Организация масштабного и эффективного производства тонкодисперсных и наноструктурированных порошков требует создания технологий на основе планетарных мельниц, обладающих техническими характеристиками, которые позволяют отказаться от нескольких стадий дробления-измельчения, применяемых в традиционных технологических схемах.
Процесс измельчения материалов является одним из энергоемких. С этой точки зрения определенный интерес представляют планетарные мельницы, у которых усилие разрушения создается инерционными силами. В таких мельницах можно легко изменить не только величину усилия, но и частоту циклов воздействия.
В планетарных мельницах обычно имеются 3 или 4 барабана, вращающихся вокруг центральной оси и одновременно вокруг собственных осей в противоположном направлении (рис. 1). В барабаны загружают измельчаемый материал и мелющие тела (шарики). Частицы измельчаемого материала претерпевают множество соударений с мелющими телами и стенками барабана. Эффективность планетарных мельниц обусловлена высокой кинетической энергией мелющих тел, благодаря большой скорости их движения создающих высокие напряжения в активируемом веществе.
Рис. 1. Принцип действия ланетарной мельницы
Удельная производительность планетарных мельниц в 10-30 раз превышает удельную производительность традиционного измельчительного оборудования. Недостатки обычных шаровых мельниц хорошо известны: большие габаритные размеры, огромный расход энергии и низкая эффективность измельчения. Планетарные мельницы не требуют массивного дорогостоящего фундамента, а их эксплуатационные расходы в несколько раз меньше, чем для обычного измельчительного оборудования [1].
Разработанная конструкция планетарной мельницы периодического действия представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Общий вид планетарной мельницы
Планетарная мельница периодического действия содержит кожух 15, в котором размещены помольные барабаны 11 с загрузочными отверстиями и крышками 14. На верхнем водиле закреплены крышки. Каждое водило снабжено двумя рычагами 4, диаметрально установленными на соответствующей планшайбе с возможностью поворота и соединенными с элементами установки помольных барабанов. Помольные барабаны при вращении взаимодействуют с внутренней поверхностью кожуха. Планетарная мельница содержит смонтированную на основание 1 центральную полую колонну 2, на которой закреплена основная планшайба 3, установлены водила 4 и дополнительная планшайба 5. Планшайба посредством колонны связанна клиноременной передачей 6 с электродвигателем 7. Колонна 2 вращается в подшипниковом узле 8.
Планшайба 3 посредством пальцев 9 сопряжена с водилом 4. Водила 4 посредством подшипников скольжения 10 сопряжены с помольными барабанами 11 гуммированными по наружной поверхности. В помольный барабан 11 вставляется стакан 12 с мелющими телами. Для закрепления помольных барабанов 11 служит механизм зажима, выполненный конструктивно аналогично конструкции планшайбы 3 с водилами 4. Дополнительная планшайба 5 жестко соединена со штоком 13 силового гидроцилиндра. Крышки 14 помольных барабанов смонтированы в подшипниковых узлах и имеют возможность вращаться в них. Поверхностью качения помольных барабанов 11 является кожух 15, который одновременно защищает от выброса помольных барабанов в случае выхода из строя механизмов зажима.
Планетарная мельница работает следующим образом. В исходном положении в помольный барабан 11 устанавливается гильза 12, заполненная размалываемым материалом и свободными мелющими телами, например шарами. Посредством штока 13 силового гидроцилиндра опускают дополнительную планшайбу 5. При этом крышки 14 закрывают загрузочное отверстие. В таком положении включается электродвигатель 7 и начинается процесс размола.
Под действием центробежной силы, действующей на помольные барабаны, они прижимаются к поверхности кожуха 15. В зоне контакты помольных барабанов и кожуха возникает сила трения, помольные барабаны начинают обкатываться по поверхности кожуха. После окончания процесса размола двигатель выключается, открывают помольные барабаны, из которых извлекаются сменные стаканы и на их место устанавливаются другие, подготовленные к работе [2].
Контакты между барабанами и кожухом и напряжения, возникающие между ними, играют не маловажную роль в данной конструкции, так как вращение барабанов вокруг собственной оси происходит за счет силы трения между кожухом и барабаном.
В данной работе рассматривается моделирование конструкции планетарной мельницы периодического действия при взаимодействии помольных барабанов и внутренней поверхности кожуха. Моделирование выполнено на основе программы ANSYS Workbench[3].
В построенной модели имеются две контактные области: между кожухом и ободками барабана; между внутренней поверхностью барабана и упрощенной моделью мелющих тел. Для того чтобы обозначить контактные области необходимо в структурной панели выбрать меню «Connections» и создать новый контакт. Далее ANSYS предложит выбрать контактные поверхности, выбираем внутреннюю поверхность кожуха типа «target» и поверхность ободков барабана типа «contact» (рис. 3).
Рис. 3. Контактные поверхности между барабаном и кожухом
В результате построена конструкция планетарной мельницы, а именно кожух и барабан, указаны контактирующие поверхности, заданы свойства материала, а также получена дискретная модель объекта.
Следующий этап – обозначение нагрузок, действующих на модель. Центробежная сила направлена вдоль радиуса кожуха, перпендикулярно плоскости упрощенной модели мелющих тел. В результате расчета получены распределения минимальных и максимальных напряжений по всем осям, и деформации в любой точке, как в кожухе, так и в помольных барабанах (рис. 4,5).
Рис. 4. Распределение напряжений на поверхности кожуха
Рис. 5. Распределение напряжений на поверхности барабана
После окончания расчетов получили максимальные значения напряжений в зоне контакта 79 МПа. Максимальное допускаемое напряжение, возникающее в области контакта, для стали равно 430 МПа. Значения, полученные в результате проведения эксперимента, не превышают значений допускаемых контактных напряжений, то есть выполняется условие прочности по контактным напряжениям, поэтому можно утверждать, что при заданных начальных условиях не будет наблюдаться разрушение и деформация кожуха планетарной мельницы и остается большой запас прочности.
При начальных условиях элементы планетарной мельницы не подвержены разрушению и имеют большой запас прочности. Поэтому для дальнейшего развития и модернизации планетарной мельницы, были проведены еще два эксперимента с большим значением силы, с которой барабан действует на внутреннюю поверхность кожуха. Было решено использовать еще два значения силы: 200000 Н и 400000 Н.
При проведении эксперимента с центробежной силой равной 200000 Н, были получены следующее максимальное значение контактных напряжений: 205 МПа. Данные значения не превышают максимальное допускаемое напряжение, следовательно, при увеличении силы в 2 раза в зоне контакта кожуха и барабана, не будет наблюдаться разрушение и деформация. Поскольку квадрат угловой скорости пропорционален силе, то можно сделать вывод, что при увеличении квадрата угловой скорости, с которой вращается барабан, в 2 раза, можно уменьшить время измельчения руды при этом детали мельницы не будут подвержены сильному износу.
При силе равной 400000 Н, значения максимальных контактных напряжений следующие: 434М Па. Контактное напряжение, возникшее на поверхности барабана, превышает допустимое значение напряжения, следовательно, барабан, при силе 400000Н будет подвержен разрушению.
Частоту вращения барабана можно увеличить, приблизительно в 1,5 раза, при этом детали мельницы не будут подвержены разрушению, и уменьшится время необходимое для измельчения руды.
Также в нашей работе был проведен аналитический расчет максимальных контактных напряжений по данной формуле
где Е – модуль упругости, p – давление, R1 – радиус ободков барабана, R2 – радиус кожуха. Результаты, полученные с помощью программного комплекса ANSYS Workbench и рассчитанные аналитическим путем, а также их расхождение в процентном соотношении приведены в таблице. Как видно из таблицы, при нагрузке в 400кПа значение максимальных напряжений превышает предельно допустимое 430Мпа, следовательно, модель будет подвержена разрушению.
Результаты расчетов, полученные в данной работе, свидетельствую о том, что моделирование взаимодействия барабана и кожуха было выполнено успешно. Что касается полученных конечных результатов, программный пакет ANSYS Workbench полностью подходит для расчета подобных задач и дает достоверную картину распределения напряжений и деформаций в объекте исследования.
Значения максимальных напряжений
|
№ |
F (кН) |
Значение |
Значение рассчитанное аналитически (МПа) |
Погрешность (%) |
|
1 |
74 |
79 |
72 |
9,7 |
|
2 |
200 |
205 |
198 |
3,5 |
|
3 |
400 |
434 |
407 |
6,6 |
Данная программа позволяет не только просмотреть результаты моделирования, но и внести поправки в геометрические и рабочие параметры объекта. Методика такого типа анализа позволяет существенно снизить как материальные расходы, так и расходы времени на этапе проектирования.
Стоит заметить, что неоспоримым преимуществом расчета в программе ANSYS Workbench, является то, что мы можем видеть не только все напряжения, возникающие при нормальной работе системы, но и места зарождения критических напряжений, которые могут привести к выходу из строя всей конструкции. Полученные при расчете сведения могут оперативно корректироваться проектировщиком для придания конструкции оптимальной и устойчивой к разрушениям формы.
Используя измельчительное оборудование нового поколения, можно достичь не только уменьшения размера частиц, но и получить механически активированные порошки с новыми физико-химическими свойствами. Использование планетарных мельниц перспективно в порошковой металлургии, для механического легирования и создания дисперсно-упрочненных сплавов.
Планетарные мельницы могут применяться во многих областях, таких как: порошковая металлургия, производство и регенерация катализаторов, производство фармацевтических препаратов, измельчение пигментов, измельчение и плакирование абразивных материалов, активация концентратов руд для гидрометаллургии и пирометаллургии, переработке трудноизмельчаемых твердых отходов, производство строительных материалов, сухих строительных смесей, керамическая промышленность, химическая промышленность, горнодобывающая промышленность.