 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» (т.е. 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 его
особенностей, вытекающих из основных свойств гироскопа:
- трехстепенной гироскоп (т.е. гироскоп, ориентация мгновенной
оси вращения которого вокруг единственной точки опоры ничем
не ограничена) в отсутствие внешних воздействий сохраняет
положение оси вращения неизменным;
- 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, т.е. касание
ротором статора, произойдет при смещении центра масс подвижного
узла на величину радиальной проекции воздушного зазора между
ними. Если учесть, что масса подвижного узла дробилки «Титан
Д-160», например, составляет около 1000 кг, а радиальный зазор
между ротором и статором не менее двух миллиметров, то оказывается,
что несбалансированная масса, расположенная на периферии ускорителя
диаметром 1.25 м, может достигать трех килограммов, не приводя
к «пробою» воздушной опоры и нарушению работы дробилки.
В действительности реакция нашего «гироскопа» на наличие массового
дисбаланса оказывается более сложной. Дело в том, что при
действии на гироскоп внешнего момента, не совпадающего по
направлению с осью вращения (т.е. 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 касание ротора
о статор может не происходить даже при наличии дисбалансов,
превышающих указанное выше 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 «любой ценой». Величина гироскопического момента
при этом ограничена 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 грамм, нагрузки на подшипники
становятся настолько большими, что это серьезно снижает время
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.
Заключение
Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что 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. Основными принципами
построения такой схемы являются:
- не накладывать никаких ограничений на стремление ротора
дробилки вращаться вокруг своей главной оси инерции;
- 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 метра, линейной скоростью вылета дробимого материала
из ускорителя 100 м/сек, производительностью до 650 тонн в
час в открытом цикле.
Отличительными чертами дробилок «ТИТАН» являются:
- слабая чувствительность к дисбалансам;
- высокоэффективное дробление (обеспечиваемое высокой скоростью
вращения ускорителя);
- большая производительность;
- 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, т.е. 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 1-2 раза
в столетие. Центробежные дробилки «ТИТАН Д» являются одним
из последних достижений современной науки и техники и дают
уникальные технологические результаты. В некоторых областях,
таких как производство кубовидного щебня, дробилки подобного
принципа действия стали бесспорными лидерами. В других областях,
например, в сухом измельчении руд до крупности 1-2 мм, они
фактически являются безальтернативным оборудованием.
|
