Механические процессы

Измельчение (механическое) — разделение твердых тел на части под действием механических сил. Если образующиеся в процессе измельчения части имеют случайную форму, то такой процесс называют дроблением, если им придается определенная форма — резанием.

Затраты энергии на измельчение

В процессе дробления внешние силы преодолевают силы взаимного сцепления частиц материала. На это затрачивается работа, которая складывается из следующих составляющих:

- непосредственное разделение частиц или, как это называют, создание новых поверхностей, т. е. затраты работы на приращение поверхности твердых тел;

- объемная деформация разрушаемых частиц;

- тепловой эффект процесса, рассеиваемый в окружающем пространстве.

Первая составляющая работы полезная; вторая может быть признана полезной в той части, которая необходима для последующего разделения крупной частицы на более мелкие составляющие, т. е. полезной с коэффициентом, имеющим смысл КПД процесса. Третья составляющая работы в основном теряется для данного процесса.

На основании такого разделения работы на составляющие П. А. Ребиндер представил полезную работу измельчения уравнением:

А=А_п+А_д=К₁∆V+К₂ ∆S

где А – полная работа внешних сил, Дж;

А_д, - работа, затрачиваемая на деформацию объема разрушаемого куска, Дж;

Ап — работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, Дж;

К₁ – коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема тела;

∆V — изменение объема разрушаемого тела;

К₂ – коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачиваемой на образование единицы новой поверхности;

∆F — приращение вновь образованной поверхности

При крупном, среднем и мелком измельчении А₁‹А₂, а при тонком, сверхтонком и коллоидном – наоборот. Работа деформации выражается законом Гука.

Для любого процесса дробления приведенные понятия позволяют составить только качественные представления об этом явлении. Количественные оценки энергии, потребляемой для дробления, определяют только экспериментально.

Процессы измельчения связаны с затратами большого количества энергии. Расход энергии на измельчение может быть определен из существующих теорий измельчения.

Поверхностная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на преодолении сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала. Из этой теории следует , что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна вновь образующейся поверхности измельчаемого материала.

Объемная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на деформации материала до достижения предельной разрушающей деформации. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением.

Конструкции измельчителей – дробилки (щековые, конусные или гирационные, дезинтегратор, вальцовые, молотковые, стержневые мельницы, жернова, струйные мельницы, мельницы коллоидного дробления) см. Лаб. работа

1. Резание

Резание — разделение материала с приданием ему заданной формы, размеров и качества поверхности. Устройства для резания классифицируют:

- по назначению — для резания хрупких, твердых, упруговязко-пластичных и неоднородных материалов;

- по принципу действия — на периодические, непрерывные и комбинированные;

- по виду режущего инструмента — на пластинчатые, дисковые, струнные, гильотинные, роторные, струйные (жидкостные и пневматические), ультразвуковые и лазерные;

- по характеру движения режущего инструмента — с вращательным, возвратно-поступательным, плоскопараллельным, поворотным и вибрационным движением;

- по характеру движения материала при резании и по виду его крепления.

Схема зоны резания материала. Резание заключается в разрушении некоторого слоя материала непосредственно под режущей кромкой инструмента под влиянием давления на нее со стороны инструмента. Разрушающийся слой материала иногда называют граничной зоной. По мере продвижения инструмента данный слой подвергается вначале упругой, а потом пластической деформации (рис).

1 – разрезаемый материал; 2 – режущий инструмент; 3 – зона пластических деформаций; 4 – зона упругих деформаций; 5 – зона воздействия инструмента; 6 – линия разрушения. (пластические деформации остаются после снятия нагрузки, упругие - исчезают).

Если напряжение превышает предел прочности, происходит его разрушение и продвижение через него режущей кромки инструмента. Работа в процессе резания затрачивается на создание упругой и пластической деформации, а также на преодоление трения инструмента о разделяемые части материала.

Обозначим усилие, которое необходимо приложить к кромке ножа длиной 1 м для разрушения материала, через Р (Н/м), а площадь резания через Ld,где L, d — соответственно длина и ширина разреза, м.

Тогда работа резания (Дж)

А = P×Ld

Значения усилий Р можно существенно (в 5 раз и более) уменьшить, если нормальные напряжения на схеме (см. рис. 43.5) частично заменить касательными. Для этого движение режущего инструмента в той же мере заменяется на касательное. В общеупотребительных терминах это соответствует изменению рубящего движения ножа на скользящее. В ряде случаев для этого достаточно искривить режущую кромку ножа. При этом нож принимает иногда сложную форму.

Машины для резания. Наиболее производительные машины для резания применяют на сахарных заводах. Такая машина представляет собой горизонтальный вращающийся диск с лопастями и накрывающий его неподвижный барабан. В прорезях барабана устанавливают рамы с ножами. Диск вращается с частотой 70 об/мин при средней линейной скорости в районе ножей 8 м/с. Барабан заполняют свеклой, которая, попадая на диск, прижимается центробежной силой к ножам и режется в стружку. Профиль последней определяется формой ножей.

В мясной и консервной промышленности широко применяют машины для резки мяса, хлеба, картофеля и свеклы, называемые волчками. Конструкция их напоминает бытовую мясорубку. Резание осуществляется парой режущих инструментов — неподвижной ножевой решеткой (декой) и плоским вращающимся ножом. Материал подается шнеком в зону резания, вдавливается в решетку и подрезается вращающимися плоскими ножами, прижимающимися к решетке. Частота вращения шнека для тихоходных волчков 100...200, быстроходных — более 300 об/мин