Виды молотков

К рабочим органам, изменяющим качественное состояние перерабатываемого материала, относятся молотки, решета и деки. Известно, что степень размола материала значительно снижается при износе рабочих граней молотков. Из литературных данных [45, 46], минимальный ресурс имеют молотки. Поэтому повышение ресурса молотка на данный момент остается актуальной задачей.

Виды молотков

Анализ работ, посвященных исследованиям молотковых дробилок, показал, что вопросам взаимодействия молотка и зерна не уделялась достаточного внимания [24]. Поэтому проектирование молотков даже в настоящее время ведется эмпирически, отсюда большое разнообразие их форм и размеров (табл. 1.1). Это разнообразие объясняется необходимостью иметь острые грани для интенсивности разрушения кормов. Наиболее широкое распространение получили пластинчатые молотки прямоугольной формы. У таких молотков используется четыре рабочие грани. Решающим фактором для обоснования той или иной формы молотка является простота и экономичность изготовления, а также критерий качества готовой продукции.

Конструктивные параметры изготовляемых молотков, как правило, близки к оптимальным, что еще более снижает резерв повышения эффективности работы дробилок за счет изменения конструкции их рабочих органов. В связи с этим встает вопрос о создании модели взаимодействия молотка с зерном, которая учитывала бы геометрические параметры молотков, свойства кормов и позволяла прогнозировать ресурс молотков.

Наиболее распространены пластинчатые молотки с двумя отверстиями - как прямоугольные, так и с вырезами, что позволяет осуществлять четырехразовую перестановку при износе одной из рабочих сторон [47, 14].

1.1 Обзор конструкций пластинчатых молотков кормодробилок

Необходимое условие «безударной» работы молотков

Наиболее сильные удары происходят при встрече частиц с концами молотков, когда последние занимают наивысшие положения. Эти удары при неудачной конструкции молотков передаются на всю дробилку и быстро выводят ее из строя.

Для снижения ударных воздействий ударная реакция молотков должна быть уравновешена на силу удара. Это достигается при условии отсутствия или незначительной ударной реакции в осях подвеса молотков.

Молотки кормоизмельчающих аппаратов можно рассматривать как физические маятники с двумя степенями свободы, совершающих сложное движение переносное, вращательное и колебательное вокруг общей оси барабана и относительное колебание относительно своих осей подвеса. В результате периодических ударов об измельчающий материал молотки отклоняются от своих радиально-равновесных состояний, а затем под действием центробежных сил снова стремятся к ним. Так совершается их колебание относительно своих осей в поле центробежных сил. Центр качания каждого из этих молотков, как и центр качания обычного физического маятника в гравитационном поле, представляет собой точку, в которой сосредоточена масса математического маятника с таким же, как у молотка, периодом колебаний [8]. Положение центра качания (точки К. на рис.1.5) зависит от формы, размеров молотка, от расстояния центра масс (точки М.) его до оси подвеса (точки О). У физического маятника расстояние от оси подвеса до центра качания - называется приведенной длиной, Iк, из механики, [48] определяется по формуле

(1.1)

где i - момент инерции маятника относительно оси подвеса;

m - масса маятника;

р - радиус инерции маятника;

с - расстояние центра масс маятника до оси подвеса (всегда с Iк).

При встрече быстро вращающегося молотка с порцией измельчаемого материала реакция Sу этого материала на молоток имеет характер мгновенной силы - удара. Точку приложения, равнодействующей этой реакции, называют центром удара (точку “у” на рис. 1.5).

Рис. 1.5 Схема взаимодействия молотка с зерном

При заданных размерах молотка центр качения занимает вполне определенное положение на молотке. В то же время в связи с неоднородностью и дискретностью измельчаемой массы, а так же непостоянством производительности дробилки, центр удара не сохраняет свое положение.

Если считать, что центр удара расположен на торце молотка (то есть Iк = 0) и обозначить расстояние от оси 0 подвеса до торца через I, то получим известную зависимость

. (1.2)

Эта зависимость была сформулирована М.М. Гернетом [49] как теорема, по которой следует определять требуемое положение центра массы «уравновешенных на удар” молотков, и затем была принята для расчета размеров молотков С.В. Мельниковым [50], В.С. Пановой [51] и другими.

Проводить расчет в предположении, что центр удара и центр качения совпадают и располагаются на середине рабочего торца молотка, рационально в тех случаях, когда высота n порций материала, на которую воздействует передняя рабочая грань молотка, столь незначительна, что ею можно пренебречь. Это в какой-то мере допустимо при измельчении концентрированных мелкозернистых кормов, но не допустимо при измельчении стебельных и особенно крупностебельных кормовых корнеклубнеплодов.

Доказательством того, что центр удара очень часто располагается не у торца молотков, а на некотором расстоянии от него, может служить наличие довольно длинной зоны износа на передней грани молотков.

Поэтому в «Справочнике конструктора сельскохозяйственных машин» [52] дана рекомендация, считать центр удара расположенным на передней и в точке, удаленной на расстоянии 7,5-10 мм от торца.

Однако в «Справочнике» [53], как и в работах В.С. Мельникова; С.В.

Харламова [54,55] приведены одни и те же формулы для расчета расстояния оси подвеса до центра тяжести (центра масс) молотков для пластинчатых молотков с двумя отверстиями диаметром и (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Схема для расчета расстояния центра масс маятника до оси подвеса

. (1.3)

для тех же молотков с одним отверстием

. (1.4)

. (1.5)

, (1.6)

где а и b - длина и ширина молотка.

Эти формулы выведены из допущения, что центр удара и центр качания совпадают, что не согласуется с приведенной выше рекомендацией справочника. В работе Ф.Е. Ялпачика [8] приводятся уточненные формулы для расчета

. (1.7)

для пластинчатого молотка с одним отверстием

. (1.8)

Как видно из рис.1.6 диаметр барабана при наличии размера Iтк

, (1.9)

где Rп - радиус окружности центров поперечных сечений осей молотков.

Для обеспечения устойчивого движения молотков, как известно [56], необходимо сохранять между Rп и Iк одно из следующих соотношений

. (1.10)

или (для больших размеров Дб)

. (1.11)

Длину а и ширину b молотка, уравновешенного на удар, рассчитывают по формулам

. (1.12)

. (1.13)

Число молотков на барабане определяется по формуле

, (1.14)

где b - длина барабана, м;

Дб - суммарная толщина дисков не перекрываемая молотками, м;

К_z - число молотков, идущих по одному следу;

- толщина молотка, м.

Число молотков должно удовлетворять следующим требованиям:

1) Молотковое поле должно быть полностью перекрыто молотками по ширине дробильной камеры;

2) Порядок размещения молотков не должен нарушать условий статической и динамической уравновешенности молотков. Данное обстоятельство ограничивает число возможных вариантов схем разверток.

Число молотков должно быть кратно количеству пальцев молотков z₁.

Отношение z/z₁ должно быть целое, четное число.

Молотки не должны ни разбрасывать к боковинам камеры, ни собирать к середине продукты подлежащие дроблению [57].

Все приведенные выше расчеты направлены на обеспечение безударной работы молотка. На наш взгляд, необходимо учитывать минимальную ширину рабочей грани молотка, которая позволяет обеспечивать безопасную и ‘безударную” работу дробилки. Данные по этому вопросу противоречивы. Необходимо произвести расчет минимальной ширины рабочей грани молотка для обеспечения эффективной эксплуатации дробилок.

1.5 Процесс дробления и износа молотков в исследованиях других авторов

Как и во всех отраслях, имеющих дело с обработкой или переработкой, проблема измельчения распадается на две различные части: физику процесса дробления и механику дробильных машин.

Одна из первых попыток обоснования работы молотка как рабочего органа молотковой дробилки, сделана в работе И.В. Макарова (1936 г.) [58], в которой он рассматривает уравнение движения молотка и приходит к выводу, что последний может отклоняться от радиального положения.

Из теоретических работ о процессе дробления необходимо отметить труды: В.П. Горячкина, М.Б. Фабриканта, П.Ф. Сушкова и др. [59].

А.А. Зеленев в своей работе [60] определяет влияние износа молотков на эффективность работы дробилок. Он установил, что:

1. Лучшими по форме при дроблении зерна являются пластинчатые молотки с радиально расположенными гранями;

2. Молотки, имеющие прямоугольную форму, работают немного хуже, чем молотки с радиальными гранями;

3. Толщина молотков для измельчения зерна должна быть 1,5-2 мм.

По мнению автора, уменьшение толщины молотков от 12 до 2 мм снижает удельный расход энергии на 25%. Однако А.А. Зеленев не определял величину износа молотков, а только его влияние на удельный расход энергии.

Определением износа жестко закрепленных молотков занимался и П.М. Лузии [61]. Он вывел зависимость удельного износа молотков от времени. В результате проведенных исследований он пришел к выводу, что удельный износ молотков зависит от измельчаемого материала, но не зависит от производительности.

На наш взгляд, при определении износа необходимо учитывать не только производительность, но и свойства материала, из которого изготовлен молоток.

Исследованиями рабочего процесса молотковой дробилки занимался В.В. Степанов [62]. В результате проведенных опытов он пришел к выводу, что процесс дробления зависит от большого количества факторов, основными из которых являются:

1) Форма, масса, окружная скорость и ширина молотков;

2) Наличие дек, их форма и размеры;

3) Наличие решет, диаметр их отверстий;

4) Механические свойства дробимого материала, крупность кусков,

прочность и др.;

5) Способ и место подачи материала в дробильную камеру;

6) Характер и скорость воздушного потока в зоне загрузки и др.

Вопросами износа молотков занималась А.А. Золотова [63]. Однако она не изучала процесс износа, а лишь констатировала факт износа и его влияние на неуравновешенность ротора. Она предлагает упрочнить рабочую кромку, но не указывает при этом, до какой твердости проводить упрочнение и на какой длине. В своей работе А.А. Золотова, приводит зависимость износа от времени:

t = , (1.15)

где g - износ молотков, мм;

t - время работы молотков, час;

а, b постоянные полученные в результате обработки опытных данных.

На наш взгляд, нельзя рассматривать зависимость износа только от времени, не учитывая физико-механические свойства перерабатываемого материала, окружную скорость и др.

Не понятно, что за время подразумевает автор? Если время работы, то тогда почему не учитывается время работы на холостом ходу. Может быть, подразумевается зависимость износа от наработки, а под постоянными а, b имеется ввиду свойства материала?

Вопросами износостойкости молотков кормодробилок занимался П.В. Андреев [64] Он предложил методику замера интенсивности нарастания износа рабочих граней. Для исследования характера кривой предельного износа молотков П.В. Андреев, проводил замеры нескольких комплектов изношенных молотков. По средним значениям радиус-векторов строились кривые износа рабочей грани, описываемые следующей эмпирической формулой.

J = 3,2 – (0,3 х + 0,01 х ). (1.16)

По нашему мнению, эта методика не совсем удобна, так как необходимо для каждого молотка проводить замеры радиус векторов, а это очень трудоемкий процесс. Здесь же автор предлагает проводить упрочнение рабочей грани, однако он не приводит механизма упрочнения.

Закономерностям процесса измельчения посвятил свою работу В.И. Сыроватка [65]. В ней он детально рассмотрел процесс измельчения зерна в дробильной камере. В.И. Сыроватка предложил алгоритм с вычислением скорости движения частицы перерабатываемого материала по поверхности молотка и путь, который проходит данная частица. При испытании учитывались культура и масса перерабатываемого продукта, время работы кормодробилки и номер решета. Им определена и скорость молотка, необходимая для разрушения материала. В результате расчетов автор сделал предположение «... что в результате соударения частиц различных размеров, меньшие частицы всегда имеют большие скорости, а, следовательно, эффективнее разрушаются, кроме того, при соударении различных частиц между ними возникают одинаковые силы взаимодействия, которые вызывают напряжения и являются причиной разрушения». Однако автор при проведении своих экспериментов не учитывал фактор износа молотков и его влияния на все показатели рабочего процесса. Кроме того, им сделан ряд допущений: при ударе имеет место прямой удар (без дальнейшего скольжения); молоток при ударе не отклоняется. На наш взгляд, эти допущения необоснованны, так как удар по зерну состоит из двух фаз и их надо рассматривать вместе, а то, что молоток отклоняется от радиального положения предположено в других работах [66].

Вопрос износа молотков затрагивает в своей работе В.И. Грицаенко. Он считает, что «... молоток является наиболее изнашиваемым рабочим органом дробилки. Степень износа зависит от физико-механических свойств измельчаемого материала, степени измельчений, конструкции молотка...». Однако он рассматривает, как и многие другие авторы, только влияние изношенных молотков на технологический процесс дробления.

В области повышения износостойкости молотков проводились исследования рядом ученых ВИСХОМА и ВНИИживмаш [67]. По их мнению, молотки кормодробилок работают в условиях высокоскоростного контакта с ингредиентами кормов и посторонними частицами. Взаимодействие заключается в ударе этих частиц о лобовую поверхность, а также по рабочей поверхности. Угол удара частиц о рабочую поверхность непрерывно изменяется с нарастанием износа молотков.

По мнению проф. А.Н. Гудкова, [68] при ударе молотка по твердым и хрупким зернам (кускам) перерабатываемого материала (продукта) происходит мгновенное развитие деформации сдвига с образованием перемещения частиц по плоскостям скольжения, характеризующаяся резким скачкообразным увеличением кинетической энергии частиц (материала) зерна, то есть в данном случае решающее значение принадлежит кинетической энергии частиц, а не взаимной между частицами потенциальной энергии, имеющее свое основное значение при упругих деформациях.

По нашему мнению наиболее полно процесс взаимодействия молотка с зерном, рассматривает М.М. Тененбаум, выделяя при этом два совокупных процесса:

1) усталостное разрушение в микрообъемах из-за многократного деформирования поверхностных слоев ударами зерен и частицами примесей;

2) крошение вследствие скольжения этих частиц по рабочим поверхностям.

Б.И. Костецкий [69] и ряд других авторов считают, что усталостное изнашивание имеет место при трении качения. Мы считаем, что этот вид изнашивания возникает и в некоторых других случаях, когда на поверхностный слой детали действуют циклическая нагрузка. Именно с таким случаем мы сталкиваемся, рассматривая молотки кормодробилок.

Наряду с этим, высказываются предположения: второй процесс является доминирующим и при усилении скольжения возможна интенсификация изнашивания [70].

Вместе с тем М.М. Тененбаум, указывает на то, что «упрочнение поверхностного слоя не приводит к качественному изменению процесса изнашивания, в результате упрочнения происходит лишь снижение скорости изнашивания. В связи с этим не следует упрочнение рассматривать в числе прочих факторов определяющих процесс изнашивания...» [52].

Однако авторы не приводят данных, на каком сырье проводились эксперименты, каков ресурс предложенных молотков и какой профиль молотка брался для сравнения.

Много работ посвятил исследованию дробильных машин С.В. Мельников [60,71]. Он занимался исследованиями технологического процесса, влияния вибрации на расход электроэнергии износа на качество дробления. По его мнению, «… важнейшими являются эксплуатационные требования, направленные на повышение долговечности работы органов машин и надежности их работы, которая определяется тем, насколько они обеспечивают получение качественных показателей продукта при номинальной производительности дробилки. Повышение надежности молотков достигается главным образом выбором материала для их изготовления, а также режимов термообработки или армированием рабочих кромок твердыми сплавами».

Ю.А. Власов рассматривая процесс износа молотков, [72] определяет износ последней ступени, ступенчатого молотка. Он предлагает зависимость износа, а от количества переработанного зерна Q в виде:

а = , (1.17)

где К и m - эмпирические коэффициенты.

Им предложены формулы для сравнительной износостойкости молотков, изготовленных из сталей марок 65Г и 20 с цементацией граней:

а =

а = . (1.18)

По нашему мнению, система уравнений (1.4) не полностью описывает процесс износа, так как не включают в себя физико-механические свойства перерабатываемого продукта. Эта система уравнений не является универсальной, так как сам автор указывает на применимость ее только к молоткам из стали 65Г и стали 20.

Д.К. Батырмухаммедов исследуя закономерности изнашивания молотков [73] предложил формулу для определения величины их износа:

W = f(W₁), (1.19)

где W - износ;

W₁ - скорость износа.

Однако Д.К. Батырмухаммедов не раскрывает, что он включает в функцию «износ». Для определения профиля и скорости износа им получены следующие закономерности [73].

у = [-(х/g) ]. (1.20)

W = - kW. (1.21)

На наш взгляд, формула (1.20) не совсем удобна в работе, так как является эмпирической и пригодна лишь для определенного типа молотков.

Формула (1.21) для определения износа также является эмпирической и коэффициенты и k определены только для одного типа перерабатываемого материала.

Вопросы развития процесса измельчения рассматривает в своей работе А.А. Сундеев. Он проанализировал влияние конструктивных параметров на процесс разрушения. Автор показывает, как за счет применения механических средств улучшить эффективность дробления и тем самым уменьшить износ рабочих органов [74]. Однако насколько уменьшается износ и увеличивается срок службы, А.А. Сундеев. в своей работе не показал.

Вопросы испытаний на износостойкость молотков кормодробилок рассматриваются и в работе В.И. Рублева [75]. Автор проводит исследования динамики изнашивания и приходит к выводу, что износ прямо пропорционален наработке:

J = , (1.22)

где - средний износ молотков;

Q - наработка кормодробилок;

N – количество испытуемых молотков.

Предложенная В.И. Рублевым методика проведения испытаний эффективна, но требует специального, сложного лабораторного оборудования.

В работе Р.С. Тируцуян, рассматриваются вопросы совершенствования рабочих органов молотковых измельчителей. Автор указывает на то, «… что по поводу рациональной формы молотков единых мнений нет” [76]. В процессе исследований автор проводит эксперимент с обычными молотка обтекаемой формы. Р.С. Тируцуян указывает на то, что ресурс экспериментальных молотков выше, однако испытания проводились на одном материале, а данных для работы с другим сырьем нет.

Вопросы износа молотков и его влияния на работу кормодробилок изложены в работах коллектива ученых под руководством Ф.Е. Ялпачика. Они рассматривают влияние износа молотков на передачу ударов осям подвеса [77], колебания модели молотка кормодробилки [78], определяют угол отклонения сегмента молоткового измельчающего аппарата [8].

В работе [78] говорится: «…износ молотка сопровождается изменением их приведенной длины, соответственно нарушение условий работы молотков без передачи ударных импульсов их осям. Следовательно, необходимо заранее знать, сколько материала должен переработать молоток, чтобы не нарушилось условие работы без удара. В работах [79], [80] авторы, как и В.Р. Алешкин, но более детально, опираясь на работу [81] А.Г. Филипповой исследовали влияние угла отклонения молотка от продольной оси на условие безударной работы.

Таким образом, вопрос взаимодействия молотков с продуктами измельчения и условия работы молотка изучены все еще не полностью. Некоторые результаты носят противоречивый характер. Прогнозированию ресурса молотков и его износа практически не уделялось внимания. Все это показывает на необходимость продолжения исследовательских работ в области прогнозирования повышения ресурса молотков и эффективности функционирования кормодробилок при работе на различном зерновом материале. Исходя из этого нами выдвинуто предположение о том, что в качестве оценки эффективности работы дробилки, может быть использовано прогнозирование ресурса рабочих органов.

Дата добавления: 2015-07-19