции 
, 
центра О2 второй камеры («В») ВЦА определяются из выражений:
, (19)
;
, (20)
,, (21)
где mв – масса второй камеры, кг; aВх, aВy – соответственно ускорение движения второй камеры по осях X и Y, м/с2.
Для выражения (21) значения ускорений по соответствующим координатам X и Y будет иметь вид:
,
, (22)
Для точек О3 (нижняя камера) и О4 (противовес) координаты, соответственно, равны (рис. 4).
;
;
;
, (23)
Тогда окружные скорости для вышеуказанных точек О3 и О4:
,
, (24)
(25)
Учитывая, что кривошип ОО3=l-эксцентриситет и рычаг противовеса ОО4=rк.гр. осуществляют равномерное вращательное движение с угловой скоростью ωэксц., а силы инерции направлены вдоль линии О3О4, то полагая
,
получим значения сил инерции в центрах камеры гранулирования О3 и противовеса О4:
, (26)
, (27)
где mо3, mо4 – массы камеры гранулирования и контргруза, соответственно, кг.
Проведенные комплексные экспериментальные исследования подтвердили адекватность установленных закономерностей.
Так при исходных значениях параметров: масса камер - m1= 48 кг, m2= 42 кг, m3=42 кг; угловой скорости эксцентрикового вала - ωэксц= 40 с-1; величины эксцентриситета вала - е = 0,02 м; Vк.гр.=5м/с; момент, приложенный к эксцентриковому валу - Мэксц= 7,8 Н×м; 
; 
; 
=−0,5; 
; 
; 
; 
; 
, а также, согласно выражению, 
, получаем значения 
; 
Н; 
Н. По формулам (6), (20), (24) получаем значения 
, 
, 
м/с. По формулам (17), (21), (26) и (27) получаем значения 01u=1339,39 Н; 02u=8 Н; 03u=1344 Н; к..гр.u=196,2 Н. Согласно выражению (12) получаем значение мощности привода N= 1,1 кВт.
Выводы. Таким образом, для переработки техногенных материалов с различными физико-механическими характеристиками нами разработаны вибро-центробежные агрегаты различного конструктивного исполнения и технического назначения, выполняющие различные технологические операции со снижением энергозатрат на 20–30 % при их реализации. Данные агрегаты имеют следующие преимущества перед известными конструкциями:
- обладают универсальными технологическими возможностями при базовой кинематической схеме устройства;
- обеспечивают селективное воздействие динамических нагрузок при каждой последовательной стадии переработки материала;
- обладают модульным принципом, позволяющим осуществлять быструю перенастройку агрегата для выполнения различных технологических процессов;
- позволяют реализовать различные технологические процессы на единой конструктивно-технологической основе (дезагломерацию ТВМ, измельчение, классификацию, смешение, гранулирование, термо-влажностную обработку, сушку, вакуумирование, экстракцию и другие операции);
- обеспечивают возможность их использования для перспективных технологий: термолизной переработки техногенных материалов, 3D-технологий, получения наноструктурированных композиционных смесей и др.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания № 9.11523.2018/11.12
1. Grinin A.S., Novikov V.N. Industrial and household waste: storage, utilization, processing [Promyshlennye i bytovye othody: hranenie, utilizaciya, pererabotka.]. Moscow: Fair press, 2002. 336 p. (rus)
2. Gurieva V.A., Belova T.C. Structural Features of the Cement-sand Mortar Reinforced with a Modified Basalt. Microfiber Proceedings Engineering. 2016. Vol. 150. Pp. 2163-2167.
3. Lesovik V.S., Glagolev E.S., Popov D.Y., Lesovik G.A., Ageeva M.S. Textile-reinforced concrete using composite binder based on new types of mineral raw materials. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Pp. 032033.
4. Guryeva V.A., Prokofieva V.V. Construction ceramics based on the composition of technogenic serpentinite raw materials and low-grade clays [Stroitel'naya keramika na osnove kompozicii tekhnogennogo serpentinitovogo syr'ya i nizkosortnyh glin]. Building materials. 2012. No. 8. Pp. 20-21. (rus)
5. Zasypkina K.A. prospects of application of materials with the addition of basalt fibers and basalt roving [Perspektivy primeneniya materialov s dobavleniem bazal'tovyh volokon i bazal'tovogo rovinga]. Nukov notatki. 2014. No. 45. Pp. 215-219. (rus)
6. Stenin A.A., Lesovik V.S. Composite materials based on natural reinforcing fibers [Kompozicionnye materialy na osnove prirodnyh armiruyushchih volokon] Sb.: Sovremennye tekhnologii derevoobrabatyvayushchej promyshlennosti. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj onlajn-konferencii. 2018. Pp. 315-320. (rus)
7. Gridchin A.M., Sevostyanov V.S., Lesovik V.S., Uralsky V.I., Sinitsa E.V. Grinding and mixing unit. Patent RF, no. 2277973, 2006. (rus)
8. Gridchin A.M., Sevostyanov V.S., Lesovik V.S., Uralsky V.I., Uralsky A.V., Sinitsa E.V. Grinding and mixing unit. Patent RF, no. 2381837, 2010. (rus)
9. Eliseeva M.A. Experience and prospects of using mechanical activation in technology of production of concrete [Opyt i perspektiva primeneniya mekhanoaktivacii v tekhnologii proizvodstva betonov]. Molodi scientist. 2015. No. 6-1 (21). Pp. 23-26. (rus)
10. Ilyina T.N., Sevostyanov M.V., Shkarpetkin E.A., Uralsky V.I. Vibration-centrifugal granulator. Patent RF, no. 2412753, 2011. (rus)
11. Glagolev S.N., Rubanov V.G., Sevostyanov V.S., Uralsky V.I., Stativko A.A., Stativko S.A., Bushuev D.A. Grinding and mixing unit with automatic balancing. Patent RF, no. 2412753, 2012. (rus)
12. Krasulin N. A., Solodov V. S. Granulation of coal dust on vibrogranulator [Granulirovanie ugol'noj pyli na vibrogranulyatore] Sb. mat-ov H Vserossijskoj, sb. dokl. nauch.-prakt. konf. molodyh uchenyh s mezhdunarodnym uchastiem «Rossiya molodaya». 2018. Pp. 53305.1-53305.5. (rus)
13. Sevostyanov M.V., Poluektova V.A., Sevostyanov V.S., Sirota V.V., Uralsky V.I., Martakov I.G., Babukov V.A. Device and method of processing of fibrous technogenic materials for obtaining fiber fillers (variants). Patent RF, no. 2381837, 2019. (rus)
14. Sinitsa E.V., Sevostyanov V.S., Uralsky V.I., Uralsky A.V. Theoretical bases of creation of centrifugal grinders with selective dynamic influence on a material [Teoreticheskie osnovy sozdaniya centrobezh-nyh izmel'chitelej s selektivnym dinamicheskim vozdejstviem na material. Monografiya]. Belgorod: Publishing house of BSTU, 2013. Pp. 36-44. (rus)
15. Stativko S.A., Rubanov V.G., Sevostyanov V.S., Uralsky V.I. investigation of vibration of centrifugal grinding unit depending on loading [Issledovanie vibracii centrobezhnogo pomol'nogo agregata v zavisimosti ot zagruzki]. Aktual'nye problemy nauki: sb. dokl. mezhdunar. nauch.-prakt. konf., (Kuzneck, 30 sent. 2011 g.), Kuzneck: IP Tugushev S.Yu., 2011. Vol. 3. Pp. 99-102. (rus)
16. Bushuev D. A., Vorobiev N. D., Rubanov V. G. Analysis of dynamic loads in the bearings of the grinding and mixing unit as an object of automation [Analiz dinamicheskih nagruzok v podshipnikah pomol'no-smesitel'nogo agregata kak ob"ekte avtomatizacii]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2014. No. 2. Pp. 143-148. (rus)
17. Rubanov V.G., Sevostyanov V.S., Stativko S.A.,. Bushuev D.A. questions of automation of grinding and mixing units for obtaining highly dispersed materials [Voprosy avtomatizacii pomol'no-smesitel'nyh agregatov dlya polucheniya vysokodispersnyh materialov]. Belgorod, 11-12 October 2011, Belgorod: Publishing house of BSTU. V.G. Shukhov. 2011. CH. 2-P. 215-220. (rus)
18. Babichev A.P., Babichev I.A. Fundamentals of vibration technology [Osnovy vibracionnoj tekhnologii]. Rostov n/D, 1999. 621 p. (rus)
19. Kreinin G.V. Kinematics, dynamics and accuracy of mechanisms: Handbook [Kinematika, dinamika i tochnost' mekhanizmov: Spravochnik]. Moscow: Mashinostroenie, 1984. 214 p. (rus)
20. Targ S.M. Short course of theoretical mechanics [Kratkij kurs teoreticheskoj mekhaniki]. M.: No. SHK., 2001. 216 p. (rus)
