Учебное пособие 2180
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
В.А. Жулай Л.Х. Шарипов
Машины для немеханической сортировки строительных материалов. Конструкции и расчёты
Учебное пособие
для студентов специальности 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», направления подготовки 23.03.02
«Наземные транспортно-технологические комплексы»
Воронеж 2017
УДК 621.879.3(072) ББК 33.4я37
Ж87
Жулай, В.А.
Машины для немеханической сортировки строительных материалов. Ж87 Конструкции и расчёты: учебное пособие для студентов специально-
сти 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», направления подготовки 23.03.02 «Наземные транспортно-технологи- ческие комплексы»/ В.А. Жулай, Л.Х. Шарипов. – Воронеж : ВГТУ, 2017. - 122 с.
Рассматриваются конструкции машин и оборудования для немеханической сортировки строительных материалов, приведена методика расчёта технологических и конструктивных параметров и другие сведения, необходимые для выполнения курсовых и дипломных проектов.
Учебное пособие составлено в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по дисциплине «Строительные машины и оборудование».
Ил. 65. Табл. 22. Библиогр.: 4 назв.
УДК 621.879.3(072) ББК 33.4я37
Рецензенты:
кафедра промышленного транспорта, строительства и геодезии ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова (зав. каф., д.т.н., профессор С.И. Сушков); В.В. Кандалинцев, директор Воронежского филиала АПЦНИИОМТП
Печатается по решению учебно-методического совета ВГТУ
© Жулай В.А., Шарипов Л.Х., 2017
© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017
ВВЕДЕНИЕ
Различные отрасли строительства потребляют значительное количество нерудных строительных материалов. Исходное сырье для производства основных строительных материалов подвергается неоднократной переработке.
Одной из основных операций технологической цепи производства материалов минерального происхождения является сортировка - разделение частиц материала для получения фракций или классов повышенной однородности.
Впроизводстве нерудных строительных материалов применяют наряду с механической, немеханической сортировку: гидравлическую, воздушную и магнитную. Конструктивные и технологические параметры этого оборудования влияют на главные показатели сортировки - производительность, эффективность, показатели чистоты конечного продукта. Поэтому методам выбора и расчета оптимальных схем сортировки, методам расчета рабочих органов машин для немеханической сортировки, повышению прочности и надежности, эффективности технологических и эксплуатационных показателей уделяется большое внимание работниками конструкторских, научно-исследовательских организаций, машиностроительных заводов, изготавливающих серийные машины для сортировки.
Машины и оборудование для разделения сыпучих материалов изучаются студентами по направления подготовки «Наземные транспортно-технологи- ческие средства» и «Наземные транспортно-технологические комплексы» в рамках дисциплины «Строительные машины и оборудование», которая является итоговой и должна обеспечить получение знаний, умений и навыков, необходимых инженеру-механику для практической работы.
Впроцессе освоения программного материала дисциплины обучающимися, как будущим специалистам, необходимо подробно изучить машины, используемые в промышленности нерудных строительных материалов, что позволит проявить умение правильно их эксплуатировать, повышать производительность, обеспечивать надежность оборудования и снижение себестоимости выпускаемой продукции. Однако освоить в достаточной степени вопросы, связанные с грохотами, в рамках ограниченного времени, выделенного для указанной дисциплины не предоставляется возможным. Поэтому цель учебного пособия дать студентам более углубленные знания, связанные с освоением и изучением конструкций, рабочих процессов, методов расчета конструктивных параметров, нагрузок в элементах грохота.
Материал, представленный в работе, позволит студентам успешно и в более короткие сроки выполнить самостоятельно курсовые и дипломные проекты по машинам и оборудованию для немеханической сортировки, качественно подготовится к сдаче зачетов и экзаменов по профилирующему курсу «Строительные машины и оборудование».
3
1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ
Общие сведения
Значительное влияние на прочность и долговечность бетонных изделий оказывает качество заполнителей, и, в частности, мелкого заполнителя – песка. Установлено, что использование чистого песка оптимального зернового состава не только повышает прочность и долговечность бетона, но и экономит 20% цемента.
Природные пески чаще всего неоднородны по составу, содержат посторонние примеси и поэтому не могут быть использованы в качестве заполнителя бетона без предварительного обогащения. Подлежащей обогащению исходный материал обычно разделяют на две, три и более фракций в зависимости от требований и готовой песчаной смеси, а затем полученные фракции смешивают в определенных пропорциях, чтобы получить конечный продукт с желаемым зерновым составом.
Классификация мелкозернистых материалов, таких как строительный песок, на ситах становится нерациональной. Мелкие сита весьма быстро изнашиваются, а производительность процесса с уменьшением размеров отверстий сит резко падает. Поэтому для классификации мелкозернистых материалов применяют аппараты бесситовой классификации – гидравлические классификаторы.
Разделение на фракции строительных песков естественной влажности (4 – 7 %) почти всегда нарушает механическую связь между отдельными мелкими зернами‚ вследствие присутствия в материале глинистых включений. Для диcпергации и удаления глины необходима промывка материала в воде. А поскольку вода может быть использована и как среда для разделения на фракции, то, как показала практика, наиболее экономичным и эффективным методом обогащения песков является гидравлическая классификации.
Гидравлической классификацией называют процесс разделения минеральных зерен в жидкости по скоростям их падения.
Крупность материала, подвергаемого гидравлической классификации, как правило, не превышает 5,0 мм. Процесс классификации может происходить в вертикальных и горизонтальных струях воды.
В классификационных аппаратах и машинах различного рода процесс разделения происходит под действием сил тяжести или центробежных сил. Для такого оборудования характерно использование физических свойств материала при осуществлении процесса классификации.
По конструктивному исполнению и характеру движения гидросмеси гидравлические классификаторы разделяют на аппараты горизонтального и вертикального типа, а по принципу действия на гидроклассификаторы свободного и стесненного падения.
К группе классификаторов относят также спиральные и реечные классификаторы, в которых используется механическое воздействие рабочего органа
4
на материал в процессе разделения его на фракции.
Особую подгруппу составляют центробежные классификаторы, в которых материал разделяется на фракции под действием разницы центробежных сил, действующих на зерна разной крупности во вращательном потоке пульпы.
Процессы классификации и обогащения материалов могут быть осуществлены следующими методами:
–классификацией по крупности, позволяющей разделить исходный материал на требуемые классы (фракции). Эта операция осуществляется на грохотах (сухое и мокрое грохочение) или путем гидравлической классификации (в водной среде);
–промывкой, позволяющей повысить качество минерального сырья путем удаления из него загрязняющих зерен материала;
–гравитационным методом классификации (обогащения), основанным на различии объемной массы зерен материала;
–под действием центробежных сил;
–обогащением материала по упругости и трению.
Теоретические основы гидравлической классификации
Гидравлическая классификация основана на том, что жидкие составы, включающие твердые тела, склонны к разделению под действием силы тяжести. Если весовая плотность жидкой системы меньше плотности частиц, то последние оседают на дно сосуда.
Скорость оседания частиц зависит от их размера, удельного веса и формы. Таким образом, гидравлическая классификация основана на различной скорости падения частиц. Размеры частиц в указанной зависимости имеют решающее значение, так как они могут меняться в широких пределах, в то время как плотности их различаются не столь уж значительно. При падении тела в жидкости возникают два вида сопротивлений: сопротивление трения, вызываемое вязкостью жидкости, и сопротивление сил инерции (динамическое сопротивление).
Первый вид сопротивления является преобладающим при относительно малой скорости падения частиц (при ламинарном потоке среды) размером менее 175 мкм (для зерен кварца). При оседании частиц размером в 1,5 мм и более сопротивление трению резко уменьшается и главенствующим становится динамическое сопротивление, при этом поток среды приобретает турбулентный характер.
Определим условия падения в жидкости частиц малого размера (до 175 мкм по кварцу), т.е. при учете сил трения, Н:
|
|
|
|
G mg; |
G удVg , |
(1.1) |
где |
|
масса тела |
|
, кг; |
|
|
|
– ускорение силы тяжести, м/с2; |
|
|
|||
|
g − |
|
( = уд |
) |
|
|
5
уд − удельная масса тела, кг/м3;
– объём тела, м3;
G – сила тяжести тела, Н.
Активный вес находящегося в жидкости тела, под действием которого ча-
стица стремится опуститься, определяется из равенства, Н: |
|
Ga V уд g , |
(1.2) |
где – плотность жидкости, кг/м3.
Возникающие при этом сопротивления тормозят опускание частиц. Сопротивление трения Pср жидкой среды падению шарообразного тела,
выведенное Стоксом, равно, Н:
Pср=3πµdυ , |
(1.3) |
где – коэффициент вязкости, H; d – диаметр частицы, м;
υ– скорость падения частицы, м/с. Условие равновесия частицы:
ma Ga Pср V уд g 3 d , |
(1.4) |
где ma – сила инерции частицы при ускорении, равном a.
При шарообразной форме частицы ее объем определяется по формуле, м3,
|
|
|
|
|
V |
d3 |
, |
|
|||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ma |
d3 |
|
уд g 3 d . |
||||||||
|
|
||||||||||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Согласно формуле (1.1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d3 |
||
|
m |
|
V |
|
|
|
. |
||||
|
|
6 |
|||||||||
|
|
|
|
уд |
|
|
уд |
|
|||
Подставляя значение m в формулу (1.5), получим |
|||||||||||
ma |
d3 |
|
уд g 3 d Н. |
||||||||
|
|||||||||||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.5)
(1.6)
(1.7)
6
|
|
d3 |
||
Деление левой и правой части на |
уд |
|
дает |
|
6 |
||||
|
|
|||
a |
|
уд |
g |
18 v |
м/с |
2 |
. |
(1.8) |
|
|
уд |
d |
2 |
|
|
||||
|
|
|
уд |
|
|
|
|
||
Из формулы (1.8) видно, что с увеличением скорости падения величина a уменьшается. Поэтому при достижении определенного значения скорости ускорение a будет равно нулю, и тело будет двигаться с постоянной скоростью.
В этом случае
|
уд |
|
18 v |
, |
|
|
|||
|
|
|
|
g |
|
|
|
(1.9) |
|
|
|
|
|
d |
2 |
||||
|
уд |
уд |
|
|
|
||||
откуда конечная скорость падения частицы, |
м/с 2 |
|
|||||||
|
|
|
d2 |
уд |
g |
|
|||
|
v |
|
|
|
|
|
. |
(1.10) |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
k |
|
|
18 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
При падении в жидкости частиц размером в 1,5 мм и более основным видом сопротивления является динамическое.
При падении частиц равновесие сил будет иметь место при условии, Н
Pдин Pин Gч Gв , |
(1.11) |
где Pдин – динамическое сопротивление частицы;
Pин – сила инерции частицы;
Gч Gв –разность масс частицы и вытесненной ею жидкости.
Динамическое сопротивление среды, согласно квадратичному закону Ньютона о динамическом сопротивлении, равно, Н,
P cFv2 , |
(1.12) |
дин |
|
где с – коэффициент, зависящий от формы частицы; v – скорость падения частицы;
– плотность жидкости;
F – площадь проекции частицы на горизонтальную плоскость; при частице шарообразной формы:
F |
3V |
, |
(1.13) |
|
2d
7
где V – объём частицы.
Сила инерции частицы при ускорении равном a, определяется по форму-
ле, Н,
Pин ma . |
(1.14) |
Выражение Gч Gв можно преобразовать так:
Gч Gв g m m1 . |
(1.15) |
Учитывая, что m удV, получим, Н,
Gч Gв g удV V . |
(1.16) |
Подставляя найденные значения в (1.11), находим
3c |
Vv2 удVa gV уд ; |
(1.17) |
|||
|
|
||||
2d |
|
|
|
||
3c |
v2 |
удa g |
уд ; |
(1.18) |
|
|
|||||
2d |
|
|
|
||
отсюда
|
3cv2 |
уд |
|
|
|
a |
|
g |
|
. |
(1.19) |
|
|
||||
|
2 уд |
уд |
|
||
Наибольшая конечная скорость vk будет при условии a= 0. Величина c для шарообразных частиц в большинстве случаев колеблется в пределах 0,3 − 0,4 (в среднем 0,365).
При падении тела в воде величина = 1. В этом случае формула (1.19) примет вид
vk 41,8 |
d уд 1 . |
(1.20) |
В общем виде формулу (1.20) можно представить в следующем виде:
|
уд |
|
(1.21) |
v A |
|
d. |
|
k |
|
|
|
|
|
||
Коэффициент А принимается равным: для шарообразных частиц 41,8– 42,2; для угловатых – 35,8; для продолговатых – 33,4; для пластинчатых – 22,7.
8
Камерные классификаторы
Камерные классификаторы применяют для сортировки и промывки рудных пульп.
На рис. 1.1. представлен общий вид камерного многосекционного классификатора. Камерный классификатор состоит из деревянного или сварного металлического корпуса 2‚ в нижней части которого расположено от четырех до восьми камер 7, увеличивающихся по размерам от загрузочного к разгрузочному концу. В камерах оседают частицы песка. К нижней части каждой камеры крепят цилиндры 8 с конической нижней частью. В каждой камере установлены мешалки, предупреждающие уплотнение песка. Мешалка представляет собой лопасти 11, укрепленные на вертикальном пустотелом валу 12. Валы мешалок приводятся во вращение от электродвигателя 5 через редуктор привода 3 и блок редукторов 4. Угловая скорость валов мешалок 0,130–0,132 рад/с. Мощность электродвигателя 1,7 или 2,8 кВт в зависимости от количества камер, а, следовательно, и мешалок.
Рис. 1.1. Многосекционный классификатор камерного типа: 1 – карман загрузочный; 2 – корпус; 3 – редуктор привода;
4 – блок редукторов; 5 – электродвигатель; 6 – лоток; 7 – камера; 8 – цилиндр; 9 – клапан разгрузочный; 10 – шток; 11 – лопасти; 12 – вал пустотелый; 13 – пороги
Червячные или конические колеса редукторов предназначены также для периодического открывания и закрывания разгрузочного клапана 9 (ячейкового выгружателя). Клапан 9 с помощью резьбового соединения соединяется со штоком 10. Шток проходит внутри пустотелого вала мешалки. На верхнем конце штока укреплена ось с роликом, опирающимся на кулачковую втулку. Подъем и опускание штока происходит от червячного колеса редуктора. При вращении червячного колеса и втулки шток сначала поднимается, а затем под действием силы тяжести опускается.
9
Классификатор работает в такой последовательности. Пульпа (смесь песка с водой) подается в загрузочный карман 1. При движении пульпы вдоль корпуса частицы песка по крупности выпадают в соответствующие камеры классификатора. Одновременно через боковое отверстие цилиндра 8 подается восходящий потом воды, который движется по касательной. Вследствие этого создается вращательное движение потока воды, которое улучшает классификацию. Осевший в камерах песок периодически выгружается, когда открываются клапаны 9. Камеры разделены порогами 13.
Поступившая в классификатор суспензия, постепенно теряет скорость в направлении выходного штуцера. В первом сборнике оседает самая крупная или тяжелая фракция, а в каждом последующем – все более мелкие фракции.
В зависимости от ведения процесса самая мелкая фракция отделяется в последнем сборнике или выносится потоком через выходной карман по лотку 6 и отделяется от жидкого носителя в специальном устройстве.
Стандартный секционный гидравлический классификатор модели 0 – 80А имеет следующую техническую характеристику:
Число секций в классификаторе··························· |
4 |
Размеры корпуса, мм |
620 |
наименьшая ширина секции················· |
|
наибольшая ширина секции················· |
1500 |
длина всей секции····························· |
3200 |
Частота вращения мешалок, об/мин····················· |
1,2 |
Электродвигатель мощность, кВт························· |
1,7 |
частота вращения, об/мин···················· |
1420 |
Габаритные размеры, мм |
1752 |
ширина··········································· |
|
длина············································· |
3662 |
высота············································ |
2874 |
Масса классификатора без электродвигателя, кг······· |
2000 |
Производительность при крупности частиц исходно- |
|
гоматериала от 1,651 до 0,208 мм, т/ч··················· |
15–25 |
В классификаторах этого типа материал можно разделить на число фракций, равное числу секций плюс единица.
Конусные классификаторы
Конусные классификаторы предназначены для промывки песка. Конусный классификатор с непрерывной разгрузкой представлен на рис. 1.2. Пульпа, подаваемая по желобу 1, через приемник 2, снабженный трубой 3, поступает в металлический конус 4. Крупные, более тяжелые частицы материала оседают в нижней части конца. Мелкие, более легкие частицы удаляются вместе со сливом через кольцевой лоток 5. Крупные частицы материала непрерывно разгру-
10