Обоснование кинематических, силовых и конструктивных параметров валковой дробилки-измельчителя для дезинтеграции отходов композиционных материалов : научное издание
Библиографическое описание:Обоснование кинематических, силовых и конструктивных параметров валковой дробилки-измельчителя для дезинтеграции отходов композиционных материалов : научное издание / Ю. И. Гордеев, А. А. Букин, П. В. Тимошев [и др.]. - Текст : непосредственный // Сибирский аэрокосмический журнал. - 2025. - Т. 26, № 3. - С. 432-447. - ISSN 2712-8970, DOI 10.31772/2712-8970-2025-26-3-432-447.
Аннотация:The relevance of the work is explained by the significant problems of the modern aerospace industry, mechanical engineering, energy, mining, processing and other industries in the disposal of waste products made of composite materials and products based on composites of various functional purposes (carbon fiber, fiberglass, metal-ceramic and cast glass reinforced). The aim of the work is to increase the efficiency of processes for obtaining micron fractions of composite materials waste through the use of an upgraded roller crusher-shredder design. Computational and experimental studies have substantiated the possibility of increasing the efficiency of waste recycling of composite materials due to their gradual (step-by-step) disintegration. Based on analytical calculations and finite element analysis methods, a kinematic scheme, layout and design of an upgraded prefabricated roller crusher-shredder with working bodies (discs) in the form of an equiaxed contour - a Relo triangle - have been developed. The new design implements a more complex system of forces (compression, friction, alternating cyclic loads) compared to analogues, which makes it possible to increase the speed and productivity of the crushing process. The process of cutting the material using the “rotating scissors” mechanism is implemented between adjacent counter knives of the PK profile, which also contributes to more intensive grinding of the material (especially when processing lamellar or long fragments of waste). The original location and inconsistency of the contact points of the oncoming profiles, the gap between the discs during their rotation creates a rolling effect due to the reciprocating movement of the crushed material, which reduces the risk of jamming and increases the throughput of the grinding rolls and the intensity of the disintegration processes. In order to determine the best performance in terms of the size of the working bodies of the crusher, the gap between them when grinding materials with different sizes and properties, kinematic models were created to simulate the grinding processes and conduct a numerical experiment using finite element analysis methods. It is shown that due to the effective combination of various fracture mechanisms (abrasion, crushing, cutting, alternating loads), the intensity of deformation processes and specific loads on the material increases, but the stresses on the working surfaces of the crusher vary in the range of 430-580 MPa, the safety margin of the working bodies increases to 0.43-0.65, which is a prerequisite for increasing the service life of the workers. grinding elements. The results of calculations using new methods and kinematic schemes show that the design of the upgraded prefabricated roller crusher with working bodies in the form of a Relo triangle has an increased resultant speed (by 30 %) and productivity is almost 2 times higher than the prototype with cylindrical rolls (with the same or comparable sizes of working bodies, kinematic parameters in terms of rotation speed and drive power). Design and technological preparation was carried out and a prototype of the installation for experimental studies was made, which confirmed a good agreement between the calculated and experimental data on the size of the gap, the speed and productivity of the crushing and crushing process.
Актуальность работы объясняется существенными проблемами современной аэрокосмической промышленности, машиностроения, энергетики, горнодобывающей, перерабатывающей и других отраслей при утилизации отходов изделий из композиционных материалов и изделий на основе композитов различного функционального назначения (углепластиков, стеклопластиков, металлокерамических и литых дисперсноупрочненных). Цель работы - повышение эффективности процессов получения микронных фракций отходов композиционных материалов за счет применения модернизированной конструкции валковой дробилки-измельчителя. Расчетными и экспериментальными исследованиями обоснованы возможности повышения эффективности переработки отходов изделий из композиционных материалов за счет их постепенной (поэтапной) дезинтеграции. На основании аналитических расчетов и методами конечно-элементного анализа разработаны кинематическая схема, компоновка и конструктивное исполнение модернизированной сборной валковой дробилки-измельчителя с рабочими органами (дисками) в форме равноосного контура - треугольника Рело. В новой конструкции реализуется более сложная по сравнению с аналогами система сил (сжатия, трения, знакопеременных циклических нагрузок), позволяющая повысить скорость и производительность процесса дробления - измельчения. Между соседними встречными ножами РК-профиля реализуется процесс резания материала по механизму «вращающихся ножниц», что также способствует более интенсивному измельчению материала (особенно при обработке пластинчатых или длинных фрагментов отходов). Оригинальное расположение и непостоянство точек контакта встречных профилей, щелевого зазора между дисками при их вращении создаёт эффект перекатывания за счет возвратно-поступательного перемещения измельчаемого материала, что снижает риск заклинивания и увеличивает пропускную способность размольных валков и интенсивность процессов дезинтеграции. Для определения лучших, с точки зрения производительности, размеров рабочих органов дробилки, щелевого зазора между ними при измельчении материалов с разными размерами и свойствами были созданы кинематические модели для симуляции процессов измельчения и проведения численного эксперимента методами конечно-элементного анализа. Показано, что за счет эффективного сочетания различных механизмов разрушения (истирание, раздавливание, резание, знакопеременные нагрузки) возрастают интенсивность деформационных процессов и удельные нагрузки на материал, но напряжения на рабочих поверхностях дробилки варьируются в диапазоне 430-580 МПа, запас прочности рабочих органов увеличивается до значений 0,43-0,65, что является предпосылкой увеличения срока эксплуатации рабочих размольных элементов. Результаты расчетов по новым методикам и кинематическим схемам показывают, что конструкция модернизированной сборной конструкции валковой дробилки с рабочими органами в форме треугольника Рело имеет увеличенную результирующую скорость (на 30 %) и производительность почти в 2 раза выше, чем прототип с цилиндрическими валками (при одинаковых или сопоставимых размерах рабочих органов, кинематических параметрах по частоте вращения и мощности привода). Проведена конструкторско-технологическая подготовка и изготовлен опытный образец установки для экспериментальных исследований, которые подтвердили хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных по величине щелевого зазора, скорости и производительности процесса дробления - измельчения.
