ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ. ГРАНУЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ. В ПЛАНЕТАРНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ

Движение материала в планетарном грануляторе

Процессы, происходящие в планетарном грануляторе, схожи с процессами в планетарных мельницах-активаторах. Для описания движения сыпучего материала в планетарном грануляторе использу­ется источник, в котором исследуется движение в планетарной мель­нице [22].

Планетарное движение рабочего барабана позволяет увеличить частоту вращения вокруг собственной оси, не выходя за критиче­скую скорость (когда центробежная сила от вращения рабочего бара­бана вокруг собственной оси превышает центробежную силу от вра­щения центральной оси планетарной системы, перемешивание и гра­нулирование прекращается). Увеличение частоты вращения барабана увеличивает количество соударений частиц в единицу времени. Сложное движение частиц в рабочем объеме планетарного грануля­тора осуществляется под действием трех сил: центробежной силы от вращения ротора, центробежной силы от собственного вращения ба­рабана и силы Кориолиса, возникающей от сложения сил относи­тельного и переносного движений.

Для исследования траектории движения частиц в барабане пла­нетарного гранулятора используются безразмерные критерии. Кине­матический коэффициент

K =^, (1.51)

01

где гаї - угловая скорость вращения ротора (водила), с-1;

®2 - угловая скорость вращения барабана вокруг собственной оси, с-1.

Геометрическая характеристика:

R

m = Ч (1.52)

*2

где Ri - расстояние между центрами вращения ротора и барабана, м; *2 - радиус барабана, м.

Для выполнения планетарного движения необходимо, чтобы m Ф 0 и K Ф 0.

С помощью графоаналитического метода построена траектория относительного движения частицы в планетарном грануляторе

Условие, при котором материал под действием центробежной силы от вращения рабочего барабана вокруг собственной оси рас­пределяется по поверхности барабана и вращается вместе с ним:

где n - коэффициент заполнения барабана.

Обобщенная карта режимов при степени заполнения n = 0,6, ко­эффициенте трения f = 0,5 представлена на рис. 1.10.

На карте выделяются следующие области значений K: I - закри - тическая; II - самофутеровки; III — свободного полета частиц; IV - переходная от режима со свободным полетом частиц к вихревому режиму движения в плотной упаковке; V - вихревого движения час­тиц без скольжения относительно стенок барабана; VI - вихревого режима с возможным проскальзыванием материала относительно стенок барабана; VII - скольжения частиц.

Карта режимов позволяет описать движение материала в бара­бане планетарной мельницы (гранулятора). Линия на графике (см. рис. 1.10), характеризуемая K = -1, является осью симметрии графика. Границы выделяемых областей зависят от свойств измель­чаемых (гранулируемых) материалов, степени заполнения объема барабана и др. Далее рассматриваются виды движения в области, где K < -1, в направлении уменьшения абсолютного значения кинемати­ческого параметра.

В области I значение сил в относительном движении от враще­ния барабана вокруг своей оси больше сил переносного движения и сил Кориолиса. В этом закритическом состоянии материал распре­деляется по стенкам в виде кольца, вращающегося вместе с бараба­ном. Центрифугированная загрузка не перемещается внутри бараба­на и не гранулируется.

В области II часть частиц, для которых выполнены условия от­рыва, пролетают через свободное пространство барабана до столкно­вения с противоположной стенкой или другими частицами. Если ус­ловия отрыва не выполнены для последнего слоя частиц, то происхо­дит самофутеровка барабана.

Область III отличается от предыдущей тем, что условия отрыва выполнены для всего загруженного материала. При визуальном на­блюдении кажется, что загруженный материал заполняет весь рабо­чий объем барабана. Движение частиц от взаимных столкновений становится хаотичным. Этот режим не устойчив и может скачком переходить в режимы смежных областей.

Движение частиц в области IV имеет более сложный характер. Сыпучий материал, расположенный в виде сегмента, можно разде­лить на 3 части. Одна часть частиц движется вместе с барабаном, проскальзывая относительно его стенки. Вторая (переходная) часть относительно спокойна. Третья часть частиц движется в направле­нии, противоположном направлению движения первой части. Силы Кориолиса в первой и третьей частях сегмента действуют в противо­положных направлениях, сжимая частицы в компактную массу. Ре­жим устойчивый.

При дальнейшем уменьшении значения K режим движения из­меняется, появляется проскальзывание. Условию движения материа­ла с проскальзыванием соответствует V область на карте режимов. Материал в виде овальной плотной массы прижат к стенке барабана и движется в направлении, противоположном направлению движе­ния поверхности барабана. При этом в зависимости от коэффициента трения, степени заполнения объема барабана и других параметров происходит проскальзывание частиц относительно стенки барабана.

При K > 0 также можно выделить пять областей, характеризую­щих различную форму движения загрузки. Области сильнее сжаты вследствие того, что направления сил переносного, относительного движения и сил Кориолиса совпадают.

Анализ карты режимов позволяет рассмотреть условия работы мельниц при предельных значениях параметров m и K:

- при K = ± ж осуществляется закритический режим I, при кото­ром происходит центрифугирование материала относительно оси вращения барабана;

- при K = 0, m Ф 0 - закритический режим II, при котором мате­риал движется как твердое тело относительно оси вращения ротора;

- при m = 0 - режим гранулирования в обычном (гравитацион­ном) грануляторе;

- при m < 1 - режим вибрационной мельницы (гранулятора) с круговыми колебаниями рабочего барабана;

- при m > 1, K Ф 0, K Ф ± ж - режим работы планетарного грану - лятора.

Из карты режимов следует, что при возрастании m границы ки­нематических областей расширяются и режимы стабилизируются.

Таким образом, анализ литературы показывает, что гранулиро­вание в планетарном грануляторе является более эффективным, чем гранулирование в барабанных грануляторах, для материалов, тре­бующих повышенного давления при гранулировании. Исследование процессов гранулирования в грануляторе планетарного типа приме­чательно тем, что сила давления между частицами на порядок выше благодаря дополнительной центробежной силе F и силе Кориолиса FH, благодаря чему процесс гранулирования более эффективен. В не­которых случаях, когда гранулируемый материал достаточно пла­стичный, может быть применено сухое гранулирование. Это намного упрощает процесс гранулирования, поскольку отпадает необходи­мость равномерного смачивания материала, а затем его сушки; тем более что для некоторых материалов смачивание и смешение со свя­зующими неприемлемо. Для гранулирования в планетарном грануля­торе без связующего боле пригодны пластичные материалы и менее пригодны материалы, состоящие из твердых и упругих частиц.

Планетарное движение рабочего барабана позволяет увеличить частоту вращения вокруг собственной оси, не выходя за критиче­скую скорость (когда центробежная сила от вращения рабочего бара­бана вокруг собственной оси превышает центробежную силу от вра­щения центральной оси планетарной системы, перемешивание и гра­нулирование прекращается). Увеличение частоты вращения барабана увеличивает количество соударений частиц в единицу времени. Сложное движение частиц в рабочем объеме планетарного грануля­тора осуществляется под действием трех сил: центробежной силы от вращения ротора, центробежной силы от собственного вращения ба­рабана и силы Кориолиса, возникающей от сложения сил относи­тельного и переносного движений.

Проблема изучения процессов, происходящих в планетарном грануляторе, является актуальной и представляет несомненный ин­терес для материаловедов, технологов и конструкторов, работающих в различных областях машиностроения.

2. КОНСТРУКЦИЯ ПЛАНЕТАРНОГО ГРАНУЛЯТОРА

Для проведения исследований был разработан планетарный гра­нулятор [23], схематично изображенный на рис. 2.1, 2.2. Фотографии

изготовленного гранулятора представлены на рис. 2.3-2.5.

I

- рама; 2 - водило; 3 - основной вал; 4 - электродвига­тель; 5 - формующий барабан; 6 - вал барабана; 7 - под­шипники вала барабана; 8 - регулирующий вращение ба­рабанов шкив; 9 - подшипники; 10 - тормозной механизм;

II - шкив тормозного механизма; 12 - шкив барабана; 13 - корпус основного вала; 14 - ремень привода барабана; 15 - ремень тормозного механизма; 16 - шкив привода основ­ного вала; 17 - стойка натяжителя ремня привода барабана

Планетарный гранулятор содержит раму 1, водило 2, жестко за­крепленное на основном валу 3, привод от электродвигателя 4, фор­мующие барабаны 5 на валах 6, вращающихся на подшипниках 7, регулирующий вращение барабанов шкив 8, вращающийся на под­шипниках 9, тормозной механизм 10, шкив 11 тормозного механиз­ма 10, шкивы 12 барабанов 5, корпус основного вала 13, ремни при­вода барабанов 14, ремень 15 тормозного механизма 10, шкив 16 при­вода 4, стойки 17 и ролики 18 натяжителей ремней.

Соосно основному валу 3 на подшипниках 9 вращается регули­рующий шкив 8. Шкив 8 соединен клиновым ремнем 15 с регули­руемым тормозным механизмом 10. Шкивы 12 барабанов 5 приво­дятся во вращение клиновыми ремнями 14 от регулирующего шки­ва 8. Клиновые ремни 14 натянуты роликами 18 натяжителей ремней, вращающимися на стойках 17. Стойки 17 закреплены на водиле 2. Стойки 17 имеют возможность продольного перемещения в пазах водила 2 для регулировки натяжения ремней 14.

Гранулятор работает следующим образом. После включения гранулятора водило 2 начинает вращаться. При полностью затормо­женном тормозном механизме 10 регулирующий шкив 8 также за­торможен. Барабаны 5, приводимые ремнями 14, начинают вращать­ся в сторону, обратную вращению водила 2 с относительной скоро­стью, равной скорости вращения водила 2, умноженной на отноше­ние диаметра шкива 8 к диаметру шкива 12 (юб = ю в х D8 / D12).

При полностью расторможенном тормозном механизме 10 и регу­лирующем шкиве 8 барабаны 5 не вращаются относительно водила 2.

Путем регулировки тормозного механизма 10 регулируется ско­рость вращения барабанов 5 относительно водила 2 от нулевой при расторможенном шкиве 8 до максимальной при заторможенном шкиве 8. Это дает возможность подбирать оптимальное соотношение скоростей водила 2 и барабанов 5 для различных гранулируемых ма­териалов.

Для грануляторов планетарного типа необходимо, чтобы отно­сительная скорость вращения барабанов 5 была обратной скорости вращения водила 2, что обеспечивается предлагаемым механизмом регулировки скорости вращения барабанов 5.

Крутящий (тормозной) момент передается от регулирующего шки­ва 8 барабанам 5 посредством клиноременной передачи 14. Скорость вращения водила 2 регулируется изменением частоты вращения элек­тродвигателя постоянного тока 4, а скорость вращения барабанов 5 от­носительно водила 2 регулируется тормозным механизмом 10.

Может применяться тормозной механизм механического, гид­равлического, электромагнитного и других типов. Для более эффек­тивного использования энергии вместо тормозного механизма может быть применен электрогенератор.

В изготовленном грануляторе применен тормоз механического типа (см. рис. 2.5).

Для автоматизации процессов выгрузки и разгрузки была разра­ботана следующая конструкция гранулятора [24].

На рис. 2.6 приведена схема гранулятора в процессе загрузки мате­риала (стрелки указывают направление потока материала), на рис. 2.7 - разрез А-А в процессе выгрузки гранул (в отличие от рис. 2.1, на рис. 2.2 оси барабанов расположены в вертикальной плоскости; стрелки указы­вают направление движения гранул), на рис. 2.8 - разрез Б-Б.

Планетарный гранулятор содержит раму 1, водило 2, жестко за­крепленное на основном валу 3, имеющем привод 4, формующие
барабаны 5 на валах, вращающихся на подшипниках 6, запрессованных в гнездах водила. На раме соосно с основным валом 3 установлено центральное зубчатое колесо 7, ко­торое приводит во вращение вокруг своей оси барабаны 5 гранулятора через сателлиты 8 водила 2 и сател­литы 9 барабанов 5. Центральное зубчатое колесо 7 установлено на раме на подшипниках 10 и приво­дится во вращение зубчатым коле­сом 11, расположенным на допол­нительном валу 12, имеющем неза­висимый привод 13 и установлен­ном параллельно основному валу 3.

Загрузочный трубопровод для подачи материала в барабаны 5 со­стоит из загрузочного приемника 14 и распределительной части 15, соединен с основным валом 3 шлицевым соединением с возможно­стью продольного движения. Крышки 16 барабанов 5 на направляю­щих стержнях 17 имеют возможность продольного перемещения в направляющих втулках 18 барабанов 5. На направляющие стержни действуют сжатые пружины 19 таким образом, что крышки 16 за­крывают барабаны 5. В крышках 16 запрессованы подшипники 20. Концы распределительной части 15 загрузочного трубопровода про­ходят через отверстия крышек 16 так, что отверстия распределительной части 15 находятся внутри барабанов 5. Загрузочный приемник 14 вра­щается в уплотнителе 21, расположенном в отверстии дозатора 22. Над дозатором 22 расположен загрузочный бункер 23. Шлангом 24 дозатор 22 соединен с компрессором 25. На раме 1 расположен привод вы­грузки 26. Привод имеет вилку-рычаг 27. Распределительная часть 15 загрузочных трубопроводов имеет на своих концах опорные тор-

цы 28. Выгрузной кожух 29 охватывает объем с вращающимися ба­рабанами 5 и имеет внизу выгрузное отверстие 30.

Гранулятор работает следующим образом. После включения гранулятора водило 2 начинает вращаться, а барабаны 5 - двигаться по круговой орбите. Во время движения оси барабанов 5 двигаются параллельно основной оси гранулятора. Направление и скорость пе­ремещения барабанов 5 по круговой орбите регулируют электродви­гателем постоянного тока привода 4 водила 2. При вращении води­ла 2 его сателлиты 8 обегают центральное зубчатое колесо 7 и через сателлиты 9 приводят барабаны 5 во вращение вокруг собственной оси. Направление и скорость вращения центрального зубчатого коле­са 7 и, следовательно, барабанов 5 вокруг своей оси задаются элек­тродвигателем постоянного тока независимого привода 13 дополни­тельного вала 12 через зубчатое колесо 11 дополнительного вала 13.

При загрузке материал попадает из загрузочного бункера 23 в емкость дозатора 22. Компрессор 25 нагнетает воздух в емкость дозатора 22 и материал, увлекаемый воздушным потоком, попадает в загрузочный приемник 14, затем - в распределительную часть 15 загрузочного трубопровода, и далее - в барабаны 5. После загрузки производится гранулирование материала. При выгрузке привод вы­грузки 26 поворачивает вилку-рычаг 27, который передвигает загру­зочный приемник 14 и распределительную часть 15 в направлении дозатора 22. Опорные торцы 28 распределительной части 15 загру­зочного трубопровода, действуя на подшипники 20, открывают крышки 16, сжимая пружины 19. Гранулы скатываются по кониче­ским внутренним поверхностям барабанов 5 в выгрузной кожух 29 и, ударяясь о его внутреннюю поверхность, скатываются вниз через выгрузное отверстие 30. Через промежуток времени, необходимый для выгрузки, привод выгрузки 26 возвращает вилку-рычаг 27 в ис­ходное положение, и крышки 16 закрываются под действием пружин 19. Затем происходит загрузка материала, и цикл повторяется.

Процессы загрузки и выгрузки осуществляются без остановки гранулятора и протекают достаточно быстро относительно стадии гранулирования.

Таким образом, предлагаемое устройство значительно уменьша­ет время, необходимое для загрузки и выгрузки, позволяет автомати­зировать процесс и увеличивает производительность гранулятора. При этом гранулятор работает циклично, весь материал, в отличие от грануляторов непрерывного действия, находится на стадии гранули­рования строго определенное время, что является необходимым ус­ловием для получения заданного гранулометрического состава гра­нулированного материала.