ЧТО МОЖЕТ ВИБРАЦИЯ?

ВИБРАЦИЯ УПРОЧНЯЕТ — ВИБРАЦИЯ РАЗРУШАЕТ

В предыдущем разделе уже упоминалось о виброуп­рочняющей обработке деталей, когда в камеру вибраци­онных устройств, изображенных, например, на рис. 10.2, вместо абразива загружают полированные стальные или чугунные шарики — чаще всего диаметром от 3 до 5 мм; надлежащим образом выбирается и режим колебаний ка­меры. Камера непрерывно или периодически промывает­ся специальной жидкостью; ее содержание при периоди­ческой промывке не должно превышать 5% объема каме­ры. Поверхностное упрочнение снижает влияние конст­руктивных п других копцентраторов напряжений, вредно отражающихся па выносливости детали. В частпости, опо «залечивает» острые надрезы и царапины и создает бла­гоприятный микрорельеф обрабатываемой поверхности. В результате долговечность деталей увеличивается в не­сколько раз по сравнению с механически обработанными поверхностями.

Вместе с тем большое число аварий и катастроф связа­но с разрушительным действием вибрации. Как отмечает­ся в книге [222, с. 8], «...статистика утверждает, что 80% аварий в машине происходит в результате недопустимых колебаний».

При циклических напряжениях, возникающих вслед­ствие вибрации, значительно снижается прочность дета­лей машин — имеет место явление усталости, о котором уже говорилось в п. 6.7. Действие этого фактора усугуб­ляется тем, что вибрацпопные воздействия в реальпых ус­ловиях далеко не всегда могут быть точно предсказаны, в частпости при паличии резонансных явлений и ударных нагрузок. Кроме того, явления усталости усугубляются при наличии концентраторов напряжений, коррозии, нару­шений технологии изготовления машин и некоторых дру­гих факторов (см., например, [217]). В результате нор­мирование расчетных напряжений в ответственных дета­лях, работающих при циклических нагрузках, приходится осуществлять по данным опытной эксплуатации или дли­тельных испытаний.

Однако разрушение не всегда вредно. Напротив, про­блема эффективного разрушения — дробления и измель­чения — природных и технических твердых материалов является одной из важнейших в современной технике и технологии: в промышленно развитых странах на эти це­ли тратится около 5—7% всей добываемой энергии. Осо­бенно много энергии расходуется на подготовку руд к обо­гащению. В рудах металлов иногда содержатся доли про­цента полезного компонента и притом в виде достаточно мелких включений. Чтобы обогатить руду — получить так называемый копцептрат,— ее вначале надо раздробить и достаточно сильно измельчить — обычно до размера по­рядка 0,1 мм и ниже. Для этого затрачивается энергия порядка 10—20 кВт • ч на тонну руды — в зависимости от степени ее измельчаемости. Современный период ха­рактеризуется переходом к использованию бедных и тон - ковкрапленных руд. Поэтому дробить и измельчать при­ходится все больше руды и все сильнее, затрачивая все больше энергии на производство тонны металла. Не ме­нее остро стоят проблемы эффективного разрушения в других областях техники — в промышленности строи­тельных материалов, при производстве абразивов, в по­рошковой технологии, в агропромышленном комплексе, при переработке отходов производства и бытовых отходов. Большие трудности возникают при необходимости разру­шения особо прочных материалов.

Между тем в совершенствовании способов и средств для разрушения твердых материалов наблюдается дли­тельный застой; традиционные подходы уже практически исчерпали свои возможности, а новые идеи еще далеки от широкого промышленного использования. В этих ус­ловиях особое значение приобретает уточнение физиче­ского механизма разрушения и формулирование на его основе рациональных принципов организации процесса. В сущности, речь идет о проблеме, обратной проблеме теории прочпости: как следует разрушать материал с наи­меньшими усилиями и затратами энергии. При подготовке руд к обогащению для указанной цели (да и само по се -

6eJ важно, чтобы многокомпонентны!! материал разру­шался преимущественно по поверхностям раздела фаз. В таком виде задача была поставлена в последние годы В. И. Ревнивцевым, сформулировавшим также некоторые основные принципы рациональной организации процесса разрушения.

Как показал анализ, наиболее полно эти принципы мо­гут быть реализованы в машинах и устройствах вибра­ционного типа, в частпости в так называемых конусных инерционных дробилках [32, 35, 42; 61, т. 4; 98, 188]. Эти дробилки отличаются от обычных конусных дробилок для руды и строительных материалов тем, что конус в них приводится в движение не посредством эксцентрпка, а с помощью дебалансного вибровозбудптеля. Наиболее дале­ко по пути реализации такого принципа удалось продви­нуться в СССР в институте Мехаиобр (Ленинград). Схе­ма соответствующей дробилки представлена на рис. 11.1, а. Дробящий конус машины 1 заключает в себе дебалансный вибровозбудитель 3. Вращающий момент передается на вал возбудителя от электродвигателя 5, установленного на опорной раме 6, через карданный вал 4. Корпус дробил­ки 2 подвешен к раме на мягких пружинно-тросовых под­весках 7, §, благодаря чему машина является практиче­ски полностью уравновешенной; имеются конструкции, в которых та же цель достигается посредством опирапия корпуса па резинопневматические или резинометалличе­ские виброизоляторы 9 (рис. 11.1, б и 11.2, а).

Дробление руды осуществляется в кольцевой полости между рабочей частью наружной поверхности конуса и со­ответствующей частью впутренпей поверхности корпуса (в камере дробления); эти поверхности снабжены смен­ными футеровками.

В нормальном установившемся режиме работы дробил­ки ось конуса вращается вокруг оси корпуса с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения вала деба­ланса; при этом конус контактирует с корпусом через слой руды, находящийся в камере дробления. Направление от­клонения оси конуса от оси корпуса совпадает (с точ­ностью до некоторого обычно острого угла) с направле­нием вектора — эксцентриситета дебаланса. Поэтому сум­марное дробящее усилие развивается не только за счет центробежной силы инерции вращающегося дебаланса, но и за счет цептробежной силы, возникающей при пре­цессионном движении конуса. Это обстоятельство предоп­ределяет важпую технологическую особенность дробилки,

состоящую в том, что при увеличении щели S (см. рис. 11.1, я), т. е. наибольшего расстояния между футеров - ками конуса и корпуса в их нижней части при макси­мальном отклонении конуса, крупность готового продук­та уменьшается; пропускная же способность дробилки

при этом, естественно, увеличивается. В конструкциях дробилок предусматривается возможность регулирования щели S от нуля до некоторого максимального значения.

Использование в описанной машипе динамического принципа обеспечения движения копуса (посредством де - балансного вибровозбудителя) вместо кинематического (посредством эксцентрика) позволило перейти от прин­ципа дробления с заданпой деформацией материала к принципу дробления с задаппым усилием. Кроме того, ди­намический принцип сделал возможным переход в новой дробилке к значительно более высокой частоте качаний конуса и к гораздо большим усилиям дробления, что осо­бенно важно при разрушении особо прочных материалов. В итоге в рассматриваемой дробилке и удалось наиболее полно реализовать упомянутые принципы рационального разрушения материала и получить ряд значительных технологических преимуществ, в частности обеспечить степень дробления материала, в несколько раз превыша­ющую достижимую в обычных дробилках.

Помимо описанной, в институте Мехапобр создан ряд других впбрационпых (или, как часто в последпее время их называют, виброиперционных) дробилок. Схемы двух типов таких дробилок представлены на рпс. 11.3. Первая из них отличается от рассмот­ренной выше наличием двух самоспнхропизирующихся дебаланс - ных вибровозбудителей, которые, к тому же, размещены в кор­пусе машипы [32, 35]. Вторая представляет собой щоковую удар - по-впбрациоппую дробилку, также приводимую от двух самосин - хронизирующихся дебалап'пых возбудителей [215].

Фото конусной инерционной дробилки с вертикальными коле­баниями дробящих тел представлено на рис. 11.2, б; эта дробилка [102] предназначена для получения порошков заданпого фракци­онного состава. И в этой машипе использованы самосинхропизи - рующиеся вибровозбудители.

Исследование динамики копуспой инерционной дробилкп сво­дится к изучепию достаточно сложной нелинейной системы с де­сятью степенями свободы [194]. Работу дробилки в описанном выше нормальном устаповившемся режиме можпо рассматрива гь с позиций теорип самосинхронизации вибровозбудитолей (см. раз­дел 12), считая конус дробилки несущим телом, а корпус —коль­цевым вибровозбудителем, лишенным двигателя (рис. 12.2, в). При таком подходе условия существования и устойчивости нор­мального режима работы дробилки получаются как соответству­ющие условия синхроппого движения двух вибровозбудителей — обычпого дебалапспого в кольцевого [35, 42].

Одпой из важных особенностей динамики дробплки является наличие критической щели — такого предельного значения S = St, при котором еще обеспечиваются существование и устойчивость нормального режима работы машины; при больших "значениях S указанный режим нарушается. Величина определяется по формуле [195]

тгі

S* = k—d, (11.1)

где те — статический момепт дебалапса, 7 — момент пнорции ко­нуса относительно горизонтальной оси, проходящей через центр сферического шарнира О (точку подвеса конуса к корпусу), I — расстояние от точки О до плоскости вращения центра масс деба­ланса С, d — расстояние от точки О до точки коптакта футеровок К, к — коэффициент, лежащий в пределах от 2,5 до 5,0. Заметим, что условие S aj S* пмеот простой физический смысл — о по пред­ставляет собой тррбовапие возможности передачи от дебалапса мощности, необходимой для поддержапия обкатки конуса по кор­пусу, т. е. для обеспечения эффекта вибрационного поддержания вращепия (см. разделы 12 и 13).

Дробящая сила, развиваемая в установившемся режиме, мо­жет быть подсчитана по формуле

тек>21 „

/? = /,ч — cost+ (11.2)

где d — расстояппе от цептра сферического шарнира О до точки

приложения силы R, ср — упомянутый выше острый угол, со — час­

тота вращения пала дебаланса, fci и к2— коэффициенты снижения дробящего усилия вследствие копечпости массы корпуса (обычпо масса корпуса и ее распределение выбираются из условия, чтобы к і и кг лежали в пределах от 0,7 до 0,8), О — угол отклонения оси конуса от оси корпуса (угол нутации); наибольшее возможное апачепие ft = Omas = S/(2d) (см. рис. 11.1) достигается при от­сутствии руды в дробилке. Угол ф связан с мощностью, расходуе­мой па дробление, соотношением

N = sin ф. (И. З)

Величины R и N выбираются при проектировании дробилки с уче­том свойств дробимого материала, а также исходной и конечной крупности кусков.

Особого подхода в рассматриваемых дробилках требует про­филирование камеры дробления; на соответствующей теории, су­щественно опирающейся на теорию вибрационного перемещения (см. раздел 4), здесь останавливаться не будем. Отметим лишь, что разработка теории и способов профилирования инерционных дробилок прпвели к пониманию того обстоятельства, что и обыч­ные копуспые дробилки являются, в сущности, машинами вибра - циоппого типа: при профилировании тех и других приходится рассматривать сложный процесс движения и разрушепия куско­вого материала в пространстве между двумя вибрирующими по­верхностями.

Более подробпое рассмотрение конструкции, технологических особенностей, теории и методов расчета конусных инерционных дробилок и других вибропнерциопных аппаратов можно найти в книгах и статьях [35, 42; 61, т. 4; 98, 100, 156, 188, 194, 195]. Сов - ррмоппым методам профилирования конусных дробилок, основан­ных на использовании теории вибрациопного перемещения и ЭВМ, ьосвящепы работы [14, 41, 115].

Из числа вибрационных машин для разрушения твер­дых материалов заслуживают упоминания вибрационные мельницы. По принципиальной схеме и конструкции они во многом аналогичны машинам для вибрационной обра­ботки деталей, рассмотренным в разделе 10 (см. рис. 10.1 и 10.2). Аналогичным является и характер движения ма­териала и измельчающих тел; в качестве таковых исполь­зуются шары, цилиндры, стержни, трубы; встречаются мельницы, работающие по принципу самоизмельчения ма­териала. Вибрационные мельницы используются в основ­ном для тонкого измельчения твердых материалов, причем нзмельчопие часто удачно сочетается с другими техноло­гическими операциями — смешиванием, химическими ре­акциями и т. п. Они находят применение и для механи­ческой деструкции растительного сырья. Большинство промышленных установок, в отличие от машин для обра­ботки деталей, работает в непрерывном режиме.

Несмотря па известные трудпости создания надежпых вибрационных мелышц крупного размера с высокой про -

іиподительностью, ряд специалистов считает, что они в перспективе смогут конкурировать при организации про­цессов массового измельчения с эксплуатируемыми уже в точение многих десятилетий обычными шаровыми и стержневыми барабанными мельницами.

С теорией и расчетом, а также с технологическими особенностями вибрационных мельниц можно ознакомить­ся по книгам [61, т. 4; 139].

Заслуживает упоминания идея использования вибра­ции для разрушения ледяного покрова, т. е. для создания вибрационных ледоколов [61, т. 4].