1. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

2. А. Ю. Гаврунов, В. С. Богданов
Ю. М. Фадин
ВИБРОВРАЩАТЕЛЬНАЯ МЕЛЬНИЦА
С ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
МЕЛЮЩИХ ТЕЛ
Монография
Белгород
2015

3. 2
УДК 621.928
ББК 34.7
Г12
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор Белгородского государственного нацио-
нального исследовательского университета (НИУ «БелГУ»)
Н. А. Пелипенко
Доктор технических наук, профессор Белгородского государственного техно-
логического университета им. В.Г. Шухова
И. В. Шрубченко
Генеральный директор ООО «Боникс», кандидат технических наук
Н. С. Богданов
Гаврунов, А. Ю.
Г12 Вибровращательная мельница с продольно-поперечным
движением мелющих тел: монография / А. Ю. Гаврунов,
В. С. Богданов, Ю. М. Фадин. – Белгород: Изд-во БГТУ,
2015. – 132 с.
ISBN 978-5-361-00350-1
В монографии описаны основные представители ряда вибрацион-
ных мельниц, рассмотрены основные направления развития техники и
технологии вибрационного измельчения, проведено исследование про-
цесса измельчения в вибровращательной мельнице с продольно-попе-
речным движением мелющих тел, описаны результаты исследования.
Монография предназначена для специалистов промышленности
строительных материалов и студентов строительных специальностей.
Данное издание публикуется в авторской редакции.
УДК 621.928
ББК 34.7
© Гаврунов А. Ю., Богданов В. С.,
Фадин Ю. М., 2015
ISBN 978-5-361-00350-1 © Белгородский государственный
технологический университет
(БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2015

4. 3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................5
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ
ВИБРАЦИОННОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ.....................................................7
1.1. Анализ конструкций вибрационных мельниц.............................9
1.1.1. Вибрационная мельница Робинсона ....................................9
1.1.2. Вибрационная мельница РВМ............................................10
1.1.3. Двухкамерная мельница Palla.............................................12
1.1.4. Вибрационная мельница VKE............................................13
1.1.5. Вертикальная мельница МВВ ............................................15
1.1.6. Вибровращательная мельница ТГТУ.................................16
1.1.7. Наклонная вибрационная мельница...................................18
1.1.8. Вибрационная вращательная мельница.............................19
1.1.9. Вибрационная мельница Vibra-Drum.................................20
1.2. Основные направления совершенствования технологии
вибрационного измельчения..............................................................21
1.3. Методики расчета конструктивно-технологических и
энергетических параметров мельниц ................................................24
1.4. Предлагаемая конструкция мельницы .......................................29
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА И
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИБРОВРАЩАТЕЛЬНОЙ МЕЛЬНИЦЫ........33
2.1. Механика движения мелющих тел .............................................36
2.1.1. Механико-геометрические свойства помольной камеры 36
2.1.2. Вращательная составляющая процесса измельчения.......46
2.1.3. Вибрационная составляющая процесса измельчения ......48
2.2. Мощность, затрачиваемая на движение мелющих тел.............55
2.3. Тепловой эффект процесса измельчения ...................................60
2.4. Кинетика измельчения в вибровращательной мельнице..........63

5. 4
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ................................................................69
3.1. Цели и структура эксперимента..................................................69
3.2. Симуляция движения мелющих тел внутри помольной
камеры..................................................................................................71
3.3. Описание экспериментальной установки и измерительного
оборудования.......................................................................................75
3.4. Свойства измельчаемого материала и его подготовка .............80
3.5. Определение характеристик готового продукта .......................81
3.6. Определение производительности установки ...........................82
3.7. Определение удельного энергопотребления установкой .........83
3.8. Методология планирования эксперимента................................84
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ...................................................................................89
4.1. Исследование зависимости удельного энергопотребления от
основных параметров установки .......................................................90
4.2. Исследование зависимости удельной поверхности продукта
измельчения от основных параметров установки............................96
4.3. Исследование зависимости производительности от основных
параметров установки.......................................................................102
4.4. Определение рационального режима работы мельницы........107
4.5. Исследование гранулометрического состава продукта
измельчения.......................................................................................111
4.6. Сравнение теоретического и экспериментального
исследований.....................................................................................114
4.7. Методика расчета конструктивно-технологических параметров
вибровращательной мельницы ........................................................115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................119
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................................121

6. 5
ВВЕДЕНИЕ
Промышленность строительных материалов оказывает огромное
влияние на уровень внутреннего валового продукта страны, поэтому
научные исследования в области механического оборудования, работа-
ющего в этой отрасли, направленны на создание новых и совершенство-
вание существующих машин и являются актуальными. Тонкое и сверх-
тонкое измельчение в строительной отрасли один из самых энергоемких
процессов, поэтому повышение эффективности и снижение энергопо-
требления машин для измельчения является целесообразным.
Вибрационное измельчение является одним из самых энергоэф-
фективных способов измельчения, которому свойственны небольшие
размеры агрегатов, сравнительно малая металлоемкость, высокая энер-
гонапряженность среды измельчения. Вибрационные мельницы явля-
ются основным оборудованием такого типа и представляют собой ряд
машин рабочим процессом которых, является разрушение частиц из-
мельчаемого материала, происходящее в результате колебательного
движения рабочего органа. Движение мелющих тел изменяется в зави-
симости от конструктивных параметров мельниц, которые в разной сте-
пени обеспечивают высокую удельную производительность при срав-
нительно низком энергопотреблении, а также регулируемую тонину
продуктов измельчения [47].
В промышленности строительных материалов на основе вибраци-
онного измельчения разработаны многие технологические процессы
производства вяжущих без применения портландцемента, сухих строи-
тельных смесей, известковых вяжущих, компонентов керамики и
стекла, пигментов, полимерных материалов, а так же различных запол-
нителей. По сравнению с другими типами измельчителей, в частности с
классическими шаровыми барабанными мельницами, вибрационные
мельницы обладают рядом преимуществ [11,30,22].
Производство сухих строительных смесей является одним из
крупных сегментов промышленности строительных материалов и
накладывает высокие требования к качеству и основным характеристи-
кам смесей, которые зависят от характеристик используемых в смесях
компонентов. Заполнители занимают до 80% объема сухих строитель-
ных смесей, а наиболее распространенным и часто используемым за-
полнителем является кварцевый песок. От свойств заполнителя, таких
как гранулометрический состав, удельная поверхность, форма зерен во
многом зависит качество готовой строительной смеси [31].
В зависимости от требований к строительным смесям использу-
ются различные виды песка, которые различаются размером частиц и

7. 6
делятся на фракции. Наиболее востребованные фракции песка:
+0,160,315 мм; +0,3150,63 мм; +0,631,25 мм. В Европе мытый, вы-
сушенный и фракционированный песок производится на предприятиях
горной промышленности и транспортируется на заводы по производ-
ству строительных смесей. Отечественные производители песка не вы-
держивают показатели однородности по приготовлению песка, и как
следствие, производители смесей вынуждены обрабатывать сырье во
избежание нарушения технологического процесса [80]. Вибрационное
измельчение используется как один из способов обогащения песка, что
делает исследование процесса обоснованным [51].
Современным направлением повышения производительности
вибрационных мельниц и снижения их энергопотребления является со-
здание комбинированного воздействия всех основных механизмов раз-
рушения частиц на обрабатываемый материал с участием как можно
большего числа мелющих тел в процессе измельчения [91]. Создание
сложного пространственного движения мелющих тел, которое достига-
ется совмещением их колебательного, поступательного и вращатель-
ного движения во всех трех плоскостях призвано не только повысить
эффективность измельчения, но и улучшить однородность продукта из-
мельчения, а в случае измельчения многокомпонентной смеси материа-
лов – получить гомогенизированный продукт измельчения.
Монография опубликована в рамках задания на выполнение госу-
дарственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой ча-
сти государственного задания Минобрнауки России.

8. 7
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
И ТЕХНОЛОГИИ ВИБРАЦИОННОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
Первый патент на вибрационную мельницу был выдан И.С.
Фастингу в Германии в 1910 году, а начало промышленного использо-
вания вибрационных мельниц началось во второй половине тридцатых
годов XX века, когда на основе опыта проектирования вибрационных
грохотов были созданы вибрационные мельницы. Мельницы применя-
лись для тонкого измельчения небольших количеств дорогих материа-
лов. Первые исследования конструкций вибромельниц и их рабочих
процессов относится к тому же периоду времени. По мере исследования
этих машин область их применения непрерывно расширялась [96].
За несколько десятилетий второй половины ХХ века вибрацион-
ные мельницы были исследованы Г.Е. Роузом, А.Д. Лесиным, М.Л.
Моргулисом, Г.У. Ботом, И.И. Быховским, Г.И. Мэдером, К.Г. Мякише-
вым, Е.А. Непомнящим, П.Ф. Овчинниковым, А.А. Поспеловым, К.В.
Фроловым, и другими. Их исследования заключались в изучении влия-
ния параметров мельниц на процесс помола, выявлен характер измене-
ния дисперсных свойств материалов, энергетические затраты на помол,
износостойкость конструкций агрегатов и другие
[16,21,49,63,65,67,68,69,73,74,86,89,101,118,54].
В России промышленные вибрационные мельницы начали выпус-
кать с 1955 года Специальным конструкторским бюро Министерства
промышленности строительных материалов СССР, которым был создан
и выпущен широкий ряд вибрационных мельниц мощностью до 640 кВт
[96,55].
На сегодняшний день создано множество конструкций вибрацион-
ных мельниц, работающих в таких отраслях промышленности как стро-
ительная, химическая и другие, с разнообразными материалами. Не-
смотря на наличие классификаций вибрационных мельниц, приводи-
мых вышеупомянутыми авторами, единая комплексная классификация
отсутствует, что связано с большим разнообразием машин данного
типа.
На рис. 1.1 вибрационные мельницы разделены на типы по различ-
ным признакам:
В табл. 1.1 проиллюстрирована область применения вибрацион-
ных измельчителей в сравнении с другими типами машин для измель-
чения.

9. 8
В области тонкого и сверхтонкого измельчения вибрационные
мельницы имеют ряд важных преимуществ по сравнению с вращающи-
мися шаровыми барабанными мельницами такой же производительно-
сти [11,48]:
Рис. 1.1. Типы вибрационных мельниц
Таблица 1.1
Область применения вибрационных мельниц
Процесс Тонкий помол Сверхтонкий помол
Размер
частиц,
мкм
≤1000 ≥100 ≤100 ≥10 ≤10 ≥1 ≤1 ≥0,1
Типмельницы
Ударно-центробежные
Стержневые
Шаровые
Кольцевые
Коллоидные
Вибрационные (сухой помол)
Вибрационные (мокрый помол)
– возможность измельчения материалов с различными физико-меха-
ническими свойствами до частиц микронных и субмикронных раз-
меров;
– более высокие скорости измельчения и коэффициент полезного дей-
ствия;
– возможность плавного регулирования степени измельчения;
– меньшие размеры и металлоемкость;
Вибромельницы
Технология
Сухого
помола
Мокрого
помола
Режим
работы
Периподи-
ческого
действия
Непрерыв-
ного
действия
Конструкция
Тип
вибратора
Инерцион-
ный
Гирацион-
ный
Движение
мелющих тел
Круговое
Возвратно-
поступатель-
ное
Комбини-
рованное
Форма
камеры
Циллинд-
рическая
Призмати-
ческая
Тороидаль-
ная
Расположе-
ние камер
Горизонталь-
ное
Вертикаль-
ное
Наклонное
Число камер
Однокамер-
ные
Многокамер-
ные

10. 9
– более высокие показатели качества продуктов помола: однородно-
сти распределения частиц по размерам, содержания угловатых ча-
стиц, степени механической активации и других.
Вместе с этим вибрационные мельницы имеют ограниченную про-
изводительность; высокие удельные энергозатраты; дисперсность про-
дуктов измельчения зависит от крупности питания мельницы, которая в
свою очередь ограничена размером мелющих тел. Для вибрационных
мельниц характерен повышенный расход мелющих тел (0,7-1,3 кг/т) и
более низкая эксплуатационная надежность [118].
1.1. Анализ конструкций вибрационных мельниц
1.1.1. Вибрационная мельница Робинсона
Еще в 1952 году, автором патента США Р.С. Робинсоном была
предложена конструкция мельницы для помола твердых материалов с
помощью шаров или стрежней, направленная на повышение эффектив-
ности помола, а также на повышение критической скорости вращения
барабана. Материал эффективно распределяется внутри барабана,
предотвращая агломерацию частиц и налипание его на стенки барабана
[119].
Рис. 1.2. Схема вибрационной мельницы Робинсона:
1 – загрузочный желоб; 2 – цапфа; 3 – подшипниковый узел; 4 – помольная ка-
мера; 5 – уплотнение; 6 – привод; 7 – разгрузочный желоб; 8 – привод враще-
ния; 9 – опоры
На рис. 1.2 показана горизонтальная барабанная вибрационная ша-
ровая мельница непрерывного действия. Цилиндрическая помольная
камера 4, которая вращается вокруг горизонтальной оси с помощью

11. 10
привода 8, наполненная материалом, который проходит через пару пу-
стотелых цапф 2. Камера закреплена в паре подшипниковых узлов 3,
которые установлены на двух неподвижных вертикальных опорах 9, и
совершает колебательные движения с помощью привода 6. Внутри по-
мольной камеры установлены сита для отделения мелющих тел от ма-
териала. Загрузочный желоб 1, соединенный с полой цапфой 2, служит
для загрузки сырья. Разгрузочная цапфа 2 соединенная с механизмом
уплотнения 5, позволяет готовому материалу выходить из помольной
камеры 4 по разгрузочному желобу 7.
1.1.2. Вибрационная мельница РВМ
Вибрационная мельница, разработанная на ООО «Опытный завод
со специальным бюро» (г. Москва), «РВМ-45» предназначена для тон-
кого измельчения различных сыпучих материалов. Разработан ряд мо-
дификаций мельницы для периодического и непрерывного измельчения
в ручном и автоматическом режиме для широкого круга материалов, в
том числе теплочувствительных - при температуре не более 50-70°С,
высокой абразивности. Заявлено, что вибромельница «РВМ-45» обла-
дает высокой удельной производительностью и малой материалоемко-
стью, что позволяет получить высокий экономический эффект измель-
чения [79].
Рис. 1.3. Мельница вибрационная «РВМ-45»:
1 – привод; 2 – муфта; 3 – помольная камера; 4 – рама; 5 – пружина

12. 11
Мельница (рис. 1.3) состоит из горизонтальной помольной камеры
3, опирающейся на упругие элементы 5, установленные на неподвиж-
ной раме 4. Привод мельницы 1 представляет собой вал электродвига-
теля, соединенный через эластичную муфту 2 с дебалансным валом, ко-
торый концентрически установлен внутри помольной камеры. При вра-
щении дебалансного вала, помольная камера приводится в колебатель-
ное движение по траектории, близкой к круговой. Движение от стенок
камеры передается мелющим телам, в зонах контакта которых происхо-
дит обработка материала.
В табл. 1.2 приведены технические характеристики ряда модифи-
каций мельницы «РВМ».
Классические вибромельницы инерционного типа, в который вхо-
дят мельницы «РВМ», имеют ряд общих недостатков: при размещении
виброприводов внутри помольных камер движение мелющих тел ока-
зывается затруднено, снижается эффективность работы вследствие
ограниченной циркуляции мелющих тел, повышается удельный расход
энергии и увеличивается износ деталей машины; наличие в помольной
камере большого числа мелющих тел затрудняет непрерывный и рав-
номерный вывод готового
продукта из зоны измельчения [23].
Таблица 1.2
Технические характеристики мельниц «РВМ»
Основные показатели
Тип мельницы
РВМ-11 РВМ-18 РВМ-30 РВМ-45 РВМ-55 РВМ-75
Объем помольной ка-
меры, м3 0.1 0.2 0.2 0.4 0.4 0.43
Частота колебаний, с-1
25 25 25 25 25 25
Мощность двигателя,
кВт
11 18 30 45 55 75
Производительность,
т/ч
0.1 0.2 0.3 0.7 2.0 1.1
Масса мельницы с дви-
гателем и обрабатыва-
ющими телами, т
1.5 1.6 1.6 3.0 3.5 4.6
Габа-
риты, м
длина
ширина
высота
1.6 1.6 1.6 2.1 2.3 3.0
0.7 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
1.4 1.4 1.4 1.5 1.8 1.4

13. 12
1.1.3. Двухкамерная мельница Palla
Двухкамерные вибрационные мельницы «Palla» немецкой компа-
нии «MBE Coal & Minerals Technology» имеют широкий спектр приме-
нения периодическим или непрерывным способом. Питание мельницы
осуществляется материалом крупностью до 15 мм, а максимальная тон-
кость помола 10 мкм, при использовании воздушной классификации - 3
мкм. Производительность мельниц «Palla» достигает 20 т/ч для 160 раз-
личных материалов от мягких до твердых. Мельницы «Palla» могут
быть использованы для влажных и сухих материалов, работая как гомо-
генизатор и активатор. Подходят для измельчения таких материалов как
уголь, кокс и других органических материалов, которые склонны к вос-
пламенению [115].
Рис. 1.4. Вибрационная мельница «Palla VM» (а) и поперечный разрез
мельницы (б): 1 – помольная камера; 2 – вибропривод; 3 – пружины; 4 – непо-
движная рама; 5 – фундамент
В табл. 1.3 представлены технические характеристики модельного
ряда мельниц «Palla».
Таблица 1.3
Технические характеристики мельниц «Palla»
Тип
Диаметр Длина Производит.
Мощность
сух. мокр.
мм мм кг/ч кВт кВт
VM 200 300/600 0.1-150 1,9 -
20U 200 1249 20-500 5,5 -
35U 350 2306 50-3000 22 -
50U 500 3400 200-10000 75 90
65U 650 4525 400-20000 160 200

14. 13
Помольные камеры, расположенные одна над другой, являются та-
кой конструкции, затрудняя работу с мельницей и обслуживание камер
при непрерывном помоле. Кроме того, измельчение в данной мельнице
идет наиболее эффективно при заполнении барабана материалом и ме-
лющими телами на 55% от полного внутреннего объема камер, т.е. не-
достаточно полно используется рабочий объем.
На рис. 1.4 показан общий вид мельницы «Palla VM», которая
представляет собой две жестко связанные между собой горизонтальные
цилиндрические помольные камеры 1, с расположенными между ними
вибровозбудителями 2, все вместе представляет собой подвижную
часть, которая установлена на неподвижной раме 4 на упругих элемен-
тах 3 и виброизолированном фундаменте 5. Узел вибровозбудителя
представляет собой короткий дебалансный вал, установленный в под-
шипниках качения, закрытый металлическим корпусом. Вибровозбуди-
тели соединены промежуточным валом через крестовины, а крутящий
момент подается от электродвигателя установленного отдельно. По-
мольные камеры имеют сменные торцевые днища, которые позволяют
конфигурировать загрузочные и выгрузочные патрубки в соответствии
с интересующей схемой работы камер.
1.1.4. Вибрационная мельница VKE
Компания «Microgrinding Systems Inc.» (США) спроектировала
вибрационную мельницу, эффективно использующую кинетическую
энергию корпуса для измельчения материалов. Мельница «VKE 1040»
предназначена для малых производств с низкими требованиями к про-
изводительности в пределах 130 кг/час и оснащена электромотором
мощностью 1,8 кВт.
Мельница способна измельчать материал до 0,3 мкм с примене-
нием настраиваемой системы классификации, с использованием воз-
душного классификатора. Изнашивающиеся части футеровки могут
быть сделаны из резины, уретана, стали или нержавеющей стали. Мель-
ница может работать как в сухом, так и в мокром режиме. Вес мельницы
540 кг [116].
Конструкция вибромельницы данного типа представляет собой
установленную в упругих опорах 1 помольную камеру 6, опоры окру-
жают корпус помольной камеры во всех направлениях. На помольной
камере в нижней ее части установлен вибровозбудитель 5, представля-
ющий собой отдельный агрегат. Загрузка и выгрузка материала осу-
ществляется через торцевые днища 2 помольной камеры по предусмот-
ренным патрубкам 3.

15. 14
Принцип действия заключается в аккумулировании упругими эле-
ментами части потенциальной энергии и передачи ее мелющим телам,
повышая энергоэффективность измельчения, и традиционно снижают
усилия, передаваемые на фундамент.
Опыт эксплуатации вибрационных мельниц «VKE» показывает,
что для наибольшей эффективности процесса измельчения, центр вра-
щения всего объема мелющих тел должен совпадать с центром масс
объема мелющих тел. При смещении вибровозбудителя вниз от помоль-
ной камеры положение центра вращения объема мелющих тел и центра
масс подвижной части мельницы совпадают, что влечет за собой дви-
жение мелющих тел по эллиптическим траекториям. Это, по мнению
исследователей фирмы «Microgrinding Systems Inc.», способствует по-
вышению интенсивности воздействия мелющих тел на измельчаемый
материал [59].
Рис. 1.5. Вибрационная мельница «VKE 1040»:
1 – пружины; 2 – торцевые днища; 3 – патрубок; 4 – рама; 5 – вибропривод; 6 –
помольная камера
Недостатки присущие данной конструкции являются общими для
мельниц с невращающейся помольной камерой, а именно ограниченное
перемещение материала внутри помольной камеры, нерациональное ис-
пользование объема камеры и т.п., и не умоляют достоинств оригиналь-
ной конструкции этого виброизмельчителя.

16. 15
1.1.5. Вертикальная мельница МВВ
Вибрационная мельница с вертикальным расположением помоль-
ной камеры «МВВ», предлагаемая компанией ООО «Вибротехцентр-
КТ» (г. Москва), предназначена для тонкого измельчения хрупких ма-
териалов крупностью не более 5 мм в непрерывном режиме [78].
На рис. 1.6 показан общий вид мельницы «МВВ», которая состоит
из помольной камеры 2, разделенной на ряд взаимозаменяемых рабочих
секций, и привода 3. Приводом служит двухвальный вибровозбудитель,
сообщающий мельнице направленные вертикальные колебания.
В табл. 1.4 представлены технические характеристики модельного
ряда мельниц «МВВ».
Рис. 1.6. Вертикальная мельница «МВВ»: 1 – загрузочный люк; 2 – по-
мольная камера; 3 – вибропривод; 4 – пружины; 5 – рама; 6 – разгрузочный
люк
Сверху расположено загрузочное устройство 1, которое позволяет
загружать материал в мельницу, который равномерно распределяется
по всей площади поперечного сечения помольной камеры. Помольная
камера установлена через упругие элементы 4 на фундаментной раме 5.

17. 16
Готовый продукт выходит из мельницы через выгрузочное устрой-
ство 6.
Таблица 1.4
Технические характеристики мельниц «МВВ»
Характеристика МВВ-0,3 МВВ-0,6
Пропускная способность, м3
/ч 0,3-0,5 1,8...2,0
Внутренний диаметр рабочего органа, мм 300 600
Высота рабочего органа, мм 1670 1655
Частота колебаний двигателя, Гц 24 24
Мощность, кВт 15х2 22x2
Габаритные размеры, мм - -
длина 1290 1800
ширина 1850 2120
высота 2310 2160
Масса мелющих тел, кг 300 1200
Масса мельницы с мелющими телами, кг 1835 3500
Недостатками рассмотренной конструкции вибрационной мель-
ницы являются слишком быстрое прохождение материала под дей-
ствием силы тяжести через помольную камеру, что приводит к непол-
ному и неравномерному измельчению. Кроме этого, для реализации
процесса необходимо разделять помольную камеру несколькими пере-
городками для того, чтобы обеспечить дополнительную передачу энер-
гии от перегородок вглубь к мелющим телам, в результате, поверхность,
сообщающая импульсы шарам, ограничивается торцевой поверхностью
помольной камеры и торцевыми перегородками [17].
1.1.6. Вибровращательная мельница ТГТУ
Примером конструкции, в которой повышается интенсивность
движения шаровой загрузки является вибровращательная шаровая
мельница для тонкого измельчения материалов, созданная в Тамбов-
ском государственном технологическом университете. Для осуществле-
ния непрерывного процесса вибрационного измельчения мельница вы-
полнена со специальным узлом загрузки, обеспечивающим непрерыв-
ное заполнение помольной камеры измельчаемым материалом. [84].
Вибровращательная шаровая мельница ТГТУ (рис.1.7) представ-
ляет собой цилиндрический барабан 5, вращающийся с помощью спе-
циальной муфты 2 от двигателя 1. При вращении барабана шары пере-
катываются, поднимаются на определенную высоту за счет сил трения

18. 17
и падают, таким образом измельчая материал между шарами и корпу-
сом помольный барабан установлен в подшипниковых опорах 3 и 6 на
подвижную плиту 9, которая получает с помощью пружин 10 силовое
воздействие от плоскостного вибратора 11, представляющего собой
двигатель с двумя дебалансными валами. Барабан 5 разделен вертикаль-
ными перфорированными перегородками на помольные камеры, в каж-
дой из которых находятся измельчаемый материал с мелющими телами
различного размера.
Барабан имеет внешний люк для загрузки мелющих шаров до оп-
тимальной степени заполнения цилиндра (в данном случае 0,8). За-
грузка исходного материала производится с помощью загрузочной во-
ронки 7. Подача сырья происходит выше оси барабана через входное
отверстие в торцевой крышке 8. Барабан имеет перфорированный уча-
сток 4, через который осуществляется вывод готового продукта.
Рис. 1.7. Вибровращательная мельница ТГТУ:
1 – привод; 2 – муфта; 3,6 – подшипниковый узел; 4 – перфорированное
кольцо; 5 – помольная камера; 7 – загрузочный желоб; 8 – крышка; 9 – по-
движная рама; 10 – пружины; 11 – вибропривод
В вибровращательной мельнице ТГТУ в значительной степени
устраняются застойные зоны в помольной камере в результате более
равномерного распределения измельчаемого материала по всему объ-
ему барабана, а также эффективно используется рабочий объем помоль-
ной камеры. При этом недостатками здесь являются усложненная кон-
струкция загрузочного узла, которая не обеспечивает высокой гермети-
зации при измельчении, которая делает невозможным использование

19. 18
мокрого измельчения, измельчения в газовой среде, и измельчение
взрывоопасных материалов.
1.1.7. Наклонная вибрационная мельница
Изобретение было предложено Н.Г. Картавым и другими в 1986 г.
в СССР [82].
На рис. 1.8 показана конструктивная схема мельницы с наклонной
помольной камерой видом сбоку, а также разрез А-А. Помольная труба
1 с вибровозбудителем 2 опираются на раму 3 посредством пружин 4.
Вибровозбудитель дебалансного типа 2 приводиться во вращение дви-
гателем 5 через муфту 6. Наклонно установленная труба 1 с перфориро-
ванной нижней перегородкой 7 заполнена на 70-80% объема мелющими
телами 8. Внутри трубы 1 установлен пластинчатый скребок 9 в виде
прямоугольной лопасти. Скребок 9 может вращаться вокруг централь-
ной оси 10 в подшипниках, образованных его ступицей 11 и цапфами 12
опорной оси 13, прикрепленными к верхней крышке 14 и перегородке 7
трубы.
Рис. 1.8. Схема наклонной вибромельницы:
1 – помольная камера; 2 – вибропривод; 3 – рама; 4 – пружины; 5 – привод; 6 –
муфта; 7 – нижняя крышка; мелющие тела; 9 – скребок; 10 – ось; 11 – ступица;
12 – цапфа; 13 – опорная ось; 14 – верхняя крышка
В процессе работы под действием круговой вибрации загружае-
мый в трубу материал и мелющие тела находятся в виброциркуляцион-
ном движении, обеспечивающем перемешивание мелющих тел и раз-
мол материала. Измельченные частицы ссыпаются через отверстия в пе-

20. 19
регородке 7. В случае переработки влажного или налипающего матери-
ала, налипшие комья счищаются скребками, которые медленно враща-
ются вокруг оси 10 под давлением загрузки, при совместном их вибра-
ционном движении. Тем самым повышается эффективность перера-
ботки налипающих материалов и снижаются затраты на предваритель-
ную сушку влажных материалов.
Наклонная форма помольной камеры данной мельницы, отличаю-
щая ее от других конструкций, позволяет ускорить прохождение мате-
риала через измельчитель. Но присутствующие недостатки конкретной
схемы, такие как скребковый механизм и способ придания помольной
камере колебательного движения, дают предпосылки для дальнейшего
усовершенствования.
1.1.8. Вибрационная вращательная мельница
Особый интерес для данного исследования представляет кон-
струкция вибрационной вращательной мельницы предложенная С.В.
Лялюком и другими в 1995 г., схема которой изображена на рис. 1.9,
которая устроена следующим образом. [83].
Рис. 1.9. Схема вращательной мельницы: 1 – помольная камера; 2 – под-
шипники; 3 – дебаланс; 4 – опора; 5 – пружины; 6 – рама; 7 – противовес; 8 –
грузы; 9 – загрузочный люк; 10 – разгрузочный люк
Камера помола 1 вибрационной мельницы установлена свободно,
через посадочные подшипники 2 на дебалансном валу 3, который в

21. 20
свою очередь через подшипниковые опоры вращения 4 и пружины 5
опирается на раму 6. На вертикальной оси камеры помола 1, противо-
положно центру тяжести загрузки, относительно оси вращения камеры
помола 1 устанавливают противовес 7, масса которого может изме-
няться за счет установки или снятия наборных дисков 8. Загрузка и раз-
грузка камеры помола мелющими телами и измельчаемым материалом
осуществляется через загрузочный 9 и разгрузочный 10 люки. Враще-
ние дебалансного вала 3 осуществляется двигателем 11 через муфту 12.
Вибрационная мельница работает в нескольких вибрационных режи-
мах: со свободным вращением камеры помола 1 и без вращения - режим
выгрузки.
Среди недостатков горизонтальных вибромельниц, которые уже
упоминались в этой главе, можно отметить отсутствие принудитель-
ного привода вращения у данной конструкции. Разбалансированность
конструкции возникает при использовании материалов с различными
физическими свойствами. Так же низкая эффективность измельчения,
может объясняться малой кинетической энергией шаров, которая зави-
сит от частоты колебаний камеры и также ограничивается скоростью
вращения помольной камеры.
1.1.9. Вибрационная мельница Vibra-Drum
Мельницы «Vibra-Drum» которые предлагает компания «General
Kinematics» (Англия) достигают экономии энергии в 35-50% благодаря
более эффективному вращательному движению материала, чем в тради-
ционных шаровых или вращательных мельницах, а так же имея надеж-
ную конструкцию без колес и приводов [110].
Мельница «Vibra-Drum», изображенная на рис. 1.10, представляет
собой цилиндрическую помольную камеру 5, с обеих сторон ограничен-
ную перфорированными торцевыми сетками, которая установлена на
упругих элементах (пружинах). Источником вибрации является двух-
массный вибратор 2, установленный на подвижной раме 3. Помольная
камера 5 опирается на упругие элементы 4 установленные на подвиж-
ной раме 3. Благодаря системе пружин 1 и 4, которая связывает подвиж-
ную раму и помольную камеру, энергия для измельчения попеременно
накапливается и передается помольной камере. Такой способ организа-
ции движения приводит мелющие теля в движение, мельница требует
меньшее количество энергии на поддержание их в «кипящем» состоя-
нии. Загрузка и выгрузка материала осуществляется через загрузочный
6 и выгрузочный 7 фланцы на корпусе помольной камеры.

22. 21
Из недостатков рассматриваемой конструкции следует отметить
большое отношение длины помольной камеры к ее диаметру, что гово-
рит о длительном нахождении материала в помольной камере, тем са-
мым снижая ее производительность; так же высокую металлоемкость
всего агрегата, которая предопределятся большой колеблющейся мас-
сой.
Рис. 1.10. Вибромельница «Vibra-Drum»: 1,4 – пружины; 2 – вибропри-
вод; 3 – подвижная рама; 5 – помольная камера; 6 – загрузочный люк; 7 – раз-
грузочный люк; 8 – фундамент
1.2. Основные направления совершенствования технологии
вибрационного измельчения
Современная вибрационная мельница, как представитель отдель-
ного класса машин, представляет собой конструкцию, с одной или не-
сколькими помольными камерами, заполненными мелющими телами и
измельчаемым материалом, установленными на упругих опорах. По-
мольные камеры приводятся в движение виброприводом, вызывая ко-
лебания мелющих тел, измельчающих материал.
Эффективность исследуемого класса машин определяется механи-
ческими свойствами измельчаемого материала, частотой и амплитудой
колебаний помольной камеры, размерами, геометрической формой и

23. 22
твердостью мелющих тел, объемом помольной камеры, степенью за-
полнения ее мелющими телами и измельчаемым материалом, способом
удаления измельчаемого материала из помольной камеры, а также ме-
ханикой движения в ней мелющих тел [87,29].
Тонкое механическое измельчение материалов, его количествен-
ные и качественные характеристики всегда зависят от типа измельчи-
теля, потому что для различных типов материалов инженеры рекомен-
дуют использовать различные типы измельчителей. Задача совершен-
ствования технологии вибрационного измельчения должна быть осно-
вана на правильном выборе материала пригодного для измельчения в
данном типе машин.
Совершенствование вибрационных машин для измельчения ве-
дется в направлении снижения их энергоемкости и повышения произ-
водительности.
А.Д. Лесин рекомендует использование таких механизмов разру-
шения, при которых в измельчаемом материале формируется сложное
напряженное состояние с упругими деформациями сжатия, растяжения,
изгиба и сдвига [56].
Основными параметрами для оптимизации вибрационных измель-
чителей автор Н.Ф. Еремин считает амплитуду и частоту колебаний по-
мольной камеры, а также траекторию движения мелющей загрузки
внутри помольной камеры. Мелющая загрузка создает комплексное
воздействие на материал раздавливанием, ударом, изломом и истира-
нием [35].
Исследования академика П.А. Ребиндера свидетельствуют, что ра-
циональными условиями для измельчения являются такие, при которых
материал подвергается многократному воздействию относительно не-
больших ударных усилий, разрушающих структуру частицы, причём
частота воздействий должна быть достаточно высокой для исключения
восстановления образующихся трещин. Этот принцип, который лежит
в основе вибрационного измельчения должен совершенствоваться [88].
П.А. Ребиндер также установил, что энергию разрушения при из-
мельчении можно понизить введением в измельчаемый продукт допол-
нительные активные вещества. Поверхностно-активные вещества ока-
зывают на процесс измельчения существенное влияние, проникая в
микроскопические дефекты, в результате уменьшая свободную энергию
вещества, которая в свою очередь зависит от концентрации поверх-
ностно-активного вещества [85,90].
Еще одним направлением совершенствования процесса вибраци-
онного измельчения может быть интенсификация вводом дополнитель-

24. 23
ного тепла. По мнению Ю.А. Веригина, тепловые потоки создают до-
полнительные колебания системы и разрушают межатомные связи, тем
самым облегчая процесс разрушения материала. Для различных мате-
риалов эффективность может быть больше как при повышении темпе-
ратуры измельчения, так и при ее понижении [25].
Экспериментальные исследования показали, что для каждого ма-
териала при измельчении, в соответствии с его крупностью соответ-
ствует определенный режим скоростей, определенный фракционный
состав мелющих тел. Другими словами, процесс измельчения оптими-
зируется подбором рациональных значений этих факторов [36].
В технологии вибрационного измельчения по мнению автора И.И.
Быховского существует определенный ряд проблем для исследования:
– изучение процессов генерирования механических колебаний;
– исследование динамики вибрационных мельниц;
– исследование свойств различных сред, на которые воздействуют ра-
бочие органы вибрационных мельниц;
– изучение взаимодействия рабочих органов вибрационных мельниц
со средой (силовое взаимодействие);
– изучение энергетического баланса, циркуляции потоков энергии и
характера ее диссипации в системе, зависимости поведения вибра-
ционных мельниц от свойств источника энергии;
– поиск, разработка, исследование методов и систем автоматизации
работы, самонастройки, программирования, контроля качества ра-
боты;
– установление рациональных режимов работы, исследование устой-
чивости этих режимов, поиск путей повышения стабильности ра-
боты;
– снижение вредного воздействия вибрационного и ударного эффекта
вибрационных мельницы;
– различные конструкторские проблемы [20].
Безусловно современным направлением совершенствования про-
цесса вибрационного измельчения является улучшение механики дви-
жения мелющих тел внутри помольной камеры. Принцип совмещения
различных конструктивных признаков для усложнения характера дви-
жения мелющих тел и более полного вовлечения их в процесс помола,
использованный В.С. Богдановым при разработке шаровой барабанной
мельницы, применим к вибрационному измельчению. Сложное цирку-
ляционное движение мелющих тел и измельчаемого материла в помоль-
ной камере призвано интенсифицировать и улучшить помол
[14,6,96,93,44].

25. 24
Существует ряд исследований на эту тему для вибрационных
мельниц различных конструкций, представленные работами В.А. Бала-
яна [8], А.Д. Бардовского [10,9,66], Ю.В. Дмитрака [33,7], Н.Г. Карта-
вого [41,39,38,40], Б.П. Красовского [46], А.Д. Лесина [56,50,52], М.Л.
Моргулиса [64], П.Ф. Овчинникова [75,76,77], В.П. Франчука
[4,99,100], в которых исследовалось создание различных моделей дви-
жения мелющих тел.
Исследования в области вибрационного измельчения показывают,
что совершенствование технологии идет по следующим направлениям:
интенсификация движения мелющих тел; разработка внутримельнич-
ных устройств; разработка эффективной футеровки; оптимизация про-
цесса охлаждением/нагреванием; также с помощью ввода эффективных
поверхностно-активных веществ; рационализация замкнутого или дис-
кретного способов с применением дополнительного оборудования.
1.3. Методики расчета конструктивно-технологических
и энергетических параметров мельниц
Процесс тонкого и сверхтонкого измельчения материалов весьма
энергоемкий. Расход энергии на измельчение зависит от многих факто-
ров: физико-механических свойств материала, характера воздействия
на материал, конструктивно-технологических особенностей мельницы
и других. Для рационального проектирования вибрационных измельчи-
телей важно знать кинетические закономерности, позволяющие прогно-
зировать дисперсность продуктов измельчения в зависимости от энер-
гозатрат [61,107]. Законченной теории измельчения не существует, по-
этому исследования в области кинетики измельчения продолжаются по
различным направлениям.
Первое направление, основу которого составляют энергетические
законы разрушения Риттенгера, Кирпичева-Кика, Бонда, Ребиндера,
Гарднера и другие, связывает энергозатраты на измельчение со средним
размером частиц измельчаемого материала [2,57].
В теории разрушения академика П.А. Ребиндера приводится пол-
ная энергия разрушения одного зерна измельчаемого материала, кото-
рая складывается из суммы энергий, затрачиваемой на деформацию
этого зерна и образование новых поверхностей [96]:
Эп = Эдеф + Эпов = Кдеф 𝑉 + Кдеф∆𝑆,
где V – объем разрушенного зерна, м3
; ΔS – прирост поверхности, м2
;
Kдеф, Кпов – коэффициенты, учитывающие свойства материала при из-
мельчении.
(1.1)

26. 25
При измельчении материалов энергия, затрачиваемая на деформа-
цию зерна, невелика, следовательно имеем выражение, известное как
закон Риттингера:
Эп = Кдеф∆𝑆.
Исследуя процессы измельчения в вибрационной мельнице, В.Г.
Тюпиков вывел уравнение измельчения, которое описывает производи-
тельность мельницы Q исходя из свойств измельчаемого материала с
заданной удельной поверхностью S, которая пропорциональна произве-
дению мощности N, передаваемой измельчаемому материалу, на коэф-
фициент размалываемости Kр [96]:
Q~К 𝑝 𝑁.
В процессе измельчения удельная энергия измельчения будет
равна [96]:
Эуд =
𝜎пр
2
2𝐸𝑆𝛾
(𝑆1 − 𝑆0),
где σ – разрушающее напряжение, Н/м2
; Е – модуль упругости матери-
ала, МПа; S1 – удельная поверхность готового продукта, м2
/кг; S0 –
начальная удельная поверхность, м2
/кг; γ – удельный вес измельчаемого
материала, Н/м3
.
Но, так как часть энергии затрачивается на деформацию и разру-
шение рабочих поверхностей мелющих тел и помольной камеры, дей-
ствительная энергия измельчения будет определяться эмпирическим
коэффициентом размалываемости Kр. При переизмельчении материа-
лов энергия измельчения значительно увеличивается, вследствие увели-
чения предела прочности частиц при уменьшении их размеров, которое
может быть скорректировано коэффициентом прочности β.
Зависимость затрат энергии от удельной поверхности измельчае-
мого материала:
Эизм =
1
𝐾𝑝
(𝑆1 − 𝑆0) (1 + 𝛽𝑆1 +
𝛽2
3
𝑆1
2
).
Энергонапряженность характеризует интенсивность процесса из-
мельчения независимо от способа передачи энергии измельчаемому ма-
териалу. Зависимость удельной поверхности от энергонарпяженности,
которая показывает какую энергонапряженность нужно обеспечить для
достижения соответствующей удельной поверхности материала [96]:
𝑁𝐺 ≈ 𝑆4
.
В вибрационных мельницах максимальная энергонапряженность
измельчения наблюдается возле колеблющихся поверхностей, и опре-
деляется глубиной проникновения колебаний в загрузку, в свою оче-
редь определяя рациональную форму помольной камеры.
(1.2)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.3)

27. 26
Глубина проникновения колебаний, при которой мелющие тела
колеблются с амплитудой помольной камеры, выражается:
𝛿 = √2𝑣/𝜔,
где ω – угловая частота колебаний камеры, рад/с; v – эквивалентная
кинематическая вязкость загрузки, м2
/с, по соотношению:
𝑣 =
8𝑁3
2
𝑆к
2 𝐴4
𝜔5
𝜌2 ,
где Sк – поверхность помольной камеры, сообщающая движение мелю-
щим телам, м2
; A – амплитуда колебаний помольной камеры, м; ρ –
насыпная плотность мелющих тел, кг/м3
; Nз – мощность, сообщаемая
загрузке, Вт.
Имеем минимальное расстояние между корпусом помольной ка-
меры и корпусом вибратора, расположенным внутри помольной ка-
меры:
hmin = R − √εx
2 + εy
2 + r,
где R – внутренний радиус корпуса помольной камеры, м; εx, εy – экс-
центриситет горизонтальных осей помольной камеры и вибратора, м; r
– радиус корпуса вибратора, м.
Из этого выражения можно сделать вывод, что размер слоя за-
грузки hmin должен быть равен 2δ, а форма помольных камер обеспечи-
вать тонкий слой мелющих тел, увеличивая энергонапряженность.
К второму направлению относятся работы А. Гриффитса, А.М. За-
густина, А. Фаренвальда и других, в которых исследуются закономер-
ности разрушения единичных частиц и дисперсные характеристики об-
разующихся при этом осколков [43,37].
Третье направление составляют работы В.В. Товарова, Г.С. Хода-
кова, Е.А. Непомнящего, В.Е. Мизонова, А.Д. Лесина и других, в кото-
рых установленные опытным путем особенности кинетических кривых
обосновываются положениями физики разрушения [24,103,60]. Кинети-
ческие зависимости, полученные в рамках третьего направления, в ос-
новном, имеют экспоненциальный характер.
Так В.В. Товаровым предложена зависимость [2]:
𝑅(𝑡) = 𝑅0 𝑒𝑥𝑝 (− (
𝑡
𝑡0
)
𝑚
) ,
где R0, R(t) – содержание крупной фракции продукта измельчения,
например, R008, в начальный момент времени и момент времени t; m, t0
– эмпирические постоянные.
Кинетическая зависимость, полученная Г.С. Ходаковым [103],
имеет вид:
(1.7)
(1.8)
(1.9)
(1.10)

28. 27
𝑆(𝑡) = 𝑆пр + (𝑆0 − 𝑆пр)𝑒−𝑎𝑡
где 𝑆0, 𝑆(𝑡) – удельные поверхности измельчаемого материала, м2
/кг;
𝑆пр – предельное значение этой поверхности, м2
/кг; а – постоянная ве-
личина.
На основе рассмотрения процесса измельчения как случайного
марковского процесса, Е.А. Непомнящий вывел зависимости [69]:
𝑑ср(𝑡) = 𝑑ср(𝑡0)𝑒𝑥𝑝 (−
𝜆
3
(𝑡 −
𝛽𝑡2
2
)),
𝑆(𝑡) = 𝑆0 𝑒𝑥𝑝 (
𝜆
3
(𝑡 −
𝛽𝑡2
2
)) ,
где 𝜆, 𝛽 – эмпирические постоянные величины.
Для одновременно протекающих процессов измельчения и аггре-
гирования частиц при помоле материалов А.Д. Лесин предложил урав-
нение:
𝑑𝑅
𝑑𝑡
= −𝑅𝐾р 𝑑 +
(1 − 𝑅)𝐾𝑎
𝑑
,
где R(d,t) – остаток частиц с размером больше d, %; Кр, Ка – коэффици-
енты размалываемости и аггрегируемости.
Решение уравнения (1.5) имеет вид:
𝑅(𝑑, 𝑡) = 𝑅(𝑑) + (𝑅0 − 𝑅кр(𝑑))𝑒𝑥𝑝 (− (𝐾р 𝑑 +
𝐾𝑎
𝑑
) э) ,
где R(d) – предельное значение функции R, определяемое выражением:
𝑅 =
1
(
𝐾𝑝 𝑑2
𝐾𝑎
+ 1)
.
Также, при создании вибрационных мельниц рассматривается ско-
рость циркуляции загрузки, которая представлена выражением:
vцз = Kцv = KцАω,
где v – скорость движения корпуса, м/с; Kц – коэффициент передачи
движения, пропорциональный коэффициенту трения мелющих тел:
Kц=КтрfтрАω3
где, в свою очередь, fтр – коэффициент трения измельчаемого матери-
ала; Ктр – коэффициент пропорциональности.
Мощность, потребляемая мельницей, по методике А.Д. Лесина,
представляет собой мощность, затрачиваемую на движение загрузки,
мощность, теряемую в вибраторе и в электродвигателе [53]:
𝑁 = 𝑁з + 𝑁в + 𝑁пд = (2 − 𝜂)(𝑁з + 𝑁в),
где Nз – мощность, расходуемая на движение загрузки:
(1.11)
(1.13)
(1.15)
(1.12)
(1.16)
(1.17)
(1.14)
(1.18)
(1.19)

29. 28
𝑁з = 𝑁0 𝐾
𝑄𝜇
1 + 𝑄2(1 + 𝜇)2
,
где Nв – мощность, теряемая в вибраторе:
𝑁в =
𝑀в 𝜔3
𝑑𝑓
2 ∙ 107
,
где Мв – момент вибратора, Нм; f – эмпирический коэффициент потерь
в вибраторе; d – диаметр внутреннего кольца подшипника качения, м.
Для распространенного на практике случая движения помольной
камеры по плоской траектории формула вычисления мощности пред-
ставляется в виде:
𝑁ср =
𝐺
𝑔
𝜔3
𝐴ср
2
𝐾𝜑,
где G –вес колеблющихся частей, который представляет собой сумму
весов помольной камеры, брони в камере, мелющих тел и подшипнико-
вого узла, Н; Аср – амплитуда колебаний, м:
𝐴ср = √
𝐴2𝑥
2
+ 𝐴2𝑦
2
2
.
Мощность, сообщаемая загрузке:
𝑁з =
1
2
𝑚1 𝜔3
𝐴1𝑥
2
,
где А1x – амплитуда смещения центра массы в направлении оси x,
м; ω – угловая частота помольных камер, рад/с.
Пропускная способность горизонтальных вибрационных мельниц
в зависимости от величины давления в измельчаемом материале под-
считывается по формуле [52]:
𝑄пр = 𝛾ℎ
𝐴𝜔2
𝑔
𝑓(𝑄, 𝑃),
где h - высота столба измельчаемого материала, м; g - ускорение сво-
бодного падения, м/с2
; f(Q,Р) = 0,5÷1,0 - функция, зависящая от реоло-
гических характеристик загрузки Р и Q.
Пропускную способность наклонных вибрационных мельниц
можно выразить по следующей формуле [8]:
𝑄пр = 𝑣𝑔𝐷𝑘
2
𝑑ш
2
sin 𝛼 𝑓(𝛼, 𝜆, 𝜉, 𝜂),
где v - коэффициент, зависящий от свойств измельчаемого материала,
его гранулометрического состава и режимов работы мельницы; dш - диа-
метр мелющих тел, м; f(α,η,λ,ξ) - безразмерные функции конструктив-
ных параметров мельницы, экспериментально установленные автором.
(1.21)
(1.24)
(1.26)
(1.22)
(1.23)
(1.20)
(1.25)

30. 29
В.А. Бауман предполагал распространение пневматических упру-
гих элементов, в которых заключен сжатый воздух, окруженные рези-
нокордной оболочкой, легко меняющей свою форму и обладающей зна-
чительной прочностью и выносливостью [11].
1.4. Предлагаемая конструкция мельницы
Для решения задачи повышения качества помола и производи-
тельности вибрационного измельчения и в соответствии с проведенным
анализом существующих конструкций вибрационных мельниц для по-
мола сыпучих материалов была предложена новая конструкция вибра-
ционной мельницы, в которой реализован принцип продольно-попереч-
ного движения мелющих тел.
Рис. 1.11. Общий вид вибровращательной мельницы:
1 – привод; 2 – мелющие тела; 3 – загрузочный люк; 4 – помольная камера; 5 –
подшипниковая опора; 6 – подвижная рама; 7 – неподвижная рама; 8 – вибро-
привод; 9 – пружины

31. 30
Конструкция мельницы была защищена патентом РФ на полезную
модель №105199 от 21.12.2011 г. [81]. Поставленная техническая задача
решается тем, что в вибрационной мельнице, камера помола с мелю-
щими телами, установлена в подшипниковых опорах на подвижной
раме с возможностью вращения вокруг своей оси. Помольная камера
выполнена в форме наклонного цилиндра и установлена под углом к го-
ризонтальной поверхности подвижной рамы, с закрепленными на ней
виброприводом, на неподвижной раме.
Камера помола свободно установлена в подшипниковых опорах,
что позволяет ей с помощью привода вращаться вокруг своей оси. Угол
наклона боковой поверхности цилиндра помольной камеры к горизон-
тальной поверхности подвижной рамы должен быть больше или равен
углу естественного откоса смеси мелющих тел и измельчаемого мате-
риала, но меньше 45°, что было выявлено опытным путем. Если же угол
наклона равен 45° или больше, происходит дополнительный расход
мощности из-за увеличения динамических нагрузок на опоры помоль-
ной камеры. Совмещение колебательного и вращательного движения
помольной камеры позволяет увеличить энергию, передаваемую мелю-
щим телам, что интенсифицирует их движение и увеличивает произво-
дительность мельницы. Таким образом, наклонная помольной камера
вибровращательной мельницы создает синергизм различных способов
измельчения, обеспечивающий наиболее благоприятные условия для
тонкого и сверхтонкого измельчения материалов.
Конструкция (рис. 1.11) представляет собой подвижную раму 6, на
которой установлена в подшипниковых опорах 5 с возможностью вра-
щения вокруг горизонтальной оси камера помола 4, заполненная мелю-
щими телами 2, и привод вращения помольной камеры 1. Камера по-
мола 4 выполнена в форме наклонного цилиндра, торцевые поверхности
которого перпендикулярны оси ее вращения, а его боковая цилиндриче-
ская поверхность установлена под углом к горизонтальной поверхности
подвижной рамы 6. В помольной камере предусмотрен загрузочный
люк 3. Помольная камера вращается вокруг своей оси с помощью при-
вода 1. Также на подвижной раме 6 закреплен вибропривод 8. Подвиж-
ная рама 6 опирается на неподвижную раму 7 через упругие элементы 9.
Вибровращательная мельница работает следующим образом. Че-
рез загрузочный люк 3 в помольную камеру 4 загружают мелющие тела
2. Исходный материал через загрузочный люк 3 засыпается в помоль-
ную камеру 4 под действием вибрации. В загрузочный люк 3 устанав-
ливается сетка, крышка завинчивается. Вибропривод 8 создает направ-
ленные колебания помольной камеры в вертикальном направлении, од-
новременно с этим, привод 1 вращает помольную камеру. Мелющие

32. 31
тела 2 оказывают на измельчаемый материал ударное и истирающее
действие, идет непрерывное перемешивание материала за счет криво-
линейной траектории движения мелющих тел по образующей помоль-
ной камеры 4. Через определенное опытным путем время мельница
останавливается. Далее, через разгрузочный люк 3 под действием виб-
рации готовый материал выгружается из помольной камеры 4 по присо-
единяемому патрубку. Вибровращательная мельница работает в перио-
дическом режиме, длительность циклов определяется временем на за-
грузку-выгрузку, тонкостью готового продукта, типом измельчаемого
материала.
Рис. 1.12. Схема движения мелющих тел в помольной камере:
a. - наклонная; b. – традиционная; 1 – вертикальная плоскость симметрии; 2 –
корпус; 3 – движение мелющих тел вверх; 4 – движение мелющих тел вниз
Согласно рабочей гипотезе данной работы наклонная помольная
камера обеспечивает сложное возвратно-поступательное движение ме-
лющих тел в продольном направлении, наряду с их традиционным ко-
лебательным движением и движением по круговой траектории. Пред-
полагаемая схема движения мелющих тел изображена на рис. 1.12, на
котором изображены наклонная и традиционная помольные камеры, а
приближенные траектории движения мелющих тел показаны стрел-
ками.
Данная вибровращательная мельница предназначена для:
– измельчения материалов с размером частиц от 50 мкм до 2 мм:

33. 32
– наполнителей (кварцевый песок, доломит, мрамор, тальк, трепел);
– материалов порошковой металлургии (металлургических шлаков);
– материалов химической отрасли (неорганических солей, пигментов)
– материалов, применяемых в косметической и фармацевтической от-
раслях;
– гомогенизации нескольких компонентов одновременным перемеши-
ванием:
– компонентов сухих строительных смесей;
– компонентов керамики различного назначения (строительной, высо-
ковольтной, конструкционной, огнеупорной, магнитной);
– компонентов стекольной шихты;
– компонентов производства электродов;
– компонентов смесей для торкретирования;
– механической активации материалов:
– активации цемента (получения тонкомолотых цементов);
– цементосодержащих вяжущих низкой водопотребности;
– получение бесцементных вяжущих.
Преимущества новой вибровращательной мельницы следующие:
высокая удельная производительность; возможность использовать для
сухого или мокрого измельчения; низкий расход энергии; герметич-
ность помольной камеры; высокая однородность готового продукта;
возможность измельчения многокомпонентных смесей; минимальное
время измельчения.

34. 33
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА
И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИБРОВРАЩАТЕЛЬНОЙ
МЕЛЬНИЦЫ
В исследуемой мельнице применяется центробежное возбуждение
колебаний. В частности, вертикальные возвратно-поступательные коле-
бания помольной камеры возбуждаются проекцией центробежной силы
на ось OY:
𝐹𝑦 = 𝑀ст 𝜔2
cos 𝜔𝑡 ,
где Мст=mdrd – статический момент вибровозбудителя, Нм; md – масса
дебаланса, кг; rd – эксцентриситет дебаланса, м; ω=2πn – угловая ча-
стота вращения дебаланса, рад/с; n – число оборотов дебаланса,
мин-1
.
Дебалансный вибровозбудитель лабораторной мельницы имеет
следующие характеристики: Md=2,6-5,1 кг·см; md=1,7 кг; n=3000 м-1
;
ω=314 рад/с; rd=0,095 м; Fd=Mdω2
=2,5-5 кН; Nном=0,25 кВт.
Помольная камера заполняется «загрузкой» – смесью мелющих
тел (стальных шаров) с измельчаемым материалом. К факторам, опре-
деляющим рабочий процесс мельницы, относится коэффициент запол-
нения помольной камеры мелющими телами:
𝜑 =
𝑉з
𝑉пк
.
Также отношение объема измельчаемого материала к суммарному
объему мелющих тел:
𝑢 =
𝑉м
𝑉ш
.
Объемная доля шаров (коэффициент разрыхленности) при их
плотной упаковке составляет µ=0,575 и практически не зависит от их
размера [56].
Насыпная плотность мелющих тел составляет 4400 кг/м3
, а насып-
ная плотность смеси мелющих тел и материала при измельчении песка,
клинкера и другого минерального сырья равна 5000 кг/м3
.
Загрузка помольной камеры имеет двойственную природу. При
невысоких степенях заполнения (φ≈0,25-0,4) характерных для шаровых
барабанных мельниц, ее целесообразно рассматривать как совокуп-
ность мелющих тел и зерен измельчаемого материала, движущихся по
детерменированным законам. При высоких степенях заполнения
(φ≈0,7-0,9), применяемых в вибрационных мельницах, более адекватно
(2.1)
(2.2)
(2.3)

35. 34
описание «загрузки», как псевдоожжиженной сыпучей смеси, обладаю-
щей вязко-упругими свойствами [56,104,27].
В рассматриваемой мельнице смесь мелющих тел и материала
приводится в движение вибрацией и вращением помольной камеры. Ко-
лебания корпуса помольной камеры передаются ближайшему слою ме-
лющих тел, а затем в виде затухающих упруго-вязких волн проникают
внутрь загрузки. В зависимости от частоты и амплитуды колебаний воз-
можны различные режимы взаимодействия смеси со стенками помоль-
ной камеры:
– безотрывное взаимодействие, при котором масса смеси присоединя-
ется к массе подвижных частей мельницы и совершает с ней сов-
местные колебания;
– частично-отрывное взаимодействие;
– ударное взаимодействие, при котором значительная часть смеси от-
рывается от стенок помольной камеры;
– при предельном заполнении помольной камеры (φ≥0,9) возможен
режим стесненного удара, при котором вся смесь перемещается как
единое целое, ее перемешивание и измельчение материала практи-
чески прекращается.
В результате относительного движения мелющих тел в зонах их
соударения между собой и со стенками помольной камеры в частицах
измельчаемого материала возникают высокие механические напряже-
ния, приводящие к их разрушению.
Измельчение в вибрационных мельницах происходит при невысо-
ких средних напряжениях (ускорение мелющих тел не превышает 2-3g),
поэтому в ударно-истирающем воздействии на измельчаемый материал,
характерном для вибрационной вращательной мельницы, преобладает
истирание – абразивный износ зерен материала, мелющих тел и внут-
ренних поверхностей помольной камеры [3].
Режим этого воздействия, состоящий в многократном повторении
относительно небольших усилий, прикладываемых к материалу с боль-
шой частотой, является наиболее эффективным, так как приводит к по-
явлению трещин, дефектов структуры частиц и их усталостному разру-
шению. При этом частицы материала преимущественно находятся во
взвешенном (псевдоожжиженном) состоянии, что затрудняет их агреги-
рование.
Рабочий процесс вибровращательного измельчения характери-
зуют следующие технологические параметры:
– дисперсные характеристики продуктов измельчения;
– производительность мельницы, т.е. выход продукта измельчения в
единицу времени, кг/ч или т/ч;