Бетон.ру

Центробежно-ударные дробилки (по западной терминологии - дробилки с вертикальным валом) находят все большее применение в процессах дробления и измельчения рудных и нерудных материалов. Благодаря тому, что практически вся подводимая к дробилке энергия используется для сообщения кинетической энергии измельчаемому материалу, центробежно-ударные дробилки имеют большой КПД и высокий коэффициент измельчения. Принцип действия этого сравнительно нового оборудования состоит в следующем. Измельчаемый материал подается сверху в центральное входное отверстие так называемого ускорителя. Он представляет собой цилиндрическую полую конструкцию с радиальными перегородками, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Под действием возникающей в результате вращения ускорителя центробежной силы, куски измельчаемого материала двигаются с ускорением от центра к периферии вдоль образуемых перегородками каналов. Материал вылетает из ускорителя в камеру измельчения с линейной скоростью, определяемой частотой вращения и диаметром ускорителя. При соударении кусков материала с неподвижными стенками происходит разрушение материала посредством ударной дезинтеграции. В процессе дробления участвует также процесс хаотичного столкновения кусков друг с другом внутри камеры.

Дробление материалов с помощью центробежно-ударных дробилок обладает рядом преимуществ перед другими способами измельчения: предпочтительное разрушение по естественным структурным границам внутри измельчаемых кусков, незначительные сдвиговые деформации внутри однородных фрагментов. Это делает центробежно-ударные дробилки особенно эффективными для получения высокопрочного щебня кубовидной формы, а при измельчении руд позволяет достигнуть “раскрытия” вкраплений полезных компонентов крупности в 2-3 раза большей, чем в другом измельчительном оборудовании. При всей привлекательности центробежно-ударных дробилок, до 80-х годов ХХ века существовал ряд технических и “материаловедческих” ограничений, сдерживавших широкое применение реализуемого в них способа дробления, изобретенного еще в начале прошлого века. Для повышения эффективности ударной дезинтеграции необходимо было увеличивать скорость материала при соударениях, однако это приводило к чрезмерному росту ударно-абразивного износа рабочих органов и снижению ресурса подшипниковых узлов привода дробилки.

Проблема износа была в значительной степени решена использованием принципа самофутеровки. Новые ускорители, изобретенные в 80-х годах новозеландцами Брайаном Бэйтли (Bryan Baitley) и Джимом Макдоналдом (Jim McDonald), были сконструированы так, что вызывающий ударно-абразивный износ материал соприкасался в основном не с поверхностью рабочих органов дробилки, а со слоем самого измельчаемого материала. В процессе работы материал залегал в уплотненном состоянии в специальных карманах, расположенных, как в самом ускорителе (Рисунок 1), так и в камере измельчения (Рисунок 2). При этом контакт измельчаемого материала непосредственно с металлом ускорителя происходил лишь в конце канала, на удерживающих самофутеровку так называемых “лопатках”, которые изготавливаются с включением вставок из твердого сплава и усиливаются периодической наплавкой специальными электродами.

Рисунок 1. Схема движения материала в ускорителе центробежных дробилок:

1 - Рассекатель, 2 - Подкладной лист, 3 - Самофутерющийся карман, 4 - Твёрдосплавная лопатка, 5 - Сход материала с ускорителя, 6 - Корпус ускорителя

Рисунок 2. Футеровочные карманы в камере измельчения дробильно-измельчительного оборудования Титан:

Что же касается проблемы обеспечения приемлемого ресурса подшипниковых узлов, то она по-прежнему не имеет удовлетворительного решения в рамках традиционных схем механического привода с фиксированной подшипниками осью. Это связано с тем, что узел, обеспечивающий вращение роторной части центробежно-ударной дробилки, должен удовлетворять следующим требованиям:

• выдерживать большие ударные нагрузки, возникающие при передаче импульса кусками материала в ускорителе;
• работать в условиях сильной массовой несбалансированности вращающейся системы, вызванной неравномерным залеганием футерующего материала в каналах ускорителя;
• выдерживать огромные перекашивающие усилия, связанные с воздействием на подшипниковые опоры гироскопических моментов, вызванных действием внешних моментов на роторную часть дробилки.

Кроме этого, причинами возникновения чрезмерной несбалансированности ускорителя являются:

• превышение крупности исходного материала (заклинивание крупного куска в канале ускорителя и забивание канала);
• подача материала с чрезмерной влажностью или содержанием глины (неравномерное залегание самофутеровки в каналах ускорителя);
• попадание в дробилку металлических предметов, которые могут разрушить концевую лопатку, удерживающую самофутеровку в канале ускорителя;
• неравномерное питание, приводящее к неравности потоков материала в каналах ускорителя;
• превышение допустимой производительности в подаче материала в ускоритель, что может привести к “завалу” дробилки;
• разрушение сменных элементов ускорителя, приводящее к резкому возрастанию несбалансированности;
• несвоевременное проведение профилактических работ, в т.ч. связанных с заменой быстроизнашиваемых элементов.

На практике, перечисленные требования приводят к невозможности создания дробилки на традиционной подшипниковой опоре (с фиксированной осью вращения), обладающей одновременно большой производительностью, высокой скоростью вылета кусков и способной перерабатывать материал большой исходной крупности. В подобных дробилках крупность кусков исходного материала ограничена размером 40 мм, диаметр ускорителя (ротора) не превышает одного метра, а максимальная частота вращения ротора составляет 1500 об/мин, ограничивая линейную скорость измельчаемого материала на выходе из ускорителя значениями 60-70 м/с для максимальных типоразмеров дробилок.  При таких ограничениях область применения ударной дезинтеграции сводится, в основном, к получению кубовидного щебня, а измельчение руды до крупности ниже 5-10 мм становится неэффективным вследствие низкого коэффициента измельчения и высокой степени возврата на додрабливание. Поэтому центробежные дробилки на традиционных подшипниковых опорах пока не могут составить серьезную конкуренцию конусным дробилкам мелкого дробления, стержневым мельницам и мельницам полусамоизмельчения в существующих схемах рудоподготовки.

В 2001 году ОАО “МНПО “Полиметалл” (российское межрегиональное научно-производственное объединение, специализирующееся на добыче благородных металлов) создало инновационную фирму ЗАО “Новые технологии”. Основу коллектива фирмы составили специалисты Управления новых технологий МНПО “Полиметалл”, а также сотрудники, работавшие в 80-е и 90-е годы в одном из учреждений бывшего Министерства Среднего машиностроения по программе создания дробилок нового поколения. Для преодоления ограничений, накладываемых на скорость вращения ускорителей в дробилках с традиционными подшипниковыми опорами, в ходе выполнения этой программы была применена так называемая воздушная (газостатическая) опора (рис. 3), первые упоминания о которой (и соответствующие патенты) относятся к началу ХХ века.

Рисунок 3. Воздушная опора центробежных дробилок:

1 - cтатор; 2 - ротор; 3 - карданый вал; 4 - электродвигатель; 5 - воздушный вентилятор; 6 - вал; 7 - ускоритель; 8 - концевая лопатка ускорителя; 9 - камера дробления; 10 - предохранительный узел на случай аварийного отключения воздуха; 11 - крышка опорной части; 12 - патрубок для выгрузки дроблённого продукта; 13 - центробежная муфта; 14 - пыльник

Чтобы яснее представить себе преимущества, которые дает использование газостатической (воздушной) опоры, остановимся подробнее на ее конструкции и свойствах. Опора представляет собой два вложенных друг в друга кольцевых сферических сегмента (ротора и статора), в зазор между которыми типовым высоконапорным вентилятором нагнетается воздух. Создаваемая избыточным давлением воздуха подъемная сила заставляет ротор (с закрепленным на нем ускорителем) всплыть. Необходимая величина воздушного зазора обеспечивается регулировкой хода в шлицевом соединении одной из вилок карданного вала, передающего крутящий момент от двигателя, расположенного на одной оси с ротором. Наличие у карданного вала двух карданных шарниров, обеспечивает независимость положения геометрической оси ротора относительно оси вращения двигателя. При включенном вентиляторе всплывший подвижный узел дробилки (ротор и ускоритель) находится в состоянии покоя. При этом вес ротора и ускорителя плюс сила натяжения карданного вала уравновешиваются подъемной силой, создаваемой избыточным давлением воздуха. Поскольку сила, действующая со стороны воздуха на сферическую поверхность ротора, везде направлена к центру сферы, то центр сферы фактически оказывается своеобразной “виртуальной” точкой опоры (подвеса) ротора. Это означает, что под действием любых сил, не проходящих через центр сферы (т.е. сил, создающих момент относительно точки опоры), ротор отклоняется от исходного положения так, как если бы он имел шарнирное закрепление в центре сферы. Иными словами, образуется воздушная опора, при которой ротор может совершать вокруг центра сферы колебательные движения, не касаясь при этом статора.

Конечно, наличие связи фиксированной длины в виде карданного вала приводит к соответствующему уменьшению величины воздушного зазора при любом развороте ротора. Однако уменьшение это незначительно, а перемещение точки подвеса ротора происходит вдоль вертикальной оси (подобно шарниру в кулисе кривошипно-шатунного механизма). При любом отклонении оси ротора от вертикали (а вернее, отклонении центра верхней крестовины карданного вала от прямой линии, соединяющей центр сферы и центр нижней крестовины) равнодействующая приложенных к верхней крестовине сил оказывается отличной от нуля величиной, направленной к оси вращения двигателя. Создаваемый при этом момент относительно виртуальной точки опоры ротора стремиться вернуть ось ротора в исходное вертикальное положение. После приведения во вращение подвижный узел дробилки фактически становится гироскопом с точкой опоры в центре сферы, а потому обладает всеми свойствами, характерными для так называемых “тяжелых” (т.е. закрепленных в точке, не совпадающей с центром масс) гироскопов с тремя степенями свободы. Полное описание движения такой системы, учитывающее реальные механические свойства всех входящих в нее элементов, весьма сложно. Оно требует совместного решения более 30 нелинейных дифференциальных уравнений, поэтому ограничимся качественным описанием его особенностей, вытекающих из основных свойств гироскопа:

1. трехстепенной гироскоп (т.е. гироскоп, ориентация мгновенной оси вращения которого вокруг единственной точки опоры ничем не ограничена) в отсутствие внешних воздействий сохраняет положение оси вращения неизменным.
2. при несовпадении оси вращения с главной осью инерции гироскопа последняя равномерно вращается вокруг оси вращения, описывая круговую коническую поверхность с вершиной в точке опоры (подобно оси вращающегося волчка). Такое движение носит название регулярной прецессии, а угол при вершине описываемого конуса называется углом нутации.

Применительно к нашему случаю, когда главная ось инерции (совпадающая в первом приближении с геометрической осью подвижного узла дробилки) близка к вертикальной оси вращения двигателя, угол нутации в отсутствие внешних возмущений будет весьма мал. Это означает, что наш гироскоп вращается вокруг своей главной оси инерции, положение которой остается неизменным во времени. Наличие у подвижной системы несбалансированной массы приводит к смещению ее центра масс относительно геометрической оси системы. Учитывая тот факт, что главная ось инерции всегда проходит через центр масс системы, приходим к выводу о том, что при наличии дисбаланса роторная часть дробилки будет вращаться таким образом, что геометрическая ось ротора окажется смещенной относительно фактической оси вращения на величину смещения центра масс. При этом “пробой” воздушной опоры, т.е. касание ротором статора, произойдет при смещении центра масс подвижного узла на величину радиальной проекции воздушного зазора между ними. Если учесть, что масса подвижного узла дробилки “Титан Д-160”, например, составляет около 1000 кг, а радиальный зазор между ротором и статором не менее двух миллиметров, то оказывается, что несбалансированная масса, расположенная на периферии ускорителя диаметром 1.25 м, может достигать трех килограммов, не приводя к “пробою” воздушной опоры и нарушению работы дробилки.

В действительности реакция нашего “гироскопа” на наличие массового дисбаланса оказывается более сложной. Дело в том, что при действии на гироскоп внешнего момента, не совпадающего по направлению с осью вращения (т.е. опрокидывающего момента), гироскоп стремится развернуть свою ось вращения в плоскости, проходящей через ось вращения перпендикулярно той, в которой лежат точка опоры и сила, вызывающая момент. Скорость прецессии пропорциональна величине внешнего момента и обратно пропорциональна кинетическому моменту гироскопа. В нашем случае, возникающее из-за наличия дисбаланса смещение геометрической оси ротора относительно статора приводит к неравномерности воздушного зазора. Из-за этого равнодействующая сил, действующих со стороны воздуха на ротор, не проходит более через центр сферы и создает внешний момент. В результате возникающей прецессии будет происходить разворот оси вращения ротора вокруг центра сферы. И хотя в итоге касание ротора о статор может не происходить даже при наличии дисбалансов, превышающих указанное выше значение, возникновение прецессии является, как показывает опыт, весьма нежелательным.

Причина этого кроется в том, что вышеупомянутая скорость прецессии пропорциональна приложенному внешнему моменту. И если каким-либо образом препятствовать возникшей прецессии, то со стороны гироскопа на препятствующий объект начинает действовать гироскопический момент, достаточный для поддержания гироскопом требуемой скорости прецессии “любой ценой”. Величина гироскопического момента при этом ограничена лишь полным моментом количества движения (кинетическим моментом), то есть общим запасом кинетической энергии гироскопа, частота вращения которого может даже упасть до нуля (если запас его энергии не пополняется извне) при возникновении на пути его прецессии непреодолимой преграды. В больших дробилках, когда вращение ускорителя обеспечивается двигателем мощностью в несколько сотен киловатт, возникающие в случае прецессии гироскопические моменты могут достигать гигантских величин. В этом кроется, пожалуй, основная причина невозможности построения мощных центробежно-ударных дробилок с использованием традиционных подшипниковых опор. Уже при дисбалансах в несколько сотен грамм, нагрузки на подшипники становятся настолько большими, что это серьезно снижает время их безаварийной работы.

Использование сферической воздушной опоры позволяет избежать проблем, связанных с возникновением гироскопических моментов, поскольку используемая кинематическая схема не накладывает ограничений на движение трехстепенного гироскопа. Следует отметить, что в реально существующей конструкции дробилки “Титан” регулярная прецессия большой амплитуды все же остается нежелательным явлением. Проявляется это в моменты прохождения резонансных частот при разгоне и остановке дробилки. Однако конструктивные решения, а также тщательная настройка дробилки в процессе производства, позволяют дробилкам “Титан” с успехом преодолевать проблемы разгона и остановки, а в процессе работы выдерживать на порядок большие дисбалансы по сравнению с дробилками на подшипниковой опоре.

Заключение

Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что применение сферической воздушной опоры позволило принципиально изменить кинематическую схему центробежно-ударных дробилок и перейти от схемы с фиксированной (подшипниками) осью к схеме свободного гироскопа с “виртуальной” точкой опоры в центре сферы, которой нет аналогов в современной дробильной технике. Основными принципами построения такой схемы являются:

1. не накладывать никаких ограничений на стремление ротора дробилки вращаться вокруг своей главной оси инерции;
2. не создавать реакциями связи моментов, действующих на роторную часть дробилки и приводящих к регулярной прецессии.

Концепция новой воздушной опоры доказала свою эффективность опытом практического применения в течение вот уже 15 лет и расширила диапазон линейных скоростей роторных систем при центробежной дезинтеграции до 100 м/с и более. В рамках этой концепции диаметры ускорителей, а вместе с ними и единичная производительность оборудования ограничены только техническими возможностями машиностроительных предприятий и условиями транспортировки. В ЗАО “Новые технологии” созданы дробилки с ускорителями диаметром до 2.1 метра, линейной скоростью вылета дробимого материала из ускорителя 100 м/сек, производительностью до 650 тонн в час в открытом цикле.

Отличительными чертами дробилок “ТИТАН” являются:

• слабая чувствительность к дисбалансам;
• высокоэффективное дробление (обеспечиваемое высокой скоростью вращения ускорителя);
• большая производительность;
• высокая надежность и долговечность механической части.

Рост диаметра ускорителя позволил достичь значительных успехов и в решении проблемы ударно-абразивного износа рабочих органов дробилки. Дело в том, что износ возрастает с ростом скорости ускорителя, но уменьшается с ростом его диаметра. Объяснение простое: одинаковая скорость на выходе достигается на большей длине, т.е. на большем ускорителе материал при разгоне имеет меньшее ускорение, что приводит к меньшему износу за счет уменьшения прижимных сил, пропорциональных ускорению. Рынок дробильного и измельчительного оборудования достаточно консервативен. Революции здесь редки и возникают 1-2 раза в столетие. Центробежные дробилки “ТИТАН Д” являются одним из последних достижений современной науки и техники и дают уникальные технологические результаты. В некоторых областях, таких как производство кубовидного щебня, дробилки подобного принципа действия стали бесспорными лидерами. В других областях, например, в сухом измельчении руд до крупности 1-2 мм, они фактически являются безальтернативным оборудованием. В рудоподготовке наступает время серьезной конкуренции между центробежно-ударным оборудованием и другим традиционным дробильно-измельчительным оборудованием, например, стержневыми мельницами.

Авторы материала: кандидаты технических наук Лисица В.И., Мосесов А.В., Павлов В.И.

Портал БЕТОН.РУ благодарит компанию ЗАО "Новые Технологии" (г. Санкт-Петербург) за предоставление данного материала. Адрес компании в интернете www.new-technologies.spb.ru