2.5. Критерии износа рабочих органов измельчителей (механоактиваторов) сельскохозяйственного назначения

Загрязнение продуктов металлопримесями в процессе переработки является одной из нежелательных явлений, ухудшающих качество готовых изделий и требующих дополнительных затрат на использование в технологических линиях производства дополнительного оборудования – электросепараторов. Эта проблема остро стоит на перерабатывающих предприятиях. Наибольший «намол» железа происходит на стадии измельчения продуктов. Эффект «намола» вызывает также износ рабочих органов измельчителей (механоактиваторов), нарушает режимы работы оборудования и технологию переработки, приводит к повышению энергоемкости продукции и к дополнительным затратам, связанным с ремонтом оборудования. В этой связи одним из показателей, характеризующих качество работы измельчителей (механоактиваторов), является содержание в обработанном продукте примесей, внесенных в процессе износа рабочих органов (эффекта намола). Наиболее перспективным способом измельчения материалов в настоящее время является электромагнитная механоактивация, обеспечивающая заданный технологией диапазон дисперсности при одновременном повышении энергоэффективности процесса переработки на стадии диспергирования.

Исход силового взаимодействия между рабочими органами электромагнитных механоактиваторов и измельчаемым продуктом (в контактной системе шар–частица–шар) зависит прежде всего от механических свойств контактируемых тел. Эти свойства определяются условным напряжением при разрушении частиц продукта и твердостью материала размольных органов НВ . В системе ш–ч–ш под действием внешней нагрузки (сил электромагнитного поля) происходит внедрение более твердых поверхностей в менее твердое контртело, что вызывает в нем упругие, пластические деформации или микрорезание (разрушение).

При оценке прочности частиц обрабатываемого продукта предельные напряжения принято определять делением разрушающей нагрузки на максимальную площадь поперечного сечения испытуемого зерна. Несмотря на условность такого способа оценки прочности, результаты испытаний дают полезные сведения для анализа характера взаимодействия изучаемой системы ш – ч – ш. Определение границы между понятием «твердая – мягкая» частица с точки зрения развития процесса намола рабочих органов аппарата ориентировочно можно произвести при помощи критерия твердости

, (2.16)

позволяющего априорно оценить способности частицы вызывать прямое разрушение материала ферротел при условии, разумеется, что геометрия зоны контакта и приложенная сила обеспечивают совершение этого процесса. Критические значения , согласно исследованиям, находятся в диапазоне 0,5…0,7. При частица продукта способна выдерживать сравнительно большие нагрузки до разрушения и, следовательно, сохранять форму и способность создавать высокий уровень контактных напряжений, что предопределяет интенсивное прямое разрушение микрообъемов поверхностного слоя материала ферротел и значительные потери энергии на совершение этого процесса. Чем , тем ниже уровень контактных напряжений и тем слабее интенсивность изнашивания материала.

По мере втягивания «твердой» частицы в зону контакта, сила, действующая на частицу, постоянно возрастает, способствуя ее внедрению во взаимодействующие поверхности размольных органов. При этом частица деформирует материал поверхности феррошаров сначала упруго, затем упруго-пластически и пластически до тех пор, пока не достигнет глубины внедрения , соответствующей ее разрушению . Если до разрушения частица способна внедриться в поверхность ферротел на глубину

, (2.17)

что соответствует контурному давлению

, (2.18)

где - коэффициент Пуассона;

Е – модуль упругости;

НВ – твердость;

- параметр шероховатости;

( , Е_у, НВ – механические характеристики материала ферротел)

в зоне контакта начинают проявляться пластические деформации.

Начиная с контурных давлений, превышающих значения, вычисленные по формуле (2.18), увеличивается зона пластических деформаций при одновременном сокращении упругой зоны. Переход в область пластических деформаций осуществляется при глубине внедрения твердой частицы и контурных давлениях в системе

, (2.19)

(2.20)

Нагрузка, при которой возникают пластические деформации в зонах контакта

определяется выражением

(2.21)

Измельчение материалов электромагнитным способом характеризуется многократными энергонапряженными производственными контактами в системе ш – ч – ш. Превышение контурных давлений и нагрузок в системе выше значений, вычисленных по формулам (2.18) и (2.21),приводит к пластическому деформированию микрообъемов поверхностного слоя феррошаров. Из теории следует, что в этом случае создаются условия для протекания процесса намола в результате усталостного изнашивания, возникающего вследствие многократных воздействий твердых частиц.

При наличии касательных сил, образующихся в результате переориентации феррошаров в структурных группах с созданием «слоя скольжения», в зоне контакта возникают касательные напряжения , обусловленные межатомными и межмолекулярными взаимодействиями. Согласно теории внешнего трения при определенных соотношениях внедрение частицы в поверхностный слой материала ферротел, зависящей от действия нормальной силы, и касательных напряжений , определяемых консистенцией обрабатываемого продукта (или условиями смазывания трущихся поверхностей), в зоне контакта способно развиться контурное давление

, (2.22)

вызывающее нарушение условий внешнего трения. При контурное давление , т.е. внешнее трение не осуществимо. В данном случае частица способна вызвать прямое разрушение поверхности размольных органов при однократном взаимодействии системы ш – ч – ш.

Из представленных формул следует, что в зависимости от величины безразмерной характеристики микрообъемы контактируемых поверхностей будут претерпевать упругую, упруго – пластическую, пластическую деформации либо микрорезание. Введение критериев перехода: критерий перехода от упругой к пластической деформации и пластической деформации к микрорезанию, позволяет на основании их анализа оценить характер преобладающих деформаций и выявить условия протекания процесса электромагнитного измельчения продуктов без намола (износа рабочих органов).

Полагая максимальную глубину внедрения , на которую может внедриться твердая частица в материал поверхности, равную глубине внедрения, соответствующей разрушению частицы , безразмерную характеристику можно представить в виде

(2.23)

Разрушение частицы наступает при равенстве

, (2.24)

где - нормальное напряжение, приведенное к диаметральному сечению частицы, вызывающее их разрушение;

- нагрузка, действующая со стороны материала на внедряющуюся частицу.

Принимая во внимание рассмотренное выше условие втягивания частицы в зону контакта феррошаров при определении сил, действующих на частицу, можно считать, что она взаимодействует в каждой произвольной точке с плоскими поверхностями.

В этом случае формулы для вычисления нагрузок и имеют вид

, (2.25)

(2.26)

С учетом равенства к моменту разрушения частицы продукта можно записать

или (2.27)

.

Следовательно, максимальная величина выражается через механические характеристики частиц помола и материала НВ и оценка уравнения (2.27) может указать на характер преобладающих в системе ш – ч – ш деформаций, вызывающих процесс намола размольных органов аппарата.

При выполнении условия

, (2.28)

где – критерий перехода от пластических деформаций к микрорезанию, частица, моделируемая сферой, разрушается раньше, чем она достигает глубины внедрения, необходимой для осуществления прямого разрушения материала ферротел.

Согласно теории внешнего трения твердых тел в условиях смазывания (что соответствует условиям силового взаимодействия дисперсной фазы обрабатываемого продукта с поверхностью размольных органов) отношение касательных напряжений, обусловленных межатомными и межмолекулярными взаимодействиями, к твердости поверхностных слоев взаимодействующих элементов . Подставляя это значение в формулу (2.28), найдем, что нарушение условий внешнего трения произойдет при значении . В этом случае на частицу будет действовать сила

(2.29)

Из анализа характера преобладающих деформаций и (аналогично) из сравнения значений силы с нормальным напряжением , приведенным к диаметральному сечению частиц, вызывающим их разрушение, следует, что нарушение условий внешнего трения в системе ш – ч – ш и переход к интенсивному изнашиванию размольных органов аппарата произойдет при поверхностной твердости . В диапазоне нагрузок, определяемых по формулам (2.21) и(2.22), микрообъемы поверхностного слоя ферротел будут испытывать пластические деформации, сопутствующие развитию усталостного процесса намола. При этом соотношение механических свойств материала поверхностного слоя ферротел и продукта, подлежащего обработке, определяется выражением

, (2.30)

или с учетом данных, представленных в работе и вычисленных по формуле(2.22), значений

(2.31)

При выполнении неравенства (2.31) создаются условия для разрушения поверхности ферротел в результате многократных воздействий твердых частиц продукта и частицы износа отделяются вследствие усталостного процесса изнашивания размольных органов аппарата. Так как интенсивность изнашивания при пластических деформациях на несколько порядков больше, чем при упругих, то при реализации процесса измельчения продуктов электромагнитным способом для случаев, когда процесс намола недопустим или регламентирован стандартом, в системе ш – ч – ш необходимо создавать нормальные нагрузки и соответствующие им контурные давления, не превышающие значения, вычисленные по формулам (2.18, 2.20, 2.21).

При выполнении условия

(2.32)

частица обрабатываемого продукта создает до момента ее разрушения в материале поверхностного слоя ферротел только упругие деформации, что снижает вероятность возникновения и развития процесса намола размольных органов аппарата.

Полученные критерии целесообразно использовать при проектировании измельчающего оборудования различного конструктивного и целевого назначения. Предварительный (на стадии проектирования измельчителя - механоактиватора) анализ эффекта «намола» позволяет избежать загрязнения продукции металлопримесями, увеличить срок службы оборудования, снизить энергоемкость и себестоимость готовой продукции.