Russian Federation
employee
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
The article is aimed at increasing the durability of the working bodies of rotary-vortex mills, which are widely used in the production of dry building mixes. The description of the device of a rotary-vortex mill is given. The article proposes a new method developed by scientists of the V.G. Shukhov BSTU to increase the durability of the mill's working bodies by applying cells with dimensions on their surfaces that allow particles of the crushed material to be pressed into them, and thereby protect the surface from rapid wear. As a result of an analytical study of the force interaction of the crushed material with the surface of the beale cell, an equation was obtained to determine the geometric dimensions of the cell, allowing due to friction forces to keep the volume of particles of the pressed material from falling out of it. It is established that the dimensions of the cell are interconnected and are determined in such a way that the resulting pushing force is equal to or less than the holding force (friction force). It is proved that the pressing of particles of the crushed material, in rectangular cells of the deposited mesh on the working surface of the bat, is largely determined by the geometric dimensions of the cell, and also depends on the physical and mechanical characteristics of the crushed materials. The design of the bill is proposed, which allows to increase its durability by reducing the contact area of the crushed material with the working surface of the bill.
working bodies (bila), wear resistance, rotary-vortex mill, wear, surfacing
Введение. В странах западного мира, начиная с 1960-х гг., в отрасли строительства нашли широкое применение сухие строительные смеси. В России производство этих смесей начато с 90-х годов.
Среднедушевой расход строительных смесей в Российской Федерации составляет около 2-3 кг за год, тогда как в зарубежных развитых странах, например в Германии он составляет около 30 кг, в Финляндии, Польше, Франции около 20 кг (рис. 1) [1-4].
Рис. 1. Среднедушевой расход сухих строительных смесей за год
Главные покупатели сухих строительных смесей компании, которые занимаются строительством и ремонтом. Их доля составляет около 75 % от общего количества продаж смесей. В настоящее время на внутреннем рынке нашей страны прослеживается ежегодное увеличение производства сухих смесей в среднем на 15-20%.
Поэтому в последние десятилетия оборудованию, а также способ получения строительных смесей уделяется большое внимание учеными и специалистов стройиндустрии. Как показывает практика, их прикладные работы позволяют снизить энергозатраты процесса и повысить надежность агрегатов, в том числе и долговечность их рабочих органов.
Одними из наиболее распространенных конструкцией помольных агрегатов, получивших широкое распространение в технологии производства сухих строительных смесей, являются роторно-вихревые мельницы (РВМ). Они предназначены для тонкого измельчения и смешивания готовой продукции с механохимической активацией их частиц.
Представителем этого класса агрегатов является роторно-вихревая мельница РВМ-3000-01, которая имеет следующие технические характеристики: производительность, в зависимости от перерабатываемого материала, 3 - 5 тонн в час, размер частиц исходного материала составляет не более 5 мм, при этом готового продукта доходит 100 мкм, скорость вращения ротора - 3000 мин-1, а потребляемая мощность 90 кВт. Сравнительно небольшие размеры роторно-вихревых мельниц позволяют устанавливать их в ограниченных пространствах [5-8].
Одним из узких мест при работе данных агрегатов является быстрый износ их рабочих органов – бил, который в зависимости от технологии производства на сегодня составляет 150-200 часов.
Поэтому многие крупные компании, такие как «KRUPPPolysiusAG», «KHD Humboldt Wedag AG» и «Koppern», эффективно работают над созданием надежных конструкций рабочих органов – бил.
Вышеуказанные компании предлагают конструкции бил, которые выполнены из износостойкого металла, но используются при небольших скоростях вращения роторов и невысоких температурах, так как они обладают повышенной хрупкостью, а также имеют высокую стоимость. Эти рабочие элементы в зависимости от абразивности материала работают в диапазоне от 200 до 400 часов [9].
Материалы и методы. Практическое использование мельниц роторно-вихревого действия показывает, что условия их эксплуатации оказывают существенное влияние на работоспособность бил и величину их износа. Например, высокая температура исходного материала может представлять серьезную опасность для бил со сплошной наплавленной рабочей поверхностью, причем использование такого приема приводит к повышенному расходу дорогостоящих материалов.
Учеными БГТУ им. В.Г. Шухова разработан новый метод повышения долговечности бил за счет нанесения специальной сетки на их рабочую поверхность, что способствует запрессовке в них измельчаемого материала и снижению расхода дорогостоящего материала. Однако геометрические размеры ячейки имеют существенное значение для удержания в ней запрессованного материала.
Однако отсутствие научно-обоснованных рекомендаций по величине и форме ячеек наносимых на рабочую поверхность бил тормозит внедрение данного метода в промышленность.
Основная часть. Техническое решение ученых БГТУ им. В.Г. Шухова использовано в конструкции роторно-вихревой мельницы, рабочие органы которой закреплены в перпендикулярной плоскости к валу ротора в его корпусе, путем вкручивания и выполнены цилиндрической формы (рис. 2.)
а) б)
Рис. 2. Роторно-вихревая мельница: а-вид на действующий агрегат; б- конструктивная схема:
1 - цилиндрический корпус со съемной футеровкой волнистого типа, 2 - корпус ротора, 3 – била, 4 - загрузочное отверстие, 5 - разгрузочное отверстие,6 - подшипниковые опоры, 7 - редуктор, 8 – электродвигатель.
Схема наплавки ячеек на рабочей поверхности била представлена на (рис. 3), согласно которой, они имеют прямоугольную форму, с соответствующими размеры сторон m, n и c, а в углах ячейки в результате наплавки образуются закругления радиусом r (рис.4) [10-14].
Рис. 3. Схема наплавки на рабочей поверхности била:
1 - било, 2 - сетка прямоугольной формы.
Размеры ячейки необходимо подбирать таким образом, чтобы результирующая выталкивающая сила, действующая в ней, была равной или меньше удерживающей, но при этом её размеры оставались достаточными для реализации путём наплавки на рабочую поверхность била.
Из вышесказанного следует, что условия запрессовки во многом зависят от величины размеров самой ячейки, и физико-механических свойств измельчаемого материала.
Сделав предположения, что в момент соударения била об измельчаемый материал он запрессовывается в ячейку под усилием удара, в момент уравновешивания скоростей в ячейке возникает упругое расширение, которое направленно на выталкивание запрессованных частиц из ячейки. При этом удерживанию частиц в ячейке способствуют силы трения частиц о поверхность ячейки. Из этого, что частицы застрянут в ячейке [15-18].
Делаем предположения о том, что усилие F упругого расширения равномерно по всей ее боковой поверхности Sбок.
а) б)
Рис. 4. Форма ячейки футерующей сеткой:
а – вид в профиль, б – поперечный вид.
Тогда величина усилия, действующего на элементарную площадку боковой поверхности ячейки била равно:
. (1)
где lб длина периметра ячейки.
Уравнения для определения усилия упругого расширения от всей боковой поверхности примет вид:
. (2)
где n, m и с - целые числа, кратные радиусу закругления r.
Спроецировав силы, действующие на боковую поверхность 
на оси координат: 
, 
и 
с учетом, что в ячейке упругого расширения 
и взаимно компенсируются. Тогда величину бокового суммарного выталкивающего усилие 
, можно описать уравнением:
. (3)
После интегрирования уравнение (3) предстанет в следующем виде:
(4)
Таким же образом получим уравнения для расчета усилия выталкивания, действующего от5всей сферической поверхности ячейки:
(5)
После интегрирования уравнение (5) предстанет в следующем виде:
. (6)
Выталкивающее усилие 
, действующее от нижней поверхности ячейки с площадью, 
, можно определить по следующему уравнению:
(7)
Тогда величину результирующего усилия, способствующего выталкивания объема частиц их ячейки равно:
, (8)
По аналогии получаем уравнения для расчета сил трения удерживающих спрессованный объем частиц в ячейке:
- по поверхности радиусов закругления:
(9)
- по боковой поверхности ячейки высотой «с»:
. (10)
- по сферической поверхности в углах ячейки:
(11)
Тогда исходя из условия обеспечивающего удержания объема частиц в ячейке 
имеем:
(12)
Из уравнения (12) можно определить требуемую высоту ячейки:
, (13)
Полученное выражение (13) позволяет определить геометрические замеры ячейки сетки, нанесение которой на рабочую поверхность бил роторно-вихревой мельницы позволит осуществить запрессовку частиц измельчаемого материала и тем самым повысить их долговечность [19,20].
Выводы
- Таким образом, разработанное техническое решение по наплавке рабочей поверхности бил в виде сетки с ячейками определенного размера позволяет повысить долговечность бил.
- В результате проведенного анализа силового взаимодействия в ячейке, нанесенной на рабочей поверхности била, было получено уравнение для определения ее геометрических размеров, позволяющих осуществлять в ней запрессовку измельчаемого материала.
- Установлено, что условия запрессовки во многом зависят от величины размеров самой ячейки, и физико-механических свойств измельчаемого материала, а размеры ячейки необходимо подбирать таким образом, чтобы результирующая выталкивающая сила, действующая в ней, была равной или меньше удерживающей, но при этом её размеры оставались достаточными для реализации путём наплавки на рабочую поверхность била.
1. Duhanin S.A., Romanovich A.A. Analysis of the work and ways to increase the durability of the RVM-3000-01 mill bits [Analiz raboty i puti povysheniya dolgovechnosti bil mel'nicy RVM-3000-01]. Energo-resursosberegayushchie tekhnologii i oborudovanie v dorozhnoj i stroitel'noj otraslyah: materialy mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii. Belgorod: Izd-vo BGTU. 2019. Pp. 51-55. (rus)
2. YAkushev A.A., Duhanin S.A. Increasing the wear resistance of the working bodies of the rotary-vortex mill [Povyshenie iznosostojkosti rabochih organov rotorno-vihrevoj mel'nicy]. Energo-resursosberegayushchie tekhnologii i oborudovanie v dorozhnoj i stroitel'noj otraslyah: materialy mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii. Belgorod: Izd-vo BGTU. 2020. Pp. 444-447. (rus)
3. Demushkin N. P., Krasnov V.V., Orekhova T.N. Modernization of the rotary-vortex mill [Modernizaciya rotorno-vihrevoj mel'nicy]. IX Mezhdunarodnyj molodezhnyj forum "Obrazovanie. Nauka. Proizvodstvo". Belgorod: Belgorodskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet im. V.G. Shuhov. 2017. Pp. 946-950. (rus)
4. Yinwei Y., Kai F., Jing X. A novel control method for roll gap of roller crusher based on Fuzzy-PID with decision factor self-correction IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. No 892. Pp. 12-19.
5. Xuemin L., Man Z., Nan H. Calculation model of coal comminution energy consumption Minerals Engineering. 2016. No 92. Pp. 21-27.
6. Romanovich A.A., Glagolev S.N., Babaevskiy A.N. Methods to improve efficiency of production technology of the innovative composite cementing materials IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 327. Issue 3, 032009.
7. Kostylev A.A. Investigation of the grinding process in a rotary-vortex fine grinding mill [Issledovanie processa izmel'cheniya v rotorno-vihrevoj mel'nice tonkogo pomola]. Bulletin of KrasGAU. 2014. No 8(95). Pp. 245-250. (rus)
8. Duhanin S.A., Romanovich A.A., Romanovich M.A. Impact crusher. Patent RF, no. 208012 U1, 2021.
9. Romanovich A.A., Dukhanin S.A., Romanovich M.A., Amirhadi Zakeri. Improving the Wear Resistance of Rotary-Vortex Mill Hammers Environmental and Construction Engineering: Reality and the Future. 2021. No 1. Pp. 277-284.
10. Duhanin S.A., Romanovich M.A., Romanovich A.A. Ways to improve the reliability of impact shredders [Puti povysheniya nadezhnosti v rabote izmel'chitelej udarnogo dejstviya]. Energo-resursosberegayushchie tekhnologii i oborudovanie v dorozhnoj i stroitel'noj otraslyah: materialy mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii. Belgorod: Izd-vo BGTU. 2021. Pp. 99-103. (rus)
11. Egorov S.N., Sirotin P.V., Tamadaev V.G. Analysis of the surface layer of the grinding element of a rotary-vortex mill [Analiz poverhnostnogo sloya pomol'nogo elementa rotorno-vihrevoj mel'nicy]. Izvestiya of higher educational institutions. The North Caucasus region. Technical sciences. 2020. No 1(205). Pp. 81-85. DOIhttps://doi.org/10.17213/1560-3644-2020-1-81-85. (rus)
12. Duhanin S.A., Romanovich M.A., Romanovich A.A. Increasing the durability of the rotary vortex mill [Povyshenie dolgovechnosti rotorno-vihrevoj mel'nicy]. Energo-resursosberegayushchie tekhnologii i oborudovanie v dorozhnoj i stroitel'noj otraslyah: materialy mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii. Belgorod: Izd-vo BGTU. 2021. Pp. 93-99. (rus)
13. Kardash S. N., Grechneva M.V. Comparative analysis of surfacing materials on resistance to abrasive wear [Sravnitel'nyj analiz naplavochnyh materialov po soprotivlyaemosti abrazivnomu iznosu]. ZHiznennyj cikl konstrukcionnyh materialov (ot polucheniya do utilizacii): materialy dokladov V Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. Irkutsk: Irkutskij nacional'nyj issledovatel'skij tekhnicheskij universitet. 2015. Pp. 198-203. (rus)
14. Korotkov V.A., Grechneva M.V., Bolorsuh B. Abrasive wear and wear-resistant materials [Abrazivnoe iznashivanie i iznosostojkie materialy]. ZHiznennyj cikl konstrukcionnyh materialov (ot polucheniya do utilizacii): Sbornik trudov IV Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. Irkutsk: Irkutskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet, 2014. Pp. 232-236. (rus)
15. Agafonov D.S., Kiseleva V.A., CHekhovskoj E.I. Analysis of the design of the rotary crusher in order to increase its productivity [Analiz konstrukcii rotornoj drobilki s cel'yu povysheniya eyo proizvoditel'nosti]. Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya molodyh uchenyh BGTU im. V.G. SHuhova. Belgorod: Belgorodskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet im. V.G. SHuhova. 2019. Pp. 1609-1613. (rus)
16. Chekhovskoj E.I., Butov A.P., Kiseleva V.A., Agafonov D.S. Analysis of the roll crusher design in order to increase its reliability [Analiz konstrukcii valkovoj drobilki s cel'yu povysheniya eyo nadezhnosti]. Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya molodyh uchenyh BGTU im. V.G. SHuhova. Belgorod: Belgorodskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet im. V.G. SHuhova. 2019. Pp. 1771-1775. (rus)
17. Prokopenko V.S., SHarapov R.R., Agarkov A.M., Sharapov R.R. Optimization of equipment operation for obtaining fine powders [Optimizaciya raboty oborudovaniya dlya polucheniya tonkodispersnyh poroshkov]. Bulletin of V.G. Shukhov BSTU, 2015. No1. Pp.80-83. (rus)
18. Matveev A.I., Vinokurov V.R. Development of centrifugal mills of multiple impact action with different design of working bodies [Razrabotka centrobezhnyh mel'nic mnogokratnogo udarnogo dejstviya s raznoj konstrukciej rabochih organov]. Nauchnye osnovy i praktika pererabotki rud i tekhnogennogo syr'ya: materialy XXII Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. Ekaterinburg: Izdatel'stvo "Fort Dialog-Iset'". 2017. Pp. 96-100. (rus)
19. Garabazhiu A.A., Klokov D.V., Shostak V.G., Leshkevich A.Yu. New design of energy-saving rotary centrifugal mixer for mixing dry bulk materials [Novaya konstrukciya energosberegayushchego rotorno-centrobezhnogo smesitelya dlya peremeshivaniya suhih sypuchih materialov]. Energoeffektivnost' i energosberezhenie v sovremennom proizvodstve i obshchestve: Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Voronezh: Voronezhskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet im. Imperatora Petra I. 2018. Pp. 48-53. (rus)
20. Gerasimov M.D., Loktionov I.O. Results of ultrafine grinding of materials in a rotor-vortex type reactor [Rezul'taty sverhtonkogo izmel'cheniya materialov v reaktore rotorno-vihrevogo tipa]. Energo-, resursosberegayushchie mashiny, oborudovanie i ekologicheski chistye tekhnologii v dorozhnoj i stroitel'noj otraslyah: Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Belgorod: Belgorodskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet im. V.G. SHuhova. 2018. Pp. 60-67. (rus)
