МЕЛЮЩЕЕ ТЕЛО Российский патент 1994 года по МПК B02C17/20 

Изобретение относится к технике измельчения минерального сырья, а именно к мелющим телам для барабанных мельниц, и может быть использовано в горнорудной, цементной и других отраслях промышленности при переработке рудных и нерудных ископаемых.

Известно мелющее тело, выполненное шарообразной формы со сферическими выступами на его поверхности [1].

Известное техническое решение имеет ряд недостатков.

Компактность упаковки мелющих тел в объеме мельницы недостаточна, что не приводит к заметному повышению суммарной поверхности общей мелющей загрузки.

Отсутствуют условия для создания в измельчаемых частицах повышенных напряжений изгиба или сдвига и увеличения степени раскрытия минералов руды ввиду незначительности ограничения выступами подвижности частиц в зоне размола между поверхностями мелющих тел.

Износ мелющего тела неравномерен вследствие значительной неоднородности рельефа его поверхности, приводящей к усиленному износу выступов в процессе измельчения, в том числе и за счет боковых скалывающих воздействий.

Перечисленные выше недостатки являются следствием значительного превышения выступов под поверхностью базового шара.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому результату является мелющее тело для барабанной мельницы, выполненное шарообразной формы со сферическими выступами на его поверхности, при этом шар выполнен с плоскими симметричными поверхностями, образованными отсечением от него по трем осям координат равновеликих сегментов, сферические выступы расположены на плоских поверхностях и имеют высоту, не превышающую высоты отсекаемого шарового сегмента, а основания выступов сопряжены между собой [2].

В известной конструкции мелющего тела повышается эффективность мелющего действия за счет увеличения измельчающей поверхности тела при приближении его массы к массе базового шара, повышения компактности упаковки тел в общей мелющей загрузке мельницы и увеличения степени раскрытия минералов при измельчении руд.

Однако в известном мелющем теле в процессе эксплуатации интенсивно изнашиваются сферические выступы.

Интенсивность износов сферических выступов является следствием жесткого (монолитного) соединения шара и сферических выступов, исключающее демпфирование ударных нагрузок на последние. Под действием знакопеременной ударно-истирающей нагрузки при неупругом соударении поверхность сферических выступов интенсивно изнашивается. Износы идут и за счет накопления усталостных повреждений, обусловленных энергией динамических импульсов напряжений, возбуждаемых при вращении мельницы, а также за счет скалывающих воздействий.

Цель изобретения - снижение износов путем конструкционного демпфирования.

Цель достигается тем, что в мелющем теле, содержащем базовый шар с плоскими симметричными поверхностями, образованными отсечением от него по трем осям координат равновеликих сегментов, и имеющий на плоских поверхностях сферические выступы с высотой не превышающей высоты шарового сегмента, базовый шар выполнен из эластичного материала с внутренней полостью, равной 1/4-1/3 его диаметра, а сферические выступы образованы частью дополнительных шаров, выполненных из износостойкого материала, утопленных и закрепленных в базовом шаре, при этом внутренняя полость последнего заполнена упруго-пористым материалом, а основания выступов не сопряжены между собой. Базовый шар выполнен из термоэластопласта, дополнительные шары - из белого легированного чугуна, а в качестве упруго-пористого материала использована упруго-пористая резина.

Выполнение базового шара из эластичного материала, например термоэластопласта, и использование сферических выступов, образованных частью дополнительных шаров, закрепленных в теле и выполненных из износостойкого материала, например белого легированного чугуна, позволяет снизить износы элементов конструкции за счет конструкционного демпфирования, обеспечивающего гашение энергии соударения с достаточно высоким коэффициентом поглощения.

Каждый сферический выступ дополнительного шара, закрепленного в базовом шаре, можно рассматривать как консоль, в основании которой образован податливый узел крепления. Упруго-жесткое крепление сферических выступов в условиях циклического ударно-истирающего нагружения существенно снижает износы последних, так как энергия ударов с высоким коэффициентом поглощения воспринимается базовым шаром, выполненным из эластичного материала. Этим обеспечивается снижение динамических нагрузок на сферические выступы.

Таким образом податливый узел крепления в сочетании с прочным элементом конструкции, выполненным из белого легированного чугуна, эффективно влияет на снижение износов дополнительных шаров мелющего тела.

Использование сферических выступов, образованных частью дополнительного шара, закрепленного в базовом шаре и выполненного из износостойкого материала, например белого легированного чугуна, также повышает износостойкость конструкции. Указанный материал обладает повышенной износостойкостью, стоек к многократным ударам и абразивному износу. Испытаниями выявлено, что сплавы с 7-8 мас.% хрома и 2,5-3 мас.% кремния имеют наиболее высокую износо- и ударостойкость.

Наличие в базовом шаре полости, равной 1/4-1/3 его диаметра, и заполнение ее упруго-пористым материалом позволяет дополнительно демпфировать элементы конструкции, снизить уровень внутренних напряжений и на этой основе снизить износы.

При выполнении базового шара из эластичного материала и заполнении полости внутри его упруго-пористой резиной между ними образуется граница раздела сред, слои которой состоят из упругих материалов с существенно различающимися механическими характеристиками, вследствие чего снижаются износы элементов конструкции мелющего тела за счет несогласованности акустических импедансов контактирующих слоев. Так, если выразить механические характеристики последних через модуль Юнга и плотность, т.е. характеризовать материал значением его акустического импеданса I, получают
I = ρ ˙ С, где ρ - плотность материала;
С - скорость звука в нем, и использовать теорию распространения упругих волн через границу раздела сред, из которой известно, что при воздействии волны упругих колебаний с давлением Р на границе раздела сред может происходить частичное отражение импульса. При этом величина массовой скорости и давления Р связаны следующими соотношениями:
Р_о + Р_r = P_t (1),
V_o - V_r = V_t (2), где индексы о, r и t относятся соответственно к исходному, отраженному и прошедшему через границу раздела сред импульсам.

Пользуясь уравнением Р = ρ ˙ C ˙ V, а также условием постоянства импедансов ρ_o ˙ C_o = ρ_r ˙С_r, подставив в (2), получают
- = или с учетом постоянства импедансов получают
= (3) Из совместного решения (1) и (3) вытекают важные уравнения несогласованности импедансов:
P_t = P, (4)
P_r = P_o, (5) которые, если ввести для отношения импедансов обозначение K
K = , могут быть переписаны в следующем виде:
P = P_o (6)
P₂ = P_o (7) или = (8)
Из анализа уравнений (6), (7) и (8) можно заключить, что знак давления Р_t в проходящей волне всегда остается тот же самый, что и у Р_о, т.е. волна сжатия всегда проходит через границу раздела, оставаясь волной сжатия, и это же справедливо для волны разрежения.

Кроме того, из анализа можно сделать следующие выводы: в случае, если К ≃ 1, из (6) вытекает, что величина давления сохраняется в импульсе, переходящем в следу с близким значением импеданса, т.е. Р_t≃ Р_о, а Р_o≃ 0; в случае, если К < 1, давление в проходящем импульсе стремится к нулю, т.е. Р_t≃ 0. а Р_r = -Р_о; в случае, если К >> 1, то величина давления удваивается Р_t = 2P_o, а P_r = P_o.

Таким образом величина несогласованности импедансов контактирующих слоев определяет пропускную способность границы раздела по отношению к динамическим упругим импульсам.

Поскольку образование усталостных повреждений в элементах конструкции непосредственно зависит от величины динамических напряжений, возникающих при соударениях мелющих тел, то соотношение импедансов материала базового шара (термоэластопласт) и материала, которым заполнена полость (упруго-пористая резина), оказывает большое влияние на износостойкость и, следовательно, на срок службы мелющего тела.

Из рассмотренных выше трех возможных случаев наиболее благоприятным для уменьшения износов является выполнение условия К << 1, при котором у материала, которым заполнена полость, величина импеданса значительно меньше, чем у материала базового шара. При этом давление в отраженном импульсе меняет знак, т.е. возникает разрежение, которое алгебраически складывается положительными нагрузками, обусловленными соударениями мелющих тел, максимально уменьшает (нейтрализует) интенсивность поля напряжений в базовом шаре и способствует замедлению процесса его усталостного износа.

Такая ситуация реализуется при использовании высокоэластичных, особенно упруго-пористых, резин в качестве заполнителя полости базового шара в сочетании с эластичным материалом базового шара - термоэластопластом.

Таким образом использование упругого материала базового шара и упруго-пористой резины полости, отличающихся механическими характеристиками, снижает износы элементов конструкции мелющего тела.

Размеры полости в базовом шаре в пределах 1/4-1/3 его диаметра принимаются исходя из обеспечения необходимой надежности крепления дополнительных шаров в базовом шаре и необходимой площади границы раздела двух сред при демпфировании динамических нагрузок за счет несовпадения их акустических импедансов.

Диаметр полости менее 1/4 диаметра базового шара не обеспечивает необходимой площади границы раздела двух сред, что отрицательно скажется на уровне демпфирования динамических нагрузок, а следовательно, и на снижении износов элементов конструкции мелющего тела.

Диаметр полости более 1/3 диаметра базового шара не обеспечит необходимой надежности крепления дополнительных шаров в базовом шаре.

Размещение и крепление дополнительных шаров в базовом шаре так, что их основания не сопрягаются, также способствует снижению износов элементов конструкции мелющего тела.

Действительно, промежуток между основаниями дополнительных шаров, заполненный эластичным материалом, обеспечивает демпфирование горизонтальных составляющих нагрузки.

Кроме того, несопрягаемое размещение дополнительных шаров позволяет надежно закрепить их в базовом шаре, например, вулканизацией.

Выполнение базового шара не из эластичного материала не обеспечит демпфирования циклических ударно-истирающих нагрузок, которые воспринимаются рабочей поверхностью - сферическими выступами. В результате этого не будет достигнуто снижение износов сферических выступов.

Использование рабочей поверхности иной формы с иным способом крепления в базовом шаре или из иного материала не обеспечит восприятия динамических нагрузок податливым узлом крепления, следовательно, снижения износов также достигнуто не будет.

Отсутствие полости в базовом шаре, иные ее размеры или иной материал заполнения не позволяет получить необходимую несогласованность акустических импедансов и на этой основе снизить износы мелющего тела, а также обеспечить вторую ступень демпфирования для сферических выступов. При изменении размеров полости не будет достигнут эффект демпфирования или будет снижена прочность конструкции.

На чертеже показано мелющее тело.

Мелющее тело содержит базовый шар 1, выполненный из эластичного материала, например термоэластопласта. В базовом шаре 1 закреплены дополнительные шары 2, выполненные из легированного чугуна, выступающая часть которых образует сферические выступы 3, являющиеся рабочей поверхностью. В базовом шаре 1 выполнена полость 4, заполненная упруго-пористой резиной 5.

Процесс измельчения материала в барабанной мельнице с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

При вращении барабана мельницы мелющие тела поднимаются по концентрическим круговым траекториям на некоторую высоту, откуда в зависимости от скорости вращения барабана падают водопадом вниз по параболическим траекториям, измельчая материал, в основном, раздавливанием и истиранием. Возможен также смешанный каскадно-водопадный режим работы мельниц.

Возникающие при этом циклические ударно-истирающие нагрузки воспринимаются сферическими выступами 3, а затем передаются на шары 1 и далее на заполнитель в полости 4 из упруго-пористой резины 5. Энергия ударов с достаточно высоким коэффициентом поглощения гасится сначала шаром 1 за счет податливого узла крепления шаров 2, а затем на границе раздела сред (базового шара и упруго-пористой резины) за счет несогласованности акустических импедансов их материалов.

Таким образом рабочая поверхность - сферические выступы 3 и шар 1 защищаются от ускоренных износов.

По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция мелющего тела обеспечивает демпфирование ударных нагрузок и снижение внутренних напряжений в элементах конструкции, что снижает износы рабочей поверхности мелющего тела и повышает износостойкость всей конструкции.

При использовании предлагаемого технического решения, при прочих равных условиях (например, сохранении габаритных размеров мелющего тела), не происходит снижения уровня эффективности процесса измельчения, связанного с уменьшением массы мелющего тела.

Подтверждается это следующими соображениями.

Исследованиями динамики колебания центра тяжести внутримельничной загрузки установлено, что фрикционные колебания, возникающие внутри мельницы, соответствуют устойчивому или неустойчивому параметрическому резонансу.

С точки зрения технологии измельчения наиболее эффективным является устойчивый параметрический резонанс, который интенсифицирует фpикционные колебания внутримельничной загрузки и повышает эффективность процесса измельчения.

Фрикционные колебания внутримельничной загрузки при прочих равных условиях (физико-механические свойства перерабатываемого материала, конструкция мельницы, степень ее загрузки, обороты и другие) зависят и от конструкции мелющих тел. Конструкция мелющего тела, имеющего двойное демпфирование (податливое крепление рабочих поверхностей в базовом шаре и заполнение полости упруго-пористой резиной) способствует увеличению частоты фрикционных колебаний как при каскадном, так и при водопадном режимах работы мельницы. Так, при движении мелющего тела по параболической траектории в точке падения его на круговую траекторию будет максимально гаситься энергия соударения за счет демпфирования сферических выступов. В результате этого процесса частота фрикционных колебаний будет увеличиваться.

Но в шаровых мельницах с ростом частоты колебаний эффективность процесса возрастает, что объясняется двойным влиянием увеличения частоты колебаний: это и увеличение ускорения и количества соударения мелющих тел в единицу времени. При этом интенсифицируются процессы трения внутримельничной загрузки, т.е. возрастают фрикционные износы (разрушение) материала, повышается эффективность процесса измельчения.

Таким образом снижение эффективности процесса измельчения, связанное с уменьшением массы мелющих тел, компенсируется за счет ее увеличения, связанного с увеличением фрикционных колебаний мельничной загрузки.

Изобретение относится к технике измельчения минерального сырья, а именно к мелющим телам для барабанных мельниц, и может быть использовано в горнорудной, цементной и других отраслях промышленности при переработке полезных ископаемых. Цель изобретения - снижение износов путем конструкционного демпфирования. Сущность изобретения: мелющее тело, содержащее базовый шар, выполненный с плоскими симметричными поверхностями, образованными отсечением от него по трем осям координат равновеликих сегментов, и имеющий на плоских поверхностях сферические выступы, не превышающие высоту шарового сегмента, базовый шар выполнен из эластичного материала с внутренней полостью, равной 1/4 - 1/3 его диаметра, а сферические выступы образованы частью дополнительных шаров, выполненных из износостойкого материала, уплотненных и закрепленных в базовом шаре, при этом внутренняя полость последнего заполнена упруго-пористым материалом, а основания выступов не сопряжены между собой. Базовый шар выполнен из термоэластопласта, дополнительные шары - из белого легированного чугуна, а в качестве упруго-пористого материала использована упруго-пористая резина. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. МЕЛЮЩЕЕ ТЕЛО, содержащее базовый шар, выполненный с плоскими симметричными поверхностями, образованными отсечением от него по трем осям координат равновеликих сегментов, и имеющий на плоских поверхностях сферические выступы, не превышающие высоту шарового сегмента, отличающееся тем, что, с целью снижения износа путем конструкционного демпфирования, базовый шар выполнен из эластичного материала с внутренней полостью, равной 1/4 - 1/3 его диаметра, а сферические выступы образованы частью дополнительных шаров, выполненных из износостойкого материала, утопленных и закрепленных в базовом шаре, при этом внутренняя полость последнего заполнена упруго-пористым материалом, а основания выступов не сопряжены между собой. 2. Тело по п.1, отличающееся тем, что базовый шар выполнен из термоэластопласта, дополнительные шары - из белого легированного чугуна, а в качестве упруго-пористого материала использована упруго-пористая резина.