Благодаря тому, что практически вся подводимая к дробилке энергия используется для сообщения кинетической энергии измельчаемому материалу, центробежно-ударные дробилки имеют большой КПД и высокий коэффициент измельчения. Принцип действия этого сравнительно нового оборудования состоит в следующем. Измельчаемый материал подается сверху в центральное входное отверстие так называемого ускорителя. Он представляет собой цилиндрическую полую конструкцию с радиальными перегородками, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Под действием возникающей в результате вращения ускорителя центробежной силы куски измельчаемого материала двигаются с ускорением от центра к периферии вдоль образуемых перегородками каналов. Материал вылетает из ускорителя в камеру измельчения с линейной скоростью, определяемой частотой вращения и диаметром ускорителя. При соударении кусков материала с неподвижными стенками происходит разрушение материала посредством ударной дезинтеграции. В процессе дробления участвует также процесс хаотичного столкновения кусков друг с другом внутри камеры. Дробление материалов в центробежно-ударных дробилках обладает рядом преимуществ по сравнению с другими способами измельчения: предпочтительное разрушение по естественным структурным границам внутри измельчаемых кусков, незначительные сдвиговые деформации внутри однородных фрагментов. Это делает центробежно-ударные дробилки особенно эффективными для получения высокопрочного щебня кубовидной формы, а при измельчении руд позволяет достигать раскрытия вкраплений полезных компонентов в 2-3 раза большей крупности, чем в любом другом измельчительном оборудовании.

При всей привлекательности центробежно-ударных дробилок до 80-х гг. ХХ века существовал ряд технических и материаловедческих ограничений, которые сдерживали широкое применение реализуемого в центробежно-ударных дробилках способа дробления. Проблема износа была в значительной степени решена после внедрения принципа самофутеровки (см. СиН №21 от 7 июня 2005 г.). При этом контакт измельчаемого материала непосредственно с металлом ускорителя происходил лишь в конце канала, на удерживающих самофутеровку лопатках, которые изготавливаются с включением вставок из твердого сплава и усиливаются периодической наплавкой специальными электродами. Что же касается проблемы обеспечения приемлемого ресурса подшипниковых узлов, то она по-прежнему не имеет удовлетворительного решения в рамках традиционных схем механического привода с фиксированной подшипниками осью. Это связано с тем, что узел, обеспечивающий вращение роторной части центробежно-ударной дробилки, должен, с одной стороны, выдерживать большие ударные нагрузки, возникающие при передаче импульса кусками материала в ускорителе, с другой — работать в условиях сильной массовой несбалансированности вращающейся системы, вызванной неравномерным залеганием футерующего материала в каналах ускорителя. Кроме того, данный узел должен выдерживать огромные перекашивающие усилия, связанные с воздействием на подшипниковые опоры гироскопических моментов, вызываемых действием внешних моментов на роторную часть дробилки. Нужно сказать, что чрезмерную несбалансированность ускорителя вызывает еще целый ряд негативных факторов, перечисление которых в рамках текста данного объема не представляется возможным.

Что означает стремление к соответствию перечисленным требованиям на практике? В первую очередь — осознание невозможности создания дробилки на традиционной подшипниковой опоре (с фиксированной осью вращения), обладающей одновременно большой производительностью, высокой скоростью вылета кусков и способностью перерабатывать материал большой исходной крупности. В подобных дробилках крупность кусков исходного материала ограничена 40 мм, диаметр ускорителя (ротора) не превышает 1 м, а максимальная частота вращения ротора составляет 1500 об/мин, ограничивая линейную скорость измельчаемого материала на выходе из ускорителя значениями 60-70 м/с для максимальных типоразмеров дробилок. При таких ограничениях область применения ударной дезинтеграции сводится, в основном, к получению кубовидного щебня, а измельчение руды до крупности ниже 5-10 мм становится неэффективным вследствие низкого коэффициента измельчения и высокой степени возврата на додрабливание. Поэтому центробежные дробилки на традиционных подшипниковых опорах пока не могут составить серьезную конкуренцию конусным дробилкам мелкого дробления, стержневым мельницам и мельницам полусамоизмельчения в существующих схемах рудоподготовки.

В 2001 г. ОАО «МНПО «Полиметалл» (российское межрегиональное научно-производственное объединение, специализирующееся на добыче благородных металлов) создало инновационную фирму ЗАО «Новые технологии». Основу ее коллектива составили специалисты Управления новых технологий МНПО «Полиметалл», а также сотрудники, работавшие в 80-е и 90-е годы в одном из учреждений бывшего Министерства среднего машиностроения СССР по программе создания дробилок нового поколения. Для преодоления ограничений, накладываемых на скорость вращения ускорителей в дробилках с традиционными подшипниковыми опорами, в ходе выполнения этой программы была применена так называемая воздушная (газостатическая) опора. Чтобы яснее представить себе преимущества, которые дает использование такой опоры, остановимся подробнее на ее конструкции и свойствах. Опора представляет собой два вложенных друг в друга кольцевых сферических сегмента (ротора и статора), в зазор между которыми типовым высоконапорным вентилятором нагнетается воздух. Создаваемая избыточным давлением воздуха подъемная сила заставляет ротор (с закрепленным на нем ускорителем) всплывать. Необходимая величина воздушного зазора обеспечивается регулировкой хода в шлицевом соединении одной из вилок карданного вала, передающего крутящий момент от двигателя, расположенного на одной оси с ротором. Наличие у карданного вала двух карданных шарниров обеспечивает независимость положения геометрической оси ротора относительно оси вращения двигателя. При включенном вентиляторе всплывший подвижный узел дробилки (ротор и ускоритель) находится в состоянии покоя. При этом вес ротора и ускорителя плюс сила натяжения карданного вала уравновешиваются подъемной силой, создаваемой избыточным давлением воздуха. Поскольку сила, действующая со стороны воздуха на сферическую поверхность ротора, везде направлена к центру сферы, то центр сферы фактически оказывается своего рода виртуальной точкой опоры (подвеса) ротора. Это означает, что под действием любых сил, не проходящих через центр сферы (то есть сил, создающих момент относительно точки опоры), ротор отклоняется от исходного положения так, как если бы он имел шарнирное закрепление в центре сферы. Иными словами, образуется воздушная опора, при которой ротор может совершать вокруг центра сферы колебательные движения, не касаясь при этом статора. Конечно, наличие связи фиксированной длины в виде карданного вала приводит к соответствующему уменьшению величины воздушного зазора при любом развороте ротора. Однако уменьшение это незначительно, а перемещение точки подвеса ротора происходит вдоль вертикальной оси (подобно шарниру в кулисе кривошипно-шатунного механизма). При любом отклонении оси ротора от вертикали (а вернее, отклонении центра верхней крестовины карданного вала от прямой линии, соединяющей центр сферы и центр нижней крестовины) равнодействующая приложенных к верхней крестовине сил оказывается отличной от нуля величиной, направленной к оси вращения двигателя. Создаваемый при этом момент относительно виртуальной точки опоры ротора стремится вернуть ось ротора в исходное вертикальное положение. После приведения во вращение подвижный узел дробилки фактически становится гироскопом с точкой опоры в центре сферы, а потому обладает всеми свойствами, характерными для так называемых тяжелых (то есть закрепленных в точке, не совпадающей с центром масс) гироскопов с тремя степенями свободы.

Полное описание движения такой системы, учитывающее реальные механические свойства всех входящих в нее элементов, весьма сложно. Оно требует совместного решения более 30 нелинейных дифференциальных уравнений, поэтому ограничимся качественным описанием особенностей системы, о которой идет речь, вытекающих из основных свойств гироскопа. Во-первых, трехстепенной гироскоп (то есть гироскоп, ориентация мгновенной оси вращения которого вокруг единственной точки опоры ничем не ограничена) в отсутствие внешних воздействий сохраняет положение оси вращения неизменным. Во- вторых, при несовпадении оси вращения с главной осью инерции гироскопа последняя равномерно вращается вокруг оси вращения, описывая круговую коническую поверхность с вершиной в точке опоры (подобно оси вращающегося волчка). Такое движение носит название регулярной прецессии, а угол при вершине описываемого конуса называется углом нутации. Применительно к нашему случаю, когда главная ось инерции (совпадающая в первом приближении с геометрической осью подвижного узла дробилки) близка к вертикальной оси вращения двигателя, угол нутации в отсутствие внешних возмущений будет весьма мал. Это означает, что наш гироскоп вращается вокруг своей главной оси инерции, положение которой остается неизменным во времени. Наличие у подвижной системы несбалансированной массы приводит к смещению ее центра масс относительно геометрической оси системы. Учитывая тот факт, что главная ось инерции всегда проходит через центр масс системы, приходим к выводу о том, что при наличии дисбаланса роторная часть дробилки будет вращаться таким образом, что геометрическая ось ротора окажется смещенной относительно фактической оси вращения на величину смещения центра масс. При этом пробой воздушной опоры, то есть касание ротором статора, имеет место при смещении центра масс подвижного узла на величину радиальной проекции воздушного зазора между ними. Если учесть, что, например, масса подвижного узла дробилки «Титан Д-160» составляет около 1000 кг, а радиальный зазор между ротором и статором — не менее 2 мм, то оказывается, что несбалансированная масса, расположенная на периферии ускорителя диаметром 1,25 м, может достигать 3 кг, не приводя к пробою воздушной опоры и нарушению работы дробилки. В действительности реакция нашего гироскопа на возникновение массового дисбаланса оказывается более сложной. Дело в том, что при действии на гироскоп внешнего момента, не совпадающего по направлению с осью вращения (то есть опрокидывающего момента), гироскоп стремится развернуть свою ось вращения в плоскости, проходящей через ось вращения перпендикулярно той, в которой лежат точка опоры и сила, вызывающая момент. Скорость прецессии пропорциональна величине внешнего момента и обратно пропорциональна кинетическому моменту гироскопа.

В нашем случае возникающее из-за наличия дисбаланса смещение геометрической оси ротора относительно статора приводит к неравномерности воздушного зазора. Из-за этого равнодействующая сил, действующих со стороны воздуха на ротор, не проходит более через центр сферы и создает внешний момент. В результате возникающей прецессии будет происходить разворот оси вращения ротора вокруг центра сферы. И хотя в итоге касания статора ротором может не происходить даже при наличии дисбалансов, превышающих вышеуказанное значение, возникновение прецессии является, как показывает опыт, весьма нежелательным. Причина этого кроется в том, что вышеупомянутая скорость прецессии пропорциональна приложенному внешнему моменту. И если каким-либо образом препятствовать возникшей прецессии, то со стороны гироскопа на препятствующий объект начинает действовать гироскопический момент, достаточный для поддержания гироскопом требуемой скорости прецессии, так сказать, любой ценой. При этом величина гироскопического момента оказывается ограниченной лишь полным моментом количества движения (кинетическим моментом), то есть общим запасом кинетической энергии гироскопа, частота вращения которого может даже упасть до нуля (если запас его энергии не пополняется извне) при возникновении на пути его прецессии непреодолимой преграды. В больших дробилках, когда вращение ускорителя обеспечивается двигателем мощностью в несколько сотен киловатт, возникающие в случае прецессии гироскопические моменты могут достигать гигантских величин. В этом кроется, пожалуй, основная причина невозможности построения мощных центробежно-ударных дробилок с использованием традиционных подшипниковых опор. Уже при дисбалансах в несколько сотен граммов нагрузки на подшипники становятся настолько большими, что это серьезно сокращает продолжительность их безаварийной работы. Использование сферической воздушной опоры позволяет избежать проблем, связанных с возникновением гироскопических моментов, поскольку используемая кинематическая схема не накладывает ограничений на движение трехстепенного гироскопа. Следует отметить, что в реально существующей конструкции дробилки «Титан» регулярная прецессия большой амплитуды все же остается нежелательным явлением. Проявляется это в моменты прохождения резонансных частот при разгоне и остановке дробилки. Однако конструктивные решения, а также тщательная настройка дробилки в процессе производства позволяют дробилкам «Титан» с успехом преодолевать проблемы разгона и остановки, а в процессе работы выдерживать на порядок большие дисбалансы по сравнению с дробилками на подшипниковой опоре.

Что можно констатировать, резюмируя вышеизложенное? Применение сферической воздушной опоры позволило принципиально изменить кинематическую схему центробежно-ударных дробилок и перейти от схемы с фиксированной (подшипниками) осью к схеме свободного гироскопа с виртуальной точкой опоры в центре сферы, которой нет аналогов в современной дробильной технике. При этом оказывается возможным не накладывать никаких ограничений на стремление ротора дробилки вращаться вокруг своей главной оси инерции и не создавать реакциями связи моментов, действующих на роторную часть дробилки и приводящих к регулярной прецессии. Концепция новой воздушной опоры доказала свою эффективность опытом практического применения в течение вот уже 15 лет и расширила диапазон линейных скоростей роторных систем при центробежной дезинтеграции до 100 м/с и более. В рамках этой концепции диаметры ускорителей, а вместе с ними — и единичная производительность оборудования ограничены только техническими возможностями машиностроительных предприятий и условиями транспортировки. В ЗАО «Новые технологии» созданы дробилки с ускорителями диаметром до 2,1 м, линейной скоростью вылета дробимого материала из ускорителя 100 м/сек, производительностью до 650 т/час в открытом цикле. Отличительными чертами дробилок «Титан» являются слабая чувствительность к дисбалансам, высокая эффективность дробления (что обеспечивается высокой скоростью вращения ускорителя), большая производительность, а также высокая надежность и долговечность механической части. Рост диаметра ускорителя позволил достичь значительных успехов и в решении проблемы ударно-абразивного износа рабочих органов дробилки. Дело в том, что износ возрастает с ростом скорости ускорителя, но уменьшается с ростом его диаметра. Объяснение простое: одинаковая скорость на выходе достигается на большей длине, то есть на большем ускорителе материал при разгоне имеет меньшее ускорение, что приводит к меньшему износу за счет уменьшения прижимных сил, пропорциональных ускорению.

Рынок дробильного и измельчительного оборудования достаточно консервативен. Революции здесь редки и возникают не чаще одного-двух раз в столетие. Центробежные дробилки «Титан Д» являются одним из последних достижений современной науки и техники и дают уникальные технологические результаты. В некоторых областях (например, в таких, как производство кубовидного щебня) дробилки подобного принципа действия стали бесспорными лидерами. В других областях, например, при сухом измельчении руд до крупности 1-2 мм, они являются фактически безальтернативным оборудованием. В рудоподготовке наступает время серьезной конкуренции между центробежно-ударным и другим традиционным дробильно-измельчительным оборудованием, например, стержневыми мельницами.

Рис. 1. Воздушная опора дробильно-измельчительного оборудования «Титан».
1 — cтатор; 2 — ротор; 3 — карданный вал; 4 — электродвигатель; 5 — вентилятор; 6 — вал; 7 — ускоритель; 8 — концевая лопатка ускорителя; 9 — камера дробления; 10 — предохранительный узел на случай аварийного отключения воздуха; 11 — крышка опорной части; 12 — патрубок для выгрузки дробленого продукта; 13 — центробежная муфта; 14 — пыльник.


В. ЛИСИЦА, В. ПАВЛОВ, ЗАО «Новые технологии», Санкт-Петербург

www.nestor.minsk.by