РАЗМАЛЫВАЮЩАЯ ГАРНИТУРА Российский патент 2023 года по МПК B02C7/12 D21D1/30 

Изобретение относится к размалывающим гарнитурам дисковых мельниц и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности на стадии размола водной массы с высокой концентрацией.

Известно устройство для измельчения материалов, включающее вращающийся и неподвижный диски, рабочие поверхности которых снабжены радиальными спиральными выступами, направленными при сопряжении в противоположные стороны [1. SU №967555, МПК В02С 7/08, заявл. 10.06.1981, БИ №39, опубл. 23.10.1982].

Недостатки данного решения заключаются в том, что:

- спиральная форма выступов создает технические сложности при производственном выполнении рисунка ножевых выступов;

- при радиальной форме рабочей кромки спирального выступа, ее линия проходит через центр диска, касательная из которого совпадает с радиусом диска, за счет чего сила тяги и углы наклона касательных к радиусам произвольных окружностей, проведенных через точки рабочей кромки в кольцевой зоне размола сопряженных дисков, имеют низкие значения, что существенно снижает величины касательных составляющих окружных усилий и пропорционально увеличивает величины нормальных составляющих окружных скоростей и сил, развивающихся в этих точках;

- усиливается рубка волокнистого полуфабриката, повышаются удельные энергозатраты, потери в виде необратимых отходов, снижаются качество готового продукта и производительность.

Известен секатор, состоящий из режущих окружных ножей, центры кривизны рабочих кромок которых эксцентричны относительно совмещенных центров их вращения, выходной конец рабочей кромки режущего ножа касается периферийной окружности его вращения, а радиус кривизны рабочей кромки определяется из соотношения где а и b - координаты его центра кривизны [2. SU №1500202, МПК А01С 3/02, заявл. 29.05.1987, Бюл. №30, опубл. 15.08.1989].

По сравнению с решением [1] в решении [2] эксцентриситет центра кривизны рабочей кромки ножей относительно центра вращения создает предпосылки для увеличения значений углов наклона касательных к радиусам, проведенным из центра вращения в точки касания, лежащие в рабочей кольцевой зоне скрещивания рабочих кромок режущего и противорежущего окружных ножей.

Величины касательных составляющих окружных сил:

- также повышаются;

- возрастают в направлении от центра вращения к периферии ножей;

- превышают значения нормальных составляющих на большей части длины рабочей кромки режущего ножа;

- минимальны на входном конце кромки режущего ножа;

- максимальны на периферии рабочей кромки режущего ножа, при нулевом значении нормальной составляющей.

Величины нормальных составляющих пропорционально уменьшаются в направлении от центра вращения к периферии ножей.

Круговая форма рабочих кромок ножей позволяет упростить технологию их изготовления.

Недостатками решения [2] являются отсутствие возможности увеличения значений:

- углов наклона касательных составляющих окружных скоростей и сил к радиусам на ближайшей к входному концу части рабочей кромки (даже при том, что угол наклона касательной к радиусу диска в ее периферийной точке равен π), что ведет к увеличению процента рубки и резки древесноволокнистого материала, а также удельных энергозатрат;

- радиусов кривизны и длины рабочих кромок ножей;

- соотношения касательной и нормальной составляющих, не достигающего единицы на всей длине рабочей кромки, за счет чего превалирует рубящий эффект.

Наиболее близким по технической сущности решением является размалывающая гарнитура, включающая роторный и статорный диски, рабочие поверхности которых снабжены круговыми ножевыми выступами, центры кривизны рабочих кромок которых расположены эксцентрично и с одной стороны относительно совмещенного центра дисков [3. RU⁽¹¹⁾ №2307883⁽¹³⁾ С1, МПК⁽⁵¹⁾ D21D С 1/30, В02С 7/12 заявл. 03.04.2006, Бюл. №28, опубл. 10.10.2007].

Достоинствами решения [3] является то, что:

- круговая форма упрощает технологию производственного выполнения рисунка ножевых выступов;

- режущие кромки эксцентричны относительно центра диска;

- эксцентриситет рабочих кромок ножевых выступов статорного и роторного дисков относительно их центра позволяет увеличить значения углов наклона касательных рабочих кромок к радиусам, проведенным из центра в точки касания;

- значение эксцентриситета, от входа в полость размола до выхода из нее, увеличивается.

Недостатками решения [3] является то, что, при не обоснованно заданных значениях входных геометрических параметров и эксцентриситета, возможны невысокие значения нижеследующих выходных параметров:

- проходимости через полость размола;

- углов наклона касательных составляющих окружных скоростей и сил к радиусам, за счет чего процент рубки и резки волокнистого полуфабриката, а также удельные энергозатраты выше оптимальных значений;

- соотношений касательной и нормальной составляющих, фибриллирующего и рубящего эффектов, не достигающих оптимальных значений на большей части длины рабочей кромки;

- оптимальных соотношений касательных составляющих окружного усилия на выходе и на входе размалывающей полости, не достигающих 0,5.

Наиболее серьезным недостатком решения [3] является отсутствие алгоритма оптимального соотношения касательных составляющих на выходе, на входе размалывающей полости.

Представляется, что вывод такого алгоритма позволит осмысленно планировать и выбирать наиболее оптимальные значения эксцентриситетов и углов между касательными и радиусами, способствующие стабильному продвижению через полость размола и качественному размолу водной массы растительных материалов с высокой концентрацией.

В настоящее же время при размоле такой массы, указанные выше недостатки не позволяют создать приемлемые условия для успешного прохождения ее через размалывающую полость с одновременной фибрилляцией.

Изобретение решает задачи повышения значений:

- проходимости через полость размола;

- углов наклона касательных составляющих окружных скоростей и сил к радиусам, за счет чего процент рубки и резки волокнистого полуфабриката, а также удельные энергозатраты ниже оптимальных значений;

- соотношений касательной и нормальной составляющих, фибриллирующего и рубящего эффектов, не достигающих оптимальных значений на большей части длины рабочей кромки;

- соотношений касательных составляющих окружного усилия на выходе и на входе размалывающей полости до оптимальных.

Главной же задачей является вывод алгоритма оптимального соотношения касательных составляющих на выходе, на входе размалывающей полости.

Технический эффект заключается в:

- снижении удельных энергозатрат;

- снижении процента рубки и резки, в повышении фибрилляции размалываемого волокнистого материала;

- повышении качества размола массы с высокой концентрацией волокнистого полуфабриката;

- повышении производительности.

Для обеспечения указанного технического эффекта в размалывающей гарнитуре, включающей роторный и статорный диски, рабочие поверхности которых, обращенные одна к другой, образующие полость размола, снабжены круговыми ножевыми выступами, режущие кромки которых выполнены с эксцентриситетом относительно центра диска, а значение угла, образованного касательной в точке её пересечения с произвольной круговой линией зоны размола диска, и радиусом, проведенным из его центра в эту точку, равномерно возрастает от минимального - на входе, до максимального - на выходе зоны размола, отличающееся тем, что, соотношение касательных составляющих окружных усилий, - на выходной и - на входной кромках полости размола, определяется из алгоритма:

r - радиус входной круговой кромки диска;

R - радиус выходной круговой кромки диска;

- касательная составляющая окружной силы на входной кромке;

- касательная составляющая окружной силы на выходной кромке;

- угол, образованный касательной к круговой режущей кромке, в точке ее пересечения А с входной круговой кромкой диска, и её радиусом r;

- угол, образованный касательной к круговой режущей кромке, в точке ее пересечения В с выходной круговой кромкой диска, и её радиусом R.

Использование алгоритма позволит осмысленно задавать значения входных параметров диска гарнитуры и круговых ножевых выступов, при которых:

- значение угла β_x равномерно возрастает, от минимального на входе в зону размола, до максимального - на выходе из нее;

- на волокнистую массу высокой концентрации оказывается силовое воздействие, достаточное для ее продвижения по канавке к выходной круговой кромке диска;

- движущая сила на выходе достигает приемлемого соотношения с движущей силой на входе в полость размола;

- значение окружной силы на выходной окружной кромке превышает значение силы трения P_mp, т.е. ;

- значение выходного угла β^B превышает значение угла трения материала о стенки канавки и угла трения между волокнами.

На фиг. 1 изображен фрагмент фронтальной проекции кольцевой размалывающей поверхности диска ротора, включающий:

- входную круговую кромку 1;

- выходную круговую кромку 2;

- активную круговую стенку 3 кругового ножевого выступа.

Круговой стрелкой показано направление вращения диска ротора.

Площадь поверхности размола ограничена входной и выходной круговыми кромками 1, 2 и линиями обрыва.

Нижний край активной круговой стенки 3 пересекается с входной круговой кромкой 1 и ординатой Y в точке А.

Из точки А проведен вектор АЕ - эквивалент окружной силы Спроецируем эту силу на перпендикуляр AG к касательной t - t^A.

В образовавшемся силовом прямоугольном треугольнике AEG:

- AG является нормальной составляющей силы

- EG является касательной составляющей силы Верхний край активной круговой стенки 3 пересекается с выходной круговой кромкой 2 в точке В.

Из точки В проведен вектор BE' - эквивалент окружной силы, Спроецируем эту силу на перпендикуляр BG' к касательной t - t^B.

В образовавшемся силовом прямоугольном треугольнике BE'G':

- BG' является нормальной составляющей силы

- E'G' является касательной составляющей силы От входной круговой кромки 1 к выходной круговой кромке 2, значения:

- возрастают не пропорционально возрастанию r_x, а их соотношение не является величиной непостоянной;

- силы изменяется, от

Приняв это во внимание, а также то, что в точке В можно предположить, что значение действующей на волокнистую массу высокой концентрации, разности сил будут достаточными для продвижения этой массы к выходной круговой кромке 2 и выброса ее из зоны размола.

При этом следует понимать и учитывать, что такую же функцию выполняют и:

- нормальная составляющая окружной силы ;

- центробежная сила;

- круговая скорость и скорость выбрасывания массы, значение которых на активной круговой стенке 3 максимально.

Данное предположение подтверждено результатами аналитической проверки, показавших, что, при определенных значениях входных параметров диска гарнитуры и круговых ножевых выступов, соотношение касательных составляющих сил может достигать 81,2%.

Таким образом, на основании вышеизложенного, установлено, что:

- значение угла β_х может равномерно возрастать, от минимального на входе в зону размола, до максимального, на выходе;

- на волокнистую массу высокой концентрации возможно оказание силового воздействия, достаточного для ее продвижения по канавке по направлению к выходной круговой кромке диска ротора;

- даже при соблюдении условия, согласно которому значения окружной силы P_O и ее составляющих при движении, к выходной круговой кромке, уменьшаются, движущая сила Р_τ на выходе может достигать приемлемого соотношения с движущей силой на входе в размалывающую кольцевую полость;

- значение окружной силы на выходной окружной кромке должно превышать значение силы трения P_mp, т.е.

- значение выходного угла β^B должно превышать значение угла трения материала о стенки канавки и угла трения между волокнами.

Размалывающая гарнитура работает следующим образом.

Крутящий момент от привода передается валу и, посаженному на его ведущем конце, роторному диску.

Волокнистый полуфабрикат, в виде водной массы с высокой концентрацией, под давлением поступает через входную круговую кромку 1 статорного диска, в межножевую полость, где распределяется по межножевым канавкам и, за счет сил трения с поверхностями вращающегося роторного и неподвижного статорного дисков, закручивается и устремляется, под действием центробежной и тангенциальной силы, развиваемой активной круговой стенкой 3, в сторону выходной круговой кромки 2.

При вращении диска ротора (на фиг. 1 показано круговой стрелкой) действуют окружные силы раскладывающиеся на касательные составляющие и нормальные -

Из фиг. 1 видно, что, при движении вдоль активной круговой стенки 3 от входной круговой кромки 1 к выходной круговой кромке 2, наблюдается тенденция уменьшения, и доли ее относительно

Такой характер изменения связан с возрастанием в этом направлении угла β_х между касательной t - , активной круговой стенке 3, в точке А_х, и радиусом r_x, проведенным из центра О диска в эту точку.

Кроме того, для этого необходимо выполнение требования, заключающегося в том, что угол на выходе β_В должен быть больше угла β_А на входе.

Для криволинейных ножевых выступов, при определенных значениях входных параметров диска гарнитуры и круговых ножевых выступов (r, R, β_А и β_B), выполнение данного требования связано с решением задачи нахождения координат центра и величины радиуса кривизны, активной круговой стенке 3.

Кроме того, возрастание угла β_х в направлении от входной круговой кромки 1 к выходной круговой кромке 2 связано с увеличением значения угла β_А на входе.

Это также требует выполнения дополнительных условий:

- активная круговая стенка 3 должна быть выполнена с определенным значением ее эксцентриситета относительно центра О диска;

- в направлении к выходной круговой кромке 2 значение эксцентриситета должно увеличиваться.

В известном аналоге-прототипе [3] это требование не оговаривается.

По сравнению с известными решениями, использование заявляемого изобретения позволит осмысленно задавать значения входных параметров диска гарнитуры и круговых ножевых выступов, при которых:

- значение угла β_х равномерно возрастает, от минимального на входе в зону размола до максимального - на выходе из нее;

- на волокнистую массу высокой концентрации оказывается силовое воздействие, достаточное для ее продвижения по канавке к выходной круговой кромке диска;

- движущая сила на выходе достигает максимального значения соотношения ее с движущей силой на входе в полость размола;

- значение силы на выходной окружной кромке превышает значение силы трения P_mp, т.е.

- значение выходного угла β^B превышает значение угла трения материала о стенки канавки и угла трения между волокнами.

Эксцентриситет активной круговой стенки 3 ножевых выступов ротора и статора (фиг. 1), относительно центра вращения О, позволяет развить в точках их пересечения большие по величине касательные составляющие окружных скоростей и, как следствие этого, повысить скользящий фактор.

Поэтому на волокнистый полуфабрикат оказывается большее воздействие растягивающих усилий, что способствует его фибрилляции.

Повышение же скользящего фактора позволяет снизить удельный расход энергии.

Прошедший обработку волокнистый полуфабрикат направляется на следующую стадию технологического процесса.

По сравнению с известными решениями, предлагаемая размалывающая гарнитура позволит решить задачи снижения энергозатрат и повышения:

- проходимости через полость размола;

- качества размола водной массы с высокой концентрацией волокнистого полуфабриката;

- производительности;

- касательных составляющих окружных сил на выходе из полости размола;

- соотношений касательных составляющих окружных сил на выходе с касательными составляющими на входе.

Изобретение относится к размалывающим гарнитурам дисковых мельниц и может найти применение в размольно-подготовительных цехах предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. Размалывающая гарнитура содержит роторный и статорный диски, рабочие поверхности которых, обращенные одна к другой, снабжены круговыми ножевыми выступами, режущие кромки которых выполнены с эксцентриситетом относительно центра диска. При этом соотношение касательных составляющих окружных усилий на выходной кромке из полости размола и на входной кромке в полость размола определяется по формуле

где r - радиус входной круговой кромки диска, R - радиус выходной круговой кромки диска, - касательная составляющая окружной силы на выходной кромке, - касательная составляющая окружной силы на входной кромке, β^А - угол, образованный касательной к круговой режущей кромке, в точке ее пересечения А с входной круговой кромкой диска, и её радиусом r, β^В - угол, образованный касательной к круговой режущей кромке, в точке ее пересечения В с выходной круговой кромкой диска, и её радиусом R. Вышеуказанное соотношение касательных составляющих окружных усилий на выходной и входной кромках обеспечивает прохождение массы через размалывающую полость с одновременной фибрилляцией. 1 ил.

Размалывающая гарнитура, включающая роторный и статорный диски, рабочие поверхности которых, обращенные одна к другой, снабжены круговыми ножевыми выступами, режущие кромки которых выполнены с эксцентриситетом относительно центра диска, отличающаяся тем, что соотношение касательных составляющих окружных усилий, на выходной кромке из полости размола и на входной кромке в полость размола, определяется по формуле:

r - радиус входной круговой кромки диска;

R - радиус выходной круговой кромки диска;

- касательная составляющая окружной силы на выходной кромке;

- касательная составляющая окружной силы на входной кромке;

β^А - угол, образованный касательной к круговой режущей кромке, в точке ее пересечения А с входной круговой кромкой диска, и её радиусом r;

β^В - угол, образованный касательной к круговой режущей кромке, в точке ее пересечения В с выходной круговой кромкой диска, и её радиусом R.