Инновационные направления в разработке и проектировании роторно-ударных измельчителей

 
 
 
 
 
О. И. Акимова, Э. П. Левченко, Д. А. Власенко 
 
 
 
 
ИННОВАЦИОННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ  
В РАЗРАБОТКЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ  
РОТОРНО-УДАРНЫХ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

 
УДК 621.74 
ББК 34.61 
А39 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт» 
ФГБОУ ВО «ЛНУ им. Даля» Замота Тарас Николаевич; 
канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» 
ФГБОУ ВО «ЛГАУ» Брюховецкий Андрей Николаевич  
 
 
 
 
 
 
 
 
Акимова, О. И.  
А39   
Инновационные направления в разработке и проектировании роторноударных измельчителей : монография / О. И. Акимова, Э. П. Левченко, 
Д. А. Власенко. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 120 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1895-9 
 
Изложены результаты исследований процесса разрушения материалов стесненным ударом, обоснованы закономерности и разработаны методики определения конструктивно-технологических и энергосиловых параметров роторно-ударного измельчителя в процессе измельчения стальной сферической дроби. Обоснованы наиболее 
значимые факторы, влияющие на основные технико-эксплуатационные и энергосиловые параметры процесса измельчения сферической стальной дроби. Разработаны рекомендации по выбору конструктивно-технологических и энергосиловых параметров 
роторно-ударного измельчителя для условий процесса дробления стальной сферической дроби. 
Для специалистов литейного производства, а также студентов машиностроительных специальностей.  
 
УДК 621.74 
ББК 34.61 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1895-9 
” Акимова О. И., Левченко Э. П., Власенко Д. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

 
ʝˆˎ˃˅ˎˈːˋˈ 
 
Введение ....................................................................................................................... 6 
 
РАЗДЕЛ 1. 
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОИЗВОДСТВА                        
КРУГЛОЙ И ОСТРОУГОЛЬНОЙ СТАЛЬНОЙ ДРОБИ. 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ДРОБЛЕНИЯ 
................................. 7 
1.1. Особенности применения абразивной очистки изделий                                
в промышленности, разновидности стальной дроби  
........................................... 7 
1.2. Способы получения, характеристики                                                         
гранулометрического и химического состава стальной дроби ......................... 12 
1.3. Анализ способов дробления материалов и машин                                      
для приготовления колотой дроби  ...................................................................... 19 
1.4. Теоретические аспекты процессов дробления                                                
и измельчения материалов .................................................................................... 26 
1.4.1. Основные законы дробления и измельчения ......................................... 26 
1.4.2. Особенности разрушения материалов ударом 
....................................... 27 
Выводы к разделу 1 
................................................................................................ 30 
 
РАЗДЕЛ 2. 
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ДРОБИ                                                 
И ПАРАМЕТРОВ РОТОРНО-УДАРНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ........................... 32 
2.1. Описание методик экспериментальных исследований                             
процесса измельчения стальной дроби стесненным ударом ............................. 32 
2.1.1. Методика и оборудование, применяемые                                             
при экспериментальных исследованиях процесса раскалывания               
одиночных частиц стальной дроби  .................................................................. 32 
2.1.2. Методика и оборудование,                                                                       
применяемые при экспериментальных исследованиях                                
процесса раскалывания слоя стальной дроби .................................................. 35 
2.2. Методика и оборудование, применяемые                                                    
при экспериментальных исследованиях процесса измельчения дроби               
в роторно-ударном измельчителе 
......................................................................... 38 
2.2.1. Определение критериев подобия физической модели 
и натуры роторно-ударного измельчителя 
....................................................... 38 
 
3 
 

 
2.2.2. Физическая модель роторно-ударного измельчителя                              
и описание технических характеристик дроби 
................................................ 42 
2.2.3. Тиристорный электропривод трехфазного переменного тока                 
в условиях проведения эксперимента 
............................................................... 46 
2.2.4. Описание способа определения мощности привода                               
роторно-ударного измельчителя в установившемся режиме 
......................... 49 
2.2.5. Методика проведения экспериментальных исследований                      
процесса измельчения стальной дроби в роторно-ударном измельчителе ... 50 
Выводы к разделу 2 
................................................................................................ 55 
 
РАЗДЕЛ 3. 
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА                                
РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ДРОБИ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ                          
РОТОРНО-УДАРНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ 
........................................................... 57 
3.1. Особенности реализации свободного и стесненного удара                           
в дробильно-измельчительных процессах  
.......................................................... 57 
3.2. Моделирование процесса разрушения стальной сферической дроби        
различными видами ударного контакта 
............................................................... 58 
3.2.1. Конечно-элементное моделирование                                                    
процесса свободного ударного контакта стальной дроби                                  
о неподвижную преграду ................................................................................... 58 
3.2.2. Конечно-элементное моделирование 
 процесса разрушения стальной дроби 
 в условиях стесненного удара «молот по наковальне» 
.................................. 60 
3.3. Структурный анализ роторно-ударного измельчителя 
............................... 62 
3.4. Математическая модель процесса ударного контакта мелющих тел            
с дробимым материалом 
........................................................................................ 63 
3.5. Определение основных параметров подачи исходного сырья                       
в рабочую камеру шлюзовым питателем 
............................................................. 70 
3.6. Математическое моделирование роторно-ударного измельчителя 
........... 74 
3.6.1. Динамическая модель мелющих тел в рабочем пространстве               
роторно-ударного измельчителя ....................................................................... 75 
3.6.2. Разработка метода обоснования энергосиловых параметров                 
роторно-ударного измельчителя ....................................................................... 83 
3.6.2.1. Динамическая модель роторно-ударного измельчителя                     
в процессе измельчения материалов ............................................................. 84 
 
4 
 

 
3.6.2.2. Метод определения момента трения                                                   
в подшипниковых опорах ротора .................................................................. 89 
3.6.2.3. Метод определения мощности двигателя                                         
роторно-ударного измельчителя 
.................................................................... 91 
3.7. Математическое моделирование выгрузки готового продукта                    
из измельчителя 
...................................................................................................... 93 
3.8. Рекомендации по выбору конструктивно-технологических                            
и энергосиловых параметров роторно-ударного измельчителя                              
для условий процесса дробления стальной сферической дроби                           
в условиях ООО «Завод стальной дроби» ........................................................... 94 
Выводы к разделу 3 
................................................................................................ 95 
 
РАЗДЕЛ 4. 
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА 
ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТАЛЬНОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ДРОБИ                                  
СТЕСНЕННЫМ УДАРОМ И ОБОСНОВАНИЕ 
ПАРАМЕТРОВ РОТОРНО-УДАРНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ............................... 97 
4.1. Экспериментальное исследование процесса раскалывания                      
единичной частицы дроби прямым стесненным ударом ................................... 97 
4.2. Экспериментальное исследование процесса раскалывания слоя дроби 
прямым стесненным ударом ................................................................................. 98 
4.3. Экспериментальное обоснование метода определения                                   
конструктивных параметров роторно-ударного измельчителя 
....................... 102 
Выводы к разделу 4 
.............................................................................................. 107 
 
Заключение 
............................................................................................................... 108 
 
Список литературы ................................................................................................. 110 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ А ................................................................................................... 119 
 
 
 
 
5 
 

 
ʑ˅ˈˇˈːˋˈ 
 
В настоящее время стальная колотая дробь получила широкое применение при очистке металла от ржавчины, окалины после термообработки, пригаров в литейном производстве, а также от других загрязнений и технологических 
дефектов, которые могут отрицательно сказаться на дальнейшей обработке изделий. На текущий момент в производстве стальной колотой дроби наибольшее 
распространение получили шаровые мельницы, которые в достаточной мере зарекомендовали себя с точки зрения надежности, простоты конструкции и безопасности труда. Однако данный вид мельниц обладает существенными недостатками. Так, наряду со значительной металлоемкостью и существенным износом мелющих тел и футеровки, большая часть энергии при работе шаровых 
мельниц расходуется нерационально, что подтверждается низким коэффициентом полезного действия (от 2 до 20 ). В то же время в процессе измельчения 
стальной дроби в данном типе измельчительных машин происходит переизмельчение продукта вследствие его многократного соударения в рабочей камере, что существенно повышает энергозатраты на производство и сказывается 
на фракционном составе готовой продукции. 
Большая часть исследований, направленных на изучение процесса измельчения стальной дроби, касаются его экспериментальных исследований, и в них 
не уделяется должного внимания имеющемуся техническому многообразию способов и средств, используемых для дробления и измельчения различных материалов. 
Таким образом, необходимость разработки способа разрушения материалов прямым стесненным ударом, обоснования конструктивно-технологических 
параметров роторно-ударного измельчителя для производства стальной колотой дроби с целью повышения производительности и энергоэффективности процесса является актуальной задачей, которая имеет важное научно-техническое 
и практическое значение. 
 
 
6 
 

 
ʟ ʏ ʖ ʓ ʔ ʚ  1 
 
ʠʝʑʟʔʛʔʜʜʝʔʠʝʠʡʝʮʜʗʔʑʝʞʟʝʠʏʞʟʝʗʖʑʝʓʠʡʑʏ
ʙʟʢʒʚʝʘ ʗʝʠʡʟʝʢʒʝʚʫʜʝʘʠʡʏʚʫʜʝʘʓʟʝʐʗǤ 
ʡʔʝʟʔʡʗʦʔʠʙʗʔʝʠʜʝʑʪʞʟʝʥʔʠʠʝʑʓʟʝʐʚʔʜʗʮ 
 
 
ͳǤͳǤ ʝ˔ˑ˄ˈːːˑ˔˕ˋ˒˓ˋˏˈːˈːˋˢ 
 ˃˄˓˃ˊˋ˅ːˑˌˑ˚ˋ˔˕ˍˋˋˊˇˈˎˋˌ 
 ˅˒˓ˑˏ˞˛ˎˈːːˑ˔˕ˋ, ˓˃ˊːˑ˅ˋˇːˑ˔˕ˋ ˔˕˃ˎ˟ːˑˌˇ˓ˑ˄ˋ 
 
Начиная с развития промышленных технологий и по настоящее время, 
весьма актуальной остается задача качественной и быстрой очистки поверхностей разнообразных металлических изделий от окалины, образовавшейся в результате термической обработки, остатков литниковых систем и пригаров после 
литья, коррозии, а также иных дефектов, оказывающих весьма негативное влияние при последующей обработке деталей и ухудшающих их внешний вид и 
полезные свойства. 
Изначально в 20-х годах XIX века использовалась технология пескоструйной очистки изделий, где в качестве активной абразивной среды выступал обычный речной песок [1]. Основным негативным фактором при этом является увеличенная концентрация оксида кремния воздушной среды в рабочей зоне, что 
служит причиной силикоза, как одного из серьезных профессиональных заболеваний на производстве [2]. 
В связи с этим, начиная с 30-х годов XX века, была предложена технология, где вместо речного песка в качестве абразива может выступать металлическая дробь, например, изготовленная из чугуна, методом распыления расплавленного металла в водную среду [3]. К основным преимуществам такого абразива относятся: 
– постоянство физических и химических свойств (твердость, фракционный состав и прочее); 
– повышенное число циклов работы (до 10); 
– значительное снижение концентрации пыли в рабочей зоне; 
– безвредность для оператора дробеструйной установки; 
– широкая область применения (от деталей небольших габаритов и веса 
до деталей, характеризующихся повышенными габаритными размерами и тоннажем). 
С дальнейшим развитием технологий существенным образом возросли и 
требования, предъявляемые к металлическим материалам применимым в качестве абразивов, что вызвало необходимость замены чугунной дроби на стальную дробь. В первую очередь, это было вызвано тем, что сталь характеризуется 
7 
 

 
сравнительно более прочной структурой, и тем самым обеспечивается расширенный диапазон изменения физико-механических свойств дроби, а, следовательно, и сфера ее применения. 
В настоящее время в качестве технологической очистки изделий стальной 
дробью выступает дробеметная и дробеструйная обработка, позволяющая производить очистку деталей имеющих значительное разнообразие, как форм, так 
и размеров (см. рисунок 1.1). 
 
  
 
 
 
Рисунок 1.1 – Примеры качества поверхности изделий 
до и после дробеструйной обработки 
 
При этом изделие помещается в рабочую зону дробеструйной машины, 
где посредством дробеметной турбины обрабатывается кучным потоком стальной дроби, массовая доля которой может варьироваться в диапазоне от 60 до 
1200 кг/мин. Повышенная интенсивность воздействия на материал и высокая 
производительность обеспечивают эффективное выполнение обработки металлопроката, сварных швов и конструкций, отливок, штамповок, кованых и иных 
изделий от ржавчины, окалины, заусенцев, песка и т. д. 
С учетом размеров и способов подачи деталей на обработку могут применяться и разнообразные варианты дробеметных устройств, начиная от достаточно простых конструкций с фиксированным или поворотным столом до установок 
8 
 

 
с элементами частичной или полной автоматизации, в том числе с числовым 
программным управлением, а также снабженных промышленным роботизированным комплексом или манипулятором в условиях крупносерийного производства, например, для автомобильных компонентов, а также установок рольгангового типа, применяемых для удобства очистки металлоконструкций. 
Основным эффектом, обеспечиваемым дробеструйным воздействием является зачистка и некоторая защита от коррозионно-механических и усталостных дефектов и повреждений, которые имеют место на поверхностях металлических изделий. При этом известно, что появление, развитие и распространение 
трещин существенно ограничивается вплоть до полного их исчезновения в зоне 
действия сжимающих напряжений, чему благоприятствует тот факт, что каждая 
отдельная частица дроби обладает наклепывающим действием, когда при ударе на поверхности детали возникают незначительные углубления, перекрывающиеся при деформации металла поверхностного слоя [4]. 
Под такой поверхностью материал обрабатываемой детали стремится вернуть свое исходное состояние, в результате чего под наклепанной дробью полусферой обработанного металла образуется сжатый слой. Возникающие в результате дробеструйной обработки частично или полностью перекрывающиеся 
углубления формируют на поверхности материала равномерную структуру, существенно увеличивающую прочность и надежность отдельных деталей, а, следовательно, и всего собранного из них узлов, механизмов и машин в целом. 
При этом механические и эксплуатационные свойства обрабатываемых изделий 
достигают более высоких показателей. 
Основным приоритетом использования стальной дроби является то, что 
ее эксплуатационная стойкость, например, при разгоне в дробеметной турбине, 
вращающейся с частотой около 6900 об./мин, оказывается в 2,5…3 раза выше, 
по сравнению с чугунной дробью. Разрушающееся за один час работы дробеметного аппарата количество стальной дроби снижается с 23,0 до 9,5 кг при сокращении продолжительности очистки от 9 до 6 мин по сравнению с чугунной 
дробью [5]. 
С учетом практических наработок работы различных производств установлено, что применение в качестве абразива стальной дроби по сравнению с чугунной сокращает общую трудоемкость до 40 . Кроме этого стальная дробь 
обеспечивает равномерное изнашивание лопастей дробеметных турбин, что позволяет повысить срок их службы от 10 до 15 раз. При этом расход стальной 
дроби в результате ее изнашивания и раскалывающего разрушения составляет 
0,5…1 кг/час на одну дробеметную машину, тогда как для чугунной дроби эта 
величина достигает 5…7 кг/час [6]. 
К основополагающим показателям, характеризующим качество стальной 
дроби относятся ее износостойкость (определяемая прочностными испытаниями) и интенсивность обработки, т. е. величина воздействия дроби на обрабатываемую поверхность. С точки зрения экономичности наиболее лучшими абразивными свойствами обладает дробь, позволяющая максимально дольше по времени обрабатывать поверхность материала с наибольшей эффективностью до полного ее разрушения. 
9 
 

 
Для определения количественных показателей износостойкости дроби 
в лабораторных условиях заводов стальной дроби широкое распространение 
получило выявление ее долговечности в Эрвин-тестере (см. рисунок 1.2) [7], 
представляющего собой устройство, имитирующее процесс обработки дробью 
в реальном производстве, который оснащен счетчиком циклов ударного воздействия дроби на обрабатываемый материал [8]. 
 
 
 
а) 
б) 
Рисунок 1.2 – Аппаратура определения износостойкости дроби: 
а – машина Straube лаборатории Алчевского завода стальной дроби; 
б – Эрвин-машина (США) 
 
Анализ исследований различных видов стальной литой дроби показал, 
что ее износостойкость колеблется в пределах от 2500 до 5000 циклов, при этом 
полученные результаты в существенной мере зависят от величины фракции исследуемой дроби, определяемой методом ситового анализа [9]. 
В качестве выявления интенсивности воздействия выступает эффект обработки дробью участка поверхности на основании Almen-тестирования. Для 
этого стандартная измерительная пластина Альмена из листовой стали помещается в специальное зажимное устройство, где обрабатывается дробью с фиксацией количества циклов воздействия. После этого происходит ее извлечение с 
последующим замером изгиба на плоской поверхности специального стола, 
например, с помощью микрометра или специального приспособления. Выявленная величина изгиба, вызванная внутренними напряжениями под действием 
наклепа, характеризует интенсивность обработки [9]. 
Показатели износостойкости и интенсивности воздействия дроби главным образом характеризуются величиной твердости стальной дроби, которая 
в свою очередь зависит от химического состава стали, когда одним из существенных факторов выступает содержание C-углерода и термической обработки при изготовлении дроби. На сегодняшний день широкое применение нашла 
10