МОЛОТКОВЫЙ РОТОР ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2008 года по МПК B02C13/04 A01F29/00 

Изобретение относится преимущественно к области сельского хозяйства и может быть использовано при механизации трудоемких процессов на животноводческих фермах и комплексах для измельчения стебельчатых материалов (сено, солома) с целью использования их в качестве корма или подстилки для сельскохозяйственных животных, при переработке и утилизации отходов производства, для получения мульчирующих материалов в растениеводстве, а также в других областях хозяйственной деятельности, например для измельчения стеблей и корней лекарственных растений в медицине и ветеринарии, для измельчения строительных материалов и т.п.

В технике известны роторы для измельчения материалов различного назначения, выполненные в виде приводного диска с жестко закрепленными по окружности вращения измельчающими элементами ножевого или молоткового типа (см., например, ротор измельчителя по авторскому свидетельству на изобретение BG №39472 МПК А01F 29/00, 1986 г).

Недостатком таких устройств является возможность заклинивания ротора в корпусе дробилки при перегрузках из-за жесткой связи измельчающих элементов с приводным диском, а также возможность поломки зафиксированных на диске измельчающих элементов при столкновении с инородным телом в материале.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому объекту является молотковый ротор измельчителя, включающий приводной диск, по периферии которого перпендикулярно к его плоскости равномерно по окружности вращения расположены оси, на которых с возможностью поворота относительно диска установлены шарнирные молотки (см., например, ротор молотковой дробилки кормов по авторскому свидетельству на изобретение СССР №1388090 МПК В02С 13/288, БИ №14, 1988 г. - прототип).

В известном устройстве при радиальном исходном расположении молотков на осях вращающегося ротора центр масс молотка располагается на радиусе диска, проходящем через ось поворота молотка. При таком шарнирном соединении с осями диска молотки в исходном радиальном положении не способны создать механическое противодействие ударной нагрузке со стороны материала, поскольку при шарнирном закреплении молотка это противодействие возможно только в результате поворота молотка в сторону действия нагрузки с соответствующим смещением центра масс молотка относительно исходного радиуса вращения, при котором у молотка под действием инерции вращения возникает крутящий момент, противодействующий моменту силы удара материала о молоток.

У известного устройства в промежутках между соударениями с материалом молотки под действием инерции вращения стремятся вернуться в исходное радиальное положение, при этом при вращении диска в результате ускорения наклонного молотка в направлении вращения диска ненагруженный молоток проходит исходное радиальное положение и смещается относительно него в сторону вращения диска с переносом центра масс молотка в ту же сторону, после чего под действием инерции вращения молоток затормаживается и начинает перемещаться относительно диска в противоположную сторону. Такое выполнение кинематической связи молотка с диском в известном устройстве приводит к возникновению раскачивания молотков в плоскости вращения относительно оси подвеса молотка со смещением молотка по окружности диска то в одну, то в другую сторону относительно исходного радиального положения и как следствие - к разбалансировке ротора с возникновением вибрации при его вращении.

При случайным образом соударении молотка с материалом возможно технологическое воздействие на молоток в сторону увеличения его углового отклонения при совпадении частоты внешнего воздействия с частотой колебаний молотков, что приводит к потере работоспособности ротора из-за складывания молотков под действием тангенциальной рабочей нагрузки на молотки.

Хаотичное раскачивание на осях молотков в режиме разбалансировки ротора вызывает при работе с материалом колебания радиальной нагрузки на ось ротора с возникновением вибрации, разрушающей привод ротора.

Шарнирная подвеска молотка на оси не обеспечивает возможность передачи достаточного по силе ударного воздействия молотка на материал и использования для этого кинетической энергии всего ротора, что требует увеличение инерционной массы молотков и их кинетической энергии, а значит, приводит соответственно к увеличению материалоемкости ротора и повышению энергоемкости выполняемого им рабочего процесса, поскольку возврат в исходное положение более массивных молотков требует дополнительных затрат энергии привода ротора.

Задачей настоящего изобретения является повышение ударного воздействия молотков на материал с использованием кинетической энергии всего ротора за счет создания предварительной нагрузки на молоток в направлении его вращения с удерживанием молотка в радиальном рабочем положении, а также исключение возможности раскачивания молотков на осях с разбалансировкой ротора и возникновением вибрации при его работе за счет смещения центра масс молотка относительно радиуса диска, проходящего через ось поворота молотка, с блокировкой возможности перемещения центра масс молотка к указанному радиусу диска.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что у молоткового ротора измельчителя материалов, включающего приводной диск, по периферии которого перпендикулярно к его плоскости равномерно по окружности вращения расположены оси, на которых с возможностью поворота относительно диска шарнирно закреплены молотки, у каждого молотка в рабочем положении центр его масс смещен по окружности вращения относительно радиуса диска, проходящего через ось поворота молотка, в направлении, противоположном направлению рабочего вращения ротора, а диск снабжен упорами, взаимодействующими с молотками в их рабочем положении с блокировкой перемещения центра масс молотка к указанному радиусу.

Смещение центра масс молотка Δ определено из условия

где N - мощность ротора при рабочей нагрузке;

m - масса молотка 3;

n - количество рабочих молотков;

ω - угловая скорость ротора;

R - радиус окружности вращения оси поворота 2 молотка 3;

l - вылет молотка 3 относительно его оси поворота 2.

У ротора также центр масс молотка 3 расположен у свободного конца молотка.

Фиксированное смещение в рабочем положении молотка его центра масс по окружности вращения относительно радиуса диска, проходящего через ось поворота молотка, в направлении, противоположном направлению рабочего вращения ротора, обеспечивает возможность создания у шарнирного молотка предварительной нагрузки, направленной в сторону вращения ротора, что при зафиксированном исходном радиальном положении молотка создает противодействие молотка действию на него внешней нагрузки от разрушаемого при ударе материала, направленной противоположно вращению ротора, и в соответствии со вторым законом Ньютона является необходимым условием для возможности нанесения молотком разрушающего воздействия на материал при их встречном ударе.

Установка на диске упоров, воздействующих на молотки в их рабочем положении с блокировкой перемещения центра масс молотка к указанному радиусу, реализует возможность создания у шарнирного молотка предварительной инерционной нагрузки, направленной в сторону вращения ротора, т.к. блокировка упором приближения центра масс молотка к указанному радиусу диска за счет фиксации исходного положения молотка со смещенным центром масс препятствует уменьшению инерционной нагрузки на молоток и сохраняет этим его ударную способность. Кроме того, такое взаимодействие упора с шарнирным молотком не препятствует возможности поворота молотка на своей оси с отклонением молотка в сторону, противоположную вращению ротора, что при соударении шарнирного молотка с массивным инородным телом предохраняет молоток (ротор) от разрушения.

Выполнение указанного смещения центра масс молотка Δ в соответствии с условием

в пределах действующей внешней нагрузки на молотки исключает возможность раскачивания молотков на своих осях, обеспечивая при этом возможность использования инертной массы и кинетической энергии всего ротора при передаче ударного воздействия молотков на материал, чем достигается передача необходимого ударного воздействия на материал при меньшей массе молотков и в целом всего ротора. При выполнении указанного условия смещения центра масс молотка исключается возможность разбалансировки ротора из-за раскачивания молотков на осях при разрушении материала в условиях тангенциальной нагрузки.

Расположение центра масс молотка у его свободного конца по сравнению с другими возможными положениями центра масс обеспечивает в соответствии с полученным условием при постоянной массе молотка максимальную инерционную нагрузку на молоток и максимальное противодействие молотка действию внешней нагрузки со стороны разрушаемого материала, что повышает эффективность работы шарнирных молотков при ударном разрушении измельчаемого материала. Кроме того, в этом случае требуемая инерционная нагрузка на молоток достигается при использовании молотка с меньшей массой, что снижает материалоемкость ротора.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами, где представлены:

на фиг.1 - общий вид ротора при рабочем положении молотков (первый пример исполнения);

на фиг.2 - то же (второй пример исполнения);

на фиг.3 - положение молотка при столкновении с инородным телом (первый пример исполнения);

на фиг.4 - положение молотка при столкновении с инородным телом (второй пример исполнения);

на фиг.5 - схема для обоснования условия, определяющего величину смещения центра масс молотка ротора.

Ротор измельчителя материалов содержит по крайней мере один приводной диск 1, по периферии которого равномерно по окружности вращения перпендикулярно к плоскости диска установлены оси 2, на каждой из которых шарнирно закреплен один или несколько молотков 3, установленных с возможностью поворота на оси 2 относительно диска 1 в плоскости своего вращения.

В рабочем положении молотки 3 расположены относительно диска 1 радиально и в этом положении опираются на упоры 4, закрепленные на диске 1, при этом у молотка 3 центр его масс (т.С) смещен по окружности вращения относительно радиуса диска 1, проходящего через ось поворота 2 молотка 3, в сторону, противоположную направлению рабочего вращения ротора.

Упор 4 взаимодействует с передней или нижней гранью молотка 3 с возможностью блокировки перемещения центра масс 5 молотка 3 в сторону указанного радиуса и соответственно поворота молотка 3 на своей оси 2 в сторону рабочего вращения ротора при сохранении возможности поворота молотка 3 на оси 2 в противоположную сторону.

Величина смещения Δ центра масс молотка 3 выбрана из условия

при котором молоток 3 нагружается инерционной нагрузкой в тангенциальном направлении, превышающей возможную рабочую нагрузку на молоток 3, где N - мощность ротора при рабочей нагрузке;

m - масса молотка 3;

n - количество рабочих молотков 3;

ω - угловая скорость ротора;

R - радиус окружности вращения оси поворота 2 молотка 3;

l - вылет молотка 3 относительно его оси поворота 2.

В первом примере исполнения ротора (фиг.1) центр масс молотка 3 (т.С) смещен относительно радиуса диска 1, проходящего через ось 2 молотка 3, за счет несимметричного в плане расположения на плоскости молотка 3 отверстия под ось 2 со смещением отверстия молотка 3 к передней его грани в сторону рабочего вращения ротора (диска 1) относительно продольной оси симметрии молотка 3. В этом примере исполнения ротора упор 4 взаимодействует с передней гранью молотка 3 в зоне, расположенной над осью 2.

Во втором примере исполнения ротора (фиг.2) центр масс молотка 3 (т.С) смещен по окружности вращения относительно радиуса диска 1, проходящего через ось 2 молотка 3, за счет, например, закрепления на заднем участке молотка дополнительной массы 5 или за счет соответствующего увеличения толщины заднего участка молотка 3.

В этом примере исполнения ротора упор 4 взаимодействует с передней частью нижней грани молотка 3 в зоне, расположенной под осью 2. В наименее материалоемком варианте исполнения ротора центр масс молотка 3 (т.С) расположен у свободного конца молотка 3.

Условие, определяющее величину Δ смещения центра масс 5 молотка 3, получено из следующих соображений на основании фиг.5.

При вращении ротора с исходным радиальным расположением молотка 3 в относительной системе координат, связанной с вращающимся диском 1, на зафиксированный относительно диска 1 упором 4 молоток 3 действует центробежная сила F_Ц, проходящая через центр масс молотка (т.С) и на плече х=O₁O₂ создающая момент M_х=F_Ц·x, прижимающий молоток 3 к упору 4 в направлении вращения диска 1. При соударении молотка 3 с измельчаемым материалом на молоток действует внешняя нагрузка - момент M_F, равный произведению силы удара F, приложенной к концу молотка 3, на длину вылета l=АО₁ молотка 3 относительно его оси поворота 2, т.е. M_F=F·l.

При работе ротора на измельчение материала расходуется энергия, при этом ротором потребляется мощность N, равная, как известно из школьного курса физики,

где M_ω - момент внешней силы F, действующей на молоток при его соударении с материалом, относительно оси вращения ротора;

ω - угловая скорость ротора.

Но поскольку

где R - радиус окружности вращения оси 2 вместе с диском 1;

n - число рабочих молотков, взаимодействующих с материалом при измельчении, то из (2) с учетом (1) следует, что

В относительной системе координат, связанной с вращающимся диском 1, отклонение молотка 3 от исходного радиального положения под действием внешней нагрузки (силы F) исключается, если M_х≥M_F, т.е.

Но т.к. F_ц=mω²R_c, где R_C - радиус окружности вращения центра масс молотка (т.С), то на основании (3) условие (4) принимает вид

Из подобия треугольников OCC₁ и OO₁O₂ следует, что при СС₁=Δ

откуда

Подставляя (6) в (5), получим

Откуда следует, что

В предельном случае размещения центра масс молотка в крайней точке его рабочего положения параметр Δ достигает своего максимального значения, т.е. требуемая инерционная нагрузка на молоток достигается при использовании молотка с меньшей массой. Следовательно, при расположении центра масс молотка у его свободного конца при неизменной массе молотка обеспечивается максимальная инерционная нагрузка на молоток, достигается его максимальное противодействие действию внешней нагрузки и соответственно максимальное ударное воздействие молотка на измельчаемый материал.

Работа молоткового ротора осуществляется следующим образом.

Диск 1 приводится во вращение (по часовой стрелке, как показано на фиг.1...5), при этом шарнирные молотки 3 на осях 2 за счет инерции вращения устанавливаются в радиальное положение со смещением центра масс (т.С) у молотка 3 относительно радиуса диска 1, проходящего через ось 2, в сторону, противоположную направлению вращения ротора, и опираются на упоры 4, удерживающие молотки в радиальном положении и блокирующие при поворотах молотка 3 возможность перемещения его центра масс к указанному радиусу с сохранением возможности перемещения центра масс молотка при его повороте в сторону, противоположную направлению рабочего вращения ротора.

При вращении в исходном радиальном положении молотки 3 под действием инерции вращения прижимаются к упорам 4 в направлении вращения ротора, что при смещенном центре масс молотка 3 относительно радиуса диска, проходящего через ось 2, приводит к возникновению предварительной инерционной нагрузки на молоток 3 в тангенциальном направлении в сторону вращения ротора.

При подаче в активную зону ротора исходного материала (стебли) осуществляется ударное разрушение материала при столкновении с молотками 3 ротора с использованием кинетической энергии всего ротора при отсутствии отклонения молотка 3 от радиального положения благодаря предварительному прижатию молотка 3 к упору 4 в тангенциальном направлении за счет инерции вращения молотка 3 со смещенным на величину Δ центром масс.

В случае столкновения с массивным инородным телом в измельчаемом материале (камни, металл и т.п.), когда ударная нагрузка на порядок и более превышает рабочую нагрузку, шарнирный молоток 3 отклоняется от своего рабочего положения в противоположную вращению ротора сторону (фиг.3, 4) с последующим возвратом в рабочее радиальное положение с опорой молотка 3 на упор 4 под действием инерции вращения молотка 3 и переходом кинетической энергии собственного вращения молотка 3 после выхода из-под удара с телом в энергию вращения всего ротора, что исключает возможность раскачивания молотков на своих осях.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение ударного воздействия молотков на материал с использованием кинетической энергии всего ротора за счет создания предварительной инерционной нагрузки на радиально установленный молоток в тангенциальном направлении в условиях, препятствующих отклонению молотка от рабочего радиального положения и возникновению при этом колебаний шарнирных молотков относительно точки подвеса под действием рабочей нагрузки, что исключает разбалансировку ротора и вибрацию при его работе.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано при механизации трудоемких процессов на животноводческих фермах и комплексах для измельчения стебельчатых материалов (сено, солома). Молотковый ротор содержит приводной диск, по периферии которого перпендикулярно к его плоскости равномерно по окружности вращения расположены оси, на которых с возможностью поворота относительно диска шарнирно закреплены молотки. У каждого молотка в рабочем положении центр его масс смещен по окружности диска относительно радиуса диска, проходящего через ось молотка, в направлении, противоположном направлению рабочего вращения ротора, и расположен у свободного конца молотка, а диск снабжен упорами, взаимодействующими с молотками в их рабочем положении с блокировкой перемещения центра масс молотка к указанному радиусу. Смещение центра масс определяется из математического выражения. Техническим результатом является снижение материалоемкости и энергоемкости ротора, а также повышение устойчивости вращения ротора. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Молотковый ротор измельчителя материалов, включающий приводной диск, по периферии которого перпендикулярно к его плоскости равномерно по окружности диска расположены оси, на которых с возможностью поворота относительно диска шарнирно закреплены молотки, отличающийся тем, что у каждого молотка в рабочем положении его центр масс смещен по окружности вращения относительно радиуса диска, проходящего через ось поворота молотка, в направлении, противоположном направлению рабочего вращения ротора, а диск снабжен упорами, взаимодействующими с молотками в их рабочем положении с блокировкой перемещения центра масс молотка к указанному радиусу.2. Молотковый ротор по п.1, отличающийся тем, что смещение центра масс молотка Δ определено из условия

где N - мощность ротора при рабочей нагрузке;

m - масса молотка;

n - количество рабочих молотков;

ω - угловая скорость ротора;

R - радиус вращения оси поворота молотка;

l - вылет молотка относительно его оси поворота.