Расчет и проектирование машин дробления хрупких материалов

Аннотация

В.А. Морозов

В статье рассматривается проблема обеспечения стабильности работы тепловых электростанций, работающих на угле как наиболее распространенном топливе, во время зимних пиковых нагрузок. В частности, исследуется задача обеспечения надежности работы тракта топливоподготовки, и его оптимизация. В зимнее время подаваемый на тепловую электростанцию уголь смерзается в монолит, и для его дробления предлагается сконструировать и использовать специальную дробильно-фрезерную машину. В статье обсуждаются основные вопросы конструирования такой машины.
Ключевые слова: тепловые электростанции, энергетический уголь, смерзание, негабаритный монолит, дробление, дробильно – фрезерная машина.

Потребление электрической и тепловой видов энергии существенно неравномерно. Оно имеет суточные колебания, когда или потребления приходится на вечерние часы, и значительные сезонные колебания, пик которых приходится на зимние месяцы. Значительная часть тепловых электростанций (ТЭЦ) России в качестве основного топлива использует уголь и расположена в зоне высоких широт, отличающихся холодным климатом. Уголь к этим электростанциям доставляется железной дорогой в открытых сверху полувагонах. Только такой тип вагонов позволяет механизировать погрузку и разгрузку значительных объемов угля, потребных для работы ТЭЦ в режиме максимальных нагрузок.
Современные ТЭЦ имеют технологическую цепочку топливоподготовки, которая начинается с приемного бункера, прикрытого сверху массивной стальной решеткой с заданным размером ячейки. Вагоноопрокидыватель поворачивает предварительно закрепленный вагон вокруг своей оси и высыпает уголь через решетку в приемный бункер. Основной задачей решетки приемного бункера является сортировка угля от негабаритных кусков топлива, которые не могут быть раздроблены и перемещены по технологической цепочке, а также от посторонних предметов.
В обычных условиях российской зимы влажный после обогатительной фабрики транспортируемый уголь подвергается дополнительному увлажнению за счет осадков, т.к. полувагоны открыты сверху, и смерзается. Содержание прибывших на подъездные пути ТЭЦ полувагонов со смерзшимся углем в специальных тепляках до полного оттаивания невозможно из–за дороговизны и длительности процесса, а также связанного с этим дополнительного простоя полувагонов под разгрузкой. В результате полувагоны со смерзшимся углем даже при сильных морозах находятся в тепляках непродолжительное время, достаточное для того, чтобы оттаял только поверхностный слой массива смерзшегося топлива, соприкасающийся с внутренними поверхностями вагона. Стенки и дно полувагонов выполняются из рифленой стали, которая хорошо проводит тепло, и это позволяет провести поверхностное оттаивание достаточно быстро. После этого появляется возможность механизированной разгрузки полувагонов с помощью вагоноопрокидывателя и сводится к минимуму их зачистка от остатков угля перед сдачей железной дороге.
Таким образом, в зимнее время на решетки приемных бункеров ТЭЦ, расположенных в северных и умеренных широтах попадают негабаритные куски смерзшегося топлива. Дополнительное дробление этих кусков вручную является малопроизводительной, тяжелой и опасной работой.
По этой причине представляется, что необходимым элементом технологической топливоподготовки ТЭЦ в России являются дробильно-фрезерные машины. Они в исходном состоянии находятся в ниже верхней части приемного бункера и оставляют открытой решетку приемного бункера. После того как на решетке остаются негабаритные куски смерзшегося угля, оператор имеет возможность привести в действие дробильно-фрезерную машину. Она поступательно перемещается в плоскости, параллельной решетке приемного бункера, и снабжена дробильным барабаном. Этот барабан представляет собой толстостенный цилиндр, установленный на валу и приводимый во вращение от силовых электродвигателей через два редуктора.
На внешней поверхности дробильного барабана размещено 100 - 120 резцов, снабженных твердосплавными вставками на остриях, непосредственно взаимодействующих с массивом угля. Ось каждого резца при соответствующем проецировании перпендикулярна оси барабана и составляет угол 9 – 100 с касательной к окружности в месте установки. Размещение резцов по поверхности барабана предлагается осуществлять на левой половине по левой спирали, а на правой половине по правой спирали. Это позволит реализовать перемещение раздробленного угля к средине решетки приближенного бункера.
Вращающийся дробильный барабан, силовые электродвигатели и редукторы размещаются на раме в виде траверсы, по концам которой установлены колеса. Они опираются на рельсы, размещенные за пределами решетки приемного бункера параллельно сторонам решетки. На траверсе установлены также две лебедки с электроприводом, предназначенные для поступательного перемещения дробильно-фрезерной машины. Это перемещение осуществляется за счет перематывания двух тросов, навитых на барабаны лебедок и закрепленных своими концами на стенках ямы приемного бункера.
Установленные на внешней стороне рельсов концевые выключатели срабатывают в конце рабочего хода и дают команду на возврат дробильно-фрезерной машины в исходное положение. Для этого включается реверс лебедок поступательного перемещения и за счет перематывания тросов машина возвращается в исходное состояние. При этом приводы вращения дробильного барабана выключаются. Фиксацию исходного состояния траверсы машины обеспечивает вторая пара концевых выключателей. После завершения цикла машина вновь готова к работе.
Наличие дробильно-фрезерной машины в качестве первого звена тракта подготовки и подачи угля ТЭЦ позволит обеспечить бесперебойную подачу топлива для всех диапазонов влажностей углы и реальных температур холодного времени года. Кроме того, обработка сжигаемого угля дробильно-фрезерной машиной после разгрузки может явиться первым звеном в технологической цепочке измельчения твердого топлива перед подачей его в топку с «кипящим» слоем. Поэтому для согласования рабочих параметров машины с параметрами последующих агрегатов тракта подготовки угля важно оценить типовые размеры фрагментов раздробленного угля. При хорошем дроблении можно существенно снизить нагрузку на агрегаты для дальнейшего измельчения угля, например, на шаровые мельницы.
Одним из необходимых условий для оптимального проектирования любых машин является возможность более точный анализ процесса их работы и расчет рабочих усилий, действующих в элементах и деталях. Детальное исследование особенностей взаимодействия рабочих органов с монолитами смерзшегося угля или его негабаритными кусками позволит оценить рабочие усилия и в итоге создать оптимальную конструкцию дробильно-фрезерной машины.
Анализ работы основного рабочего органа дробильного барабана показал, что рабочий процесс с точки зрения механики разрушения горных пород для дробильно-фрезерной машины принципиально не отличается от рабочих процессов других горных машин, таких как выемочные и очистные комбайны, врубовые машины и пр. Основные отличия состоят в конструктивных параметрах самой дробильно-фрезерной машины и в особенностях горной массы, которая не является однородным сплошным материалом, таким как уголь или порода в пластах залегания, а представляет собой отдельные куски угля, скрепленные между собой ледяными прослойками. Наличие таких прослоек облегчает работу машины и снижает усилия резания, т.к. резцы работают в условиях трения со смазкой. Роль смазки в данном случае выполняет вода, появляющаяся при таянии ледяных прослоек за счет тепла, выделяющегося при резании монолита и трении резца об отделяемый слой угля.
Конструктивной особенностью дробильно-фрезерной машины является рабочий орган - дробильный барабан длиной 56,5 м. Такая длина соответствует ширине решетки приемного бункера, и это выделяет разрабатываемый агрегат в семействе горных машин.
Основным параметром при проектировании дробильно-фрезерной машины являются максимально возможные усилия на резцах. Через эти усилия можно получить все промежуточные величины, необходимые при расчетах геометрических параметров, прочности и стойкости всех остальных элементов и деталей, валов, подшипников, редукторов и пр.
Усилия на резцах предлагается определить на основе решении задачи разрушения твердого тела с характеристиками, близкими соответствующим параметрам смерзшегося угля. Следует заметить, что разрушение твердых тел, пород, грунтов различного рода и других материалов с минимальными усилиями и затратами с давних пор является важной проблемой практики. От уровня решения этой проблемы во многом зависит эффективность тех технологических процессов, в основе которых лежит разрушение или дробление каких-либо материалов.
Смерзшийся уголь является весьма разнообразным материалом по своим физическим и механическим характеристикам [1], [2]. Эти характеристики зависят от процента содержания влаги, температуры, характеристик крупности частиц угля. При проектировании машины естественно опираться на максимально возможные характеристики обрабатываемого материала. Такие характеристики были получены путем проведения экспериментальных измерений усилий, необходимых для внедрения имитатора резца, (индентора) в специально замороженные образцы влажного угля с различной скоростью.
Резец представляет собой стальной цилиндр с торцевым отверстием, размещенный по его оси. В отверстие устанавливается сменная твердосплавная вставка с коническим острием. В ходе процесса дробления острие каждого резца перемещается по циклоиде и максимальная глубина его внедрения за один проход однозначно определяется скоростью поступательного перемещения машины, угловой скоростью вращения дробильного барабана и высотой обрабатываемого массива угля. В реальном процессе дробления каждое острие резца внедряется в массив топлива под некоторым небольшим углом. Однако, при построении расчетной методики примем, что резец внедряется в массив смерзшегося угля строго по оси конического острия.
Предполагается, что силу сопротивления внедрению резца в среду смерзшегося угля можно представить в виде суммы трех сил:

F=F₁+F₂+F₃.                       (1)

F₁ – сила динамического сопротивления, вызванная инерцией отбрасываемых частиц раздробленного угля, принимается пропорциональной квадрату скорости проникания режущего инструмента.
F₂ – сила вязкости среды, возникающая за счет трения, пропорциональна скорости проникания.
F₃ – сила статистического сопротивления, величина которой зависит от механических параметров дробимого топлива, геометрии резца и не зависит от скорости проникания.
Таким образом, силу F, воздействующую на каждый из резцов, можно представить в виде:

F=AV²+BV+C,                                                   (2)

где А, В, С – некоторые константы, зависящие от свойств смерзшегося угля, параметров формы резца и толщины дробимого за один проход угля;
V – скорость движения резца относительно обрабатываемого угля.
Константы А, В,С в некотором приближении можно получить из результатов эксперимента с индекторами.
Для более точного решения проблемы проектирования дробильно-фрезерной машины рассмотрим задачу о проникании в массив смерзшегося угля конуса с произвольным острым углом полураствора при вершине (угол между осью конуса и его образующей), равным . Смерзшийся уголь содержит обычно значительное число пустот и легко разрушаемых перемычек, состоящих из льда. Поэтому предположим, что смерзшийся уголь представляет собой некоторую сжимаемую среду, механические свойства которой определяются соотношениями [2], [3].

;        – сonst           (3)

0 – начальная плотность дробимого угля;
(r) – плотность сжимаемой среды во фронте ударной волны;
1 –плотность среды за ударной волной;
– некоторая постоянная.
В соотношении (3) предполагается, что плотность обрабатываемого угля за ударной волной, возбуждаемой быстро перемещающимся и внедряющимся в массив резцом постоянна. Это характерно для процессов дробления и разрушения, т.е. в данном технологическом процессе предполагается наличие в локальной зоне внедрения каждого из резцов сильной ударной волны.
В условиях наличия смазки между обрабатываемой средой и резцом предполагается, что частицы дробимого угля в области между ударной волной и проникающим конусом резца должны двигаться по траекториям, совпадающим с нормалями к поверхности конуса. Применительно к рассматриваемой задаче можно утверждать, что раздробленные частицы топлива двигаются по траекториям, совпадающим с образующими новых конусов, перпендикулярных к поверхности проникающего резца.
Для описания движения частиц среды, подвергающейся дроблению, удобно ввести коническую криволинейную ортогональную систему координат H₀, h₀ и .
H₀ – положение вершины конуса относительно некоторой неподвижной поверхности;
 – окружная координата.
В этом случае уравнение движения резца в среде смерзшегося угля примет вид:

             (4)

– параметры Ламэ;
 и 3 – напряжения, действующие вдоль координатных линий H₀ и . Решение уравнения (4) с учетом (3) позволит получить величины напряжений, а, следовательно, и усилий на резцах.

Литература

1. Работнов Ю.Н. Введение в механику разрушения. М.: 1987.
2. Партон В.З. Динамика хрупкого разрушения. М.: 1979.
3. Мошкин Е.К. Мельницы и дробильные агрегаты. М.: 1994.