Лабораторная вибрационная мельница

 

Изобретение относится к устройствам для исследования процессов измельчения и механохимической активации веществ в вибрационных мельницах. Сущность изобретения: лабораторная вибрационная мельница снабжена зажимным устройством, соединенным посредством упругой консольной балки или пластины с барабаном мельницы. Свободные резонансные колебания консоли инициируются, усиливаются и поддерживаются автоматически электронным устройством, работающим в такт с колебаниями консоли. Достигнутая точность измерения частоты ± 0,001 Гц а амплитуды ± 0,001 см Приводится пример количественного определения каналов диссипации подведенной механической энергии. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для количественного определения каналов диссипации подведенной механической энергии в процессах измельчения, активации и механохимического превращения веществ в вибрационных мельницах, в частности, затрат энергии на взаимодействие мелющих тел (шаров) друг с другом и со стенками барабана вибромельницы, на диспергирование, механическую активацию и механохимическую реакцию сбрасываемых веществ, а также, как следствие, определение коэффициента полезного действия (КПД) вибромельницы и/или энергетического выхода (ЭВ) механохимического процесса в вибромельнице.

Принцип работы известных вибромельниц основан на механических и/или электрических устройствах, возбуждающих периодические колебания барабана вибромельницы при определенных значениях амплитуды и частоты колебания, а различные виды пружин служат в качестве крепежных и/или деформирующих узлов, обеспечивающих эффективную и продолжительную работу вибромельниц [1] Строго фиксированные параметры работы известных вибромельниц в принципе не позволяют количественно определять каналы диссипации подведенной механической энергии в процессе их работы и как следствие, их КПД или ЭВ.

Известна вибромельница (прототип) [2] в которой под действием периодической вынуждающей силы предполагается реализация резонансных колебаний механической системы спиральной пружины и барабана вибромельницы. Предложен способ численного расчета каналов диссипации подведенной механической энергии на основе экспериментального определения параметров резонансных кривых колебаний такой механической системы.

Недостатком указанной конструкции является наличие в механической системе спиральной пружины, что требует для ограничения ее поперечных колебаний наличия различного вида направляющих, крепежных и демпфирующих устройств, которые, взаимодействуя с пружиной, приводят к дополнительным и не учитывающимся затратам энергии на трение и демпфирование. Таким образом, наличие не сводимых к нулю по принципиальным соображениям поперечных колебаний и дополнительных энергозатрат, которые не учитываются в теоретическом анализе [2] и имея в виду, что при определении каналов диссипации энергии, КПД и ЭВ речь идет об очень малых величинах энергии, составляющих доли процента от подведенной механичеcкой энергии, можно констатировать, что практическая реализация гипотетической вибромельницы в работающий аппарат нецелесообразна.

Цель настоящего изобретения количественное определение каналов диссипации подведенной механической энергии, КПД и ЭВ вибромельниц в процессах измельчения, механической активации и механохимического превращения в обрабатываемых твердых веществах и суспензиях на основе изменения параметров свободных резонансных колебаний ее рабочего органа, в частности, частоты и амплитуды колебаний.

Указанная цель достигается прецизионным измерением частоты и амплитуды свободных резонансных колебаний рабочего органа вибромельницы свободного конца упругой консольной балки (пластины) с закрепленным на ней барабаном вибромельницы. Свободные резонансные колебания консоли инициируются, усиливаются и поддерживаются автоматически электронным устройством, в котором предусмотрены выходы на частотомер для измерения частоты колебаний и электромеханический датчик для измерения амплитуды колебаний. В отличие от [2] замена спиральной пружины на упругую консоль решает все практические трудности по реализации строго свободных резонансных колебаний вибромельницы и исключает внешние потери на трение и демпфирование в процессе ее работы. Реализация только свободных резонансных колебаний в отличие от резонансно-вынужденных [2] до предела упрощает расчетные и экспериментальные работы, сводя их к определению только частоты и амплитуды в процессе работы вибромельницы.

На чертеже показана конструктивно-блочная схема предложенной вибрационной консольно-резонансной мельницы.

Рабочий орган консольной вибромельницы представляет собой массивное зажимное устройство 1, в котором жестко закрепляется конец упругой балки или пластины 2, т. е. обычную консоль. На свободном конце консоли закрепляется свободный или загружаемый некоторым количеством мелющих тел (шаров) 3 барабан вибромельницы 4 с магнитным датчиком 5 и ярмом электромагнита 6 Свободные резонансные колебания консоли запускаются электромагнитом 7 от блока управления 8 строго постоянными и периодическими импульсами нагрузки Р. Колебания консоли вызывают импульсы в датчике 9 посредством магнита 5. Эти импульсы управляют включением электромагнита 7 в такт с колебаниями консоли. Блок управления 8, кроме управления электромагнитом 7, обеспечивает непрерывное измерение частоты (выход на частотомер) и амплитуды колебаний консоли с помощью электромеханического датчика.

С целью управления параметрами свободных резонансных колебаний вибромельницы зажимное устройство 1 и упругая балка (пластина) 2 выполнены таким образом, что позволяют изменять длину консоли и профиль ее поперечного сечения (жесткость).

Испытания работы вибрационной консольно-резонансной мельницы показали ее надежность в эксплуатации и высокую точность в измерении параметров свободных резонансных колебаний (по амплитуде ±0,001 см, по частоте +0,001 Гц), а также их соответствие расчетным значениям.

П р и м е р. Количественное определение каналов диссипации подведенной механической энергии на действующей вибрационной консольно-резонансной мельнице. В качестве консоли применялась стальная пластина прямоугольного сечения массой 287,31 г, длиной l 27,6 см, шириной b 3,22 см, толщиной h 0,41 см, плотностью ρ 7,86 г/см³, модулем Юнга Е 2,232 ˙ 10¹² дин/см² и коэффициентом Пуассона ν 0,285. Пусть l (в нашем случае l 21 см) длина пластины от линии защемления одного из ее концов в зажимном устройстве. На свободном конце пластины были закреплены ярмо электромагнита с магнитом общей массой М₂= 380,25 г, барабан вибромельницы (цилиндр на нержавеющей стали высотой 3,5 см и диаметром 2,3 cм) с крепежным устройством, электромеханическим датчиком с общей массой М₃ 183,35 г. В качестве шаровой загрузки были использованы 35 шаров из сплава ВК8 с общей массой М₄18,33 г, а в качестве измельченного материала кварц с исходными размерами частиц по данным ситового анализа ≈ 0,01 см и навеской М₅ 0,1 г. В теоретическом рассмотрении, см. ниже, массы М₄ и М₅ считаются неподвижными (жестко связанными с барабаном вибромельницы), т. е. служат добавками к массе М₃.

Прогиб W (F, l) свободного конца консольной балки (пластины) под действием нагрузки F составит [3] W (F, l) 1 + · т. е. равен практически своему классическому выражению, поскольку, как не трудно убедиться, неклассический вклад в нашем случае (второе слагаемое в квадратных скобках) равен всего 0,000302.

Нагрузка в рассматриваемой механической системе равна F М ˙g˙ (M₁ + M₂ + M₃ + M₄ + M₅), где М₁ (l 21 см) ρbh 1/2 108,96 г доля массы самой пластины в общей нагружающий конец консоли массе М, а g 978,032 см/см² ускорение силы тяжести. Таким образом прогиб составли W(F, l 21 см) 7,316 ˙10^-5˙ Σ M_i, см: под собственной массой консоли (M₁) 7,972 ˙ 10^-3 cм, с ярмом электромагнита (М₁ + М₂) 3,579 ˙ 10^-2 см, с вибромельницей (M₁ + M₂ + M₃) 4,913 ˙ 10^-2 см, с шаровой загрузкой и веществом (М₁ + M₂ + M₃ + M₄ + M₅) 5,047 ˙ 10^-2 см.

Видно, что добавка шаров и вещества уже практически не влияет на общий прогиб конца консоли (разница в 1,34 ˙ 10^-3 см находится в пределах ошибки измерения прогиба посредством электромеханического датчика). Измеренный с помощью электромеханического датчика прогиб конца консоли для М М₁ + M₂ + M₃ составил ≈5 ˙ 10^-2 см.

Частота свободных резонансных колебаний f консоли определяется следующим выражением [4] f В нашем случае это дает f 0,585·10³/, с^-1: для М M₁ + M₂, f 26,444 Гц; для М M₁ + M₂ + M₃, f 22,570 Гц; для М M₁ + M₂ + M₃ + M₄, f 22,268 Гц;
для М M₁ + M₂ + M₃ + M₄ + M₅, f 22,266 Гц.

При работе вибромельницы на ярмо электромагнита действует синхронно резонансным колебаниям строго постоянный импульс дополнительной нагрузки Р, который раскачивает консоль до конечного максимально возможного прогиба W(Р, l), так что амплитуда колебаний вибромельницы становится равной а 2W(Р, l). Экспериментально замеряемая величина а 1 см, следовательно Р 10F 10 Mg 6,6 ˙ 10⁶ дин.

Экспериментально измеренные значения амплитуды и частоты колебания пустой вибромельницы составили а 0,92 см, f 22,44 Гц, вибромельницы, заполненной шарами, а₁ 0,83, f₁ 21,95 Гц. Вибромельницы, заполненной шарами и веществом, а₂ 0,81 см, f₂ 21,89 Гц. Если бы шары и вещество были жестко связаны с вибромельницей, то следовало бы ожидать незначительного увеличения амплитуды колебаний (мы же имеем уменьшение), а ожидаемая частота колебаний должна была бы составить f₁' ≈ f₂' 22,14 Гц согласно геометpическим расчетам, произведенным выше. Следовательно эти изменения в амплитуде и частоте результата диссипации подведенной механической энергии в вибромельнице.

Теперь легко определить величины каналов диссипированной энергии и КПД вибромельницы:
мощность подведенной механической энергии Q M(af)² (M₁ + M₂ + M₃) (аf)² 13,86 Дж/с;
мощность диссипированной энергии в результате взаимодействия шаров друг с другом и со стенками вибромельницы Q₁ M₄[(а₁')² (a₁f₁)²] 1,52 Дж/с,
мощность диссипированной энергии на измельчение и механическую активацию частиц кварца Q₂ M₄(a₁f₁)² (M₄ + M₅) (а₂f₂)² 0,32 Дж/с.

КПД Q₂/Q 0,023 (2,3%).

Формула изобретения

1. ЛАБОРАТОРНАЯ ВИБРАЦИОННАЯ МЕЛЬНИЦА, содержащая барабан с мелющими телами, привод, отличающаяся тем, что, с целью количественного изучения процессов диссипации подведенной механической энергии и определения ее КПД при измельчении и механической активации твердых веществ и суспензий, мельница снабжена зажимным устройством, соединенным посредством упругой консольной балки или пластины с барабаном мельницы.

2. Мельница по п. 1, отличающаяся тем, что консольная пластина или балка выполнена с изменяющейся длиной и профилем поперечного сечения.

3. Мельница по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что консольная балка или пластина выполнена с возможностью свободных резонансных колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1