Прикладная теория колебаний

7.1.Вибрационные технологии

7.1.1.Области применения

Работа вибротранспортера основана на колебаниях лотка, который перемещает обычный песок, камни, мелкие детали и т.д. Если правильно задать колебания лотка, то детали начнут двигаться в нужном направлении: вверх, вниз, слева направо, справа налево.

Таким образом можно перемещать самые различные предметы – от маковых зернышек до каменных глыб. Регулировать движение такого груза просто, обслуживать конвейер легко, поэтому вибротранспортеры применяют повсюду, от горнорудной промышленности до кондитерских фабрик.

Укладка бетона с помощью вибрации применяется почти во всех видах строительства, но особенно широко в гидротехнике. Плотины и шлюзы почти целиком строятся из бетона или железобетона.

Вибрация облегчает и подготовку строительных работ. Многие здания и инженерные сооружения опираются на свайные основания, состоящие из сотен глубоко погруженных в грунт свай. Для того чтобы забить сваю, необходимо делать сотни ударов. Причем после каждого удара тяжелый ударник – «бабу» – приходится с помощью лебедки поднимать на нужную высоту. Первые опыты по вибропогружению свай были проведены советским инженером Д. Барканом в 1934 г. На свае укреплялись два вибратора, каждый из которых состоял из вращающегося вала с закрепленным на нем грузом, смещенным относительно оси вращения (дебаланс). При вращении валов возникают центробежные силы. Дебалансы устанавливаются таким образом, чтобы горизонтальные составляющие центробежных сил уравновешивались, а вертикальные – складывались. Тогда создается дополнительная переменная сила. Под действием вибрации грунт как бы разжижается и свая лег-

141

ко опускается. Если нужно извлечь сваю, то и здесь для размягчения грунта можно использовать вибрацию.

Точно так же вибрационным способом без дорогостоящего бурения можно проводить геологическую разведку. С помощью вибратора в грунт погружается специальный виброзонд, который извлекается вместе с пробой.

Возможно использование вибрации для разделения легких частиц, но только в том случае, если ускорение вибрационного процесса меньше ускорения свободного падения.

На Земле ускорение свободного падения g = 9,81 м·с–2. Значит, чтобы создать нужную вибрационную перегрузку, требуются большие мощности, да и не всякое оборудование выдержит такие нагрузки. Совсем другое дело в космосе!

Одно из самых многообещающих направлений космической металлургии – выращивание особо чистых монокристаллов или кристаллов с заданной структурой. Есть обширный экспериментальный материал, показывающий, что и в земных, и в космических условиях можно управлять кристаллизацией с помощью низкочастотной вибрации.

Очень перспективным направлением космической технологии можно считать очистку биологических препаратов. Процесс очистки в земных условиях чрезвычайно дорог, требует уникального оборудования, не менее сложного и дорогого, чем оснащение космических станций. Поэтому экономически выгоднее создавать в космосе, а затем доставлять на Землю отдельные дорогостоящие материалы.

7.1.2.Классификация операций, осуществляемых

сприменением вибрации

При осуществлении одних и тех же технологических процессов вибрация в большинстве случаев выполняет не одну, а несколько функций, поэтому создать стройную классификацию выполняемых операций оказывается затруднительным.

142

Однако если принять за классификационный признак основную операцию, выполняемую в данном процессе, то можно выделить следующие основные категории операций, осуществляемые с применением вибрации: виброперемещение, обработка дисперсных систем для реализации или повышения эффективности того или иного технологического процесса (создание вибросжиженного или виброкипящего слоя), резание и разрушение, вибросепарация и др.

Вибрационное перемещение необходимо не только для транспортирования, оно составляет основу многих технологических процессов. Состояние вибросжижения или виброкипения, в котором находится насыпная перемещаемая среда, создает благоприятные условия для осуществления в поточном режиме многих технологических процессов. Основными видами вибрационного транспортирования являются перемещение по горизонтали или с небольшим подъемом, подъем по винтовому грузонесущему органу или в установках специального устройства, вибрационная загрузка и разгрузка емкостей, вибрационная бункеризация, виброразработка льдов, смерзшихся грунтов и др.

Подготовка дисперсных систем для технологической об-

работки – это прежде всего создание вибросжиженного или виброкипящего слоя для ускорения массообменных процессов. В виброкипящем слое происходят разнообразные химические и физико-химические реакции и превращения. К этим процессам относятся каталитические и твердофазные реакции, горение, экстрагирование, растворение и выщелачивание, восстановление металлов из руд и др. В обрабатываемых вибрацией дисперсных системах осуществляется также смешение, разделение и уплотнение насыпных смесей и бетонов, кристаллизация, обработка давлением, закалка, сушка, обезвоживание, гранулирование, мойка, центрифугирование и другие операции.

Вибрация широко применяется в процессах резания и разрушения: точение и сверление, виброабразивная обработ-

143

ка, дробление и измельчение, разрушение грунтов и горных пород.

Эффективность протекания упомянутых процессов зависит от режима колебаний рабочего органа соответствующей машины: используются гармонические и полигармонические, прямолинейные, двухкомпонентные и пространственные колебания. Траектория движения в общем случае формируется за счет поступательных и крутильных колебаний рабочего органа. Траектории и формы колебаний рабочих органов вибрационных машин постоянно усложняются. При проведении многих технологических операций с усложнением колебаний рабочего органа удается повысить удельную энергетическую напряженность и эффективность протекания процесса. Диапазон частот, применяемых в современных машинах, начинается с низкочастотных инфразвуковых механических колебаний и распространяется до высокочастотных ультразвуковых; низким частотам соответствуют большие размахи колебаний, высоким – меньшие. Следует подчеркнуть, что все машины вибрационного принципа действия генерируют вибрации и шум, и создание таких машин связано с проблемой локализации этих опасных для человека воздействий. При этом в машинах вибрационного принципа действия негативное воздействие вибрации на человека полностью исключить не представляется возможным, и найти необходимое решение в ряде случаев оказывается исключительно сложно.

7.1.3. Основные виды вибрационных машин

Вибрационная техника является сравнительно новой и быстро развивающейся отраслью. Несмотря на относительную конструктивную простоту вибрационных машин, теория их сложна, и ее разработка потребовала применения аппарата нелинейной механики и использования аналоговой и вычислительной техники.

144

Приняв в качестве одного из главных классификационных признаков характер выполняемой работы, все вибрационные машины можно разделить на несколько разрядов, объединенных принципиальным сходством устройства и характера преодолеваемых внешних сопротивлений. Можно выделить следующие однотипные по характеру внешних сопротивлений, испытываемых рабочим органом, операции, выполняемые вибрационными машинами:

–сообщение вибрации различным средам в массиве, насыпным материалам и дисперсным системам, находящимся

всвободном состоянии;

–внедрение вибрирующих элементов в грунт, породу;

–виброрезание и виброразрушение пород, связных грунтов, металлов;

–вибродробление и виброизмельчение различных материалов.

В соответствии с производственным назначением различают вибрационные машины для дробления и измельчения разнообразных материалов; разделения насыпных и многофазных сред (бетона, пищевых продуктов и т.д.); резания металлов и разрушения пород; повышения эффективности обработки металлов давлением и улучшения структуры отливок; создания вибросжиженного или виброкипящего слоя в различных технологических агрегатах; а также вибрационные машины транспортирующие, транспортно-технологические, погрузочные и бункерующие.

Вибрационные транспортирующие машины включают в себя конвейеры, питатели и питатели-грохоты, подъемники и бункеры-дозаторы.

При подземной разработке рудных месторождений вибротранспортирующие машины используются для механизации таких основных работ, как выгрузка руды, доставка и погрузка взорванной руды. При этом существенно повышается производительность этих процессов, возрастает безопасность работ,

145

улучшается качество и облегчается разделка «негабаритных» кусков руды.

Впоследнее время вибрация применяется не только для целей перемещения и погрузки, но и для бункеризации различных сыпучих грузов. На использовании принципа вибробункеризации основано действие бункеров-конвейеров, погрузочнобункерующих машин и бункерных поездов с вибрационным днищем.

Для целей разрушения, измельчения, резания горных пород и грунтов находят применение дробилки, мельницы, струги, ковши экскаваторов с вибрирующими зубьями, пробойники, клины, погрузчики, молоты, бурильные установки, станки для сверления и точения, устройства для абразивной обработки.

При обработке металлов давлением для повышения качества литья применяют вибрационные устройства (вибрационное прессование, волочение, вибропрокатка).

Вчисло вспомогательных вибрационных устройств входят дозаторы, возбудители для бункеров и желобов, уплотнители насыпных грузов и различных технологических смесей, разгрузчики железнодорожных вагонов, устройства для очистки литья от формовочной земли, рыхлители смерзшихся и слежавшихся грузов, очистители грузовых вагонов и рудничных вагонеток и устройства для очистки конвейерной ленты. Использование вспомогательного вибрационного оборудования дает известный эксплуатационный и экономический эффект, так как повышается уровень механизации труда трудоемких вспомогательных работ.

Рассмотрим подробнее некоторые виды вибрационных машин.

146

7.2. Машины для дробления и разделения материалов

7.2.1. Мельницы и дробилки

Многие процессы требуют тонкого измельчения продукта. Это способствует повышению скорости протекания межфазовых процессов и получению лучшей структуры конечного продукта, так как происходит уменьшение размеров частиц, увеличивается их удельная поверхность, повышается однородность. По указанным причинам ускоряются протекающие реакции, снижаются температуры, необходимые для нормального осуществления технологического цикла, сокращается расход дефицитных компонентов, а в ряде случаев и потребление энергии.

Наиболее эффективным и в настоящее время часто применяющимся является вибрационный метод измельчения, осуществляемый в вибрационных мельницах в среде мелющих тел (рис. 7.1). Мельница состоит из контейнера 1, заполненного мелющими телами 2, в качестве которых наиболее часто применяют шары инерционного вибратора, выполненного в виде эксцентрикового вала 3 с расположенными на его концах дебалансами 4, соединенного через подшипниковые узлы 5 с контейнером. Вращение вала инерционного вибратора осуществляется через эластичную муфту 6 от электродвигателя 7, контейнер

Рис. 7.1. Принципиальное устройство простейшей однобарабанной вибрационной мельницы с дебалансным инерционным приводом

147

устанавливается на раму с помощью упругих элементов 8, представляющих собой винтовые пружины либо резиновые блоки. Емкость одного контейнера современных вибрационных мельниц – от долей до 4000 дм3.

При вращении вала инерционного вибратора контейнер приходит в колебательное движение, при этом форма траектории существенно зависит от параметров упругой системы, изменяясь от вытянутого эллипса до окружности, наиболее типичная – эллиптическая. Под влиянием вибрации контейнера мелющие тела приходят в быстрое колебательное движение, и одновременно вся масса мелющих тел и измельчаемого продукта совершает медленные кругообразные перемещения. Разрушение продукта в процессе вибрационного измельчения достигается вследствие относительного перемещения мелющих тел и измельчаемого продукта в результате ударов, раздавливания и истирания. Основными параметрами вибрационной мельницы являются частота и амплитуда колебаний, форма, размеры и материал мелющих тел, параметры контейнера.

В зависимости от вида продукта, его гранулометрического состава и желаемой степени измельчения находят применение три основные схемы работы вибрационных мельниц и соответственно три конструктивные схемы устройства рабочих камер контейнеров: для очень тонкого, тонкого и среднего измельчения.

На рис. 7.2, а представлена вибрационная мельница с одной рабочей камерой 1, которая с помощью кронштейнов 2 опирается через резино-металлические упругие элементы 3 на раму 4. Загрузка и разгрузка осуществляются соответственно через люки 5 и 6; колебания контейнера возбуждаются инерционным вибратором 7, ось которого совпадает с центром тяжести колеблющихся масс вибромельницы.

На рис. 7.2, б, в приведены две модификации двухкамерных вибрационных мельниц с расположением барабанов на одном и разных уровнях. Вторая модификация требует меньших производственных площадей для установки.

148

Вибромельница с расположением контейнеров на одном уровне имеет рабочие камеры 1 и 2, объединенные общим кронштейном 3 с инерционным вибратором 4. Колебательная система опирается на раму 5 с помощью резино-металлических упругих элементов 6. Загрузка рабочих камер осуществляется через люки 7 и 8, а разгрузка – через люки 9 и 10. Во второй модификации контейнер 1 расположен выше контейнера 2, между ними на общем кронштейне 3 смонтирован дебалансный вибратор 4. Загрузка верхнего контейнера осуществляется через люк 5, а нижнего – через тот же люк и трубопровод 6, разгрузка происходит через трубопроводы 7 и 8. Колебательная система с помощью резино-металлических упругих элементов 9 опирается на стойки 10 и 11.

Трехкамерная вибрационная мельница представлена на рис. 7.2, г. Камеры 1, 2 и 3 объединены общим кронштейном 4 с инерционным вибратором 5. Загрузка осуществляется через люки 6, 7 и 8, разгрузка – через люки 9, 10 и 11. Колебательная система с помощью резино-металлических упругих элементов 12 опирается на раму 13.

Схема пятиконтейнерной вибрационной мельницы приведена на рис. 7.2, д. Она имеет два контейнера 1 и 2, расположенные вверху; два контейнера 3 и 4 – внизу и один контейнер 5 – между ними. Все они кронштейном 6 объединены с двумя инерционными вибраторами 7 и 8. Загрузка двух левых рабочих камер осуществляется через люк 9, правых – через люк 10 и среднего – через люк 11, разгрузка – соответственно через люки 12, 13, 14. Колебательная система опирается через рези- но-металлические упругие элементы 15 на опорную раму 16.

В зависимости от крепости измельчаемого продукта рабочие камеры армируются стальными плитами различной толщины.

Эффективность процесса измельчения весьма существенно зависит от формы траектории колебаний рабочих камер. Для достижения максимальной интенсивности рекомендуется

150