Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности технологических процессов дробления и конусных дробилок конечной стадии дробления 7
1.1. Назначение и особенности работы дробильно-сортировочного оборудования 7
1.2. Краткая характеристика технологического процесса многостадийного дробления 10
1.3. Классификация конусных дробилок 13
1.4. Конусные дробилки мелкого дробления 17
1.5. Методы и оборудование для гранулометрического анализа 21
1.6.Системы автоматического управления процессом дробления в конусных дробилках 25
1.7. Выводы и постановка задачи исследований 31
ГЛАВА 2. Конусная дробилка как объект автоматического регулирования гранулометрического состава продуктов дробления 34
2.1. Оценка эффективности процесса дробления нерудных строительных материалов и выбор критерия оптимизации 34
2.2. Статические характеристики процесса дробления 38
2.3. Динамические характеристики процесса дробления 42
2.4. Вероятностный анализ влияния прочности горной массы на критери эффективности процесса дробления 47
Выводы к главе 2 52
ГЛАВА 3. Структура и физическая реализация оптимальной САУ конусной дробилкой по критерию экономической эффективности 53
3.1. Определение оптимальной схемы дробления 53
3.2. Технологическая схема двухстадийного процесса дробления замкнутого цикла 56
3.3. Определение структуры САУ процессом двухстадийного дробления 59
3.4. Требования к первичной стадии дробления 62
3.5. Рабочие характеристики щековой дробилки при действии внешних возмущений 64
3.6. Статические характеристики щековой дробилки 70
3.7. Математическая модель щековой дробилки первичного дробления 74
3.8. Особенности автоматизации щековой дробилки 85
3.9. Измерители массы транспортируемого материала 86
Выводы к главе 3 91
ГЛАВА 4. Линейные системы регулированя щековой дробижи с управлением по входной производительности 93
4.1. Критерии оценки технологического процесса первичного дробления 93
4.2. Определение интегральных оценок 98
4.3. Законы регулирования производительности щековой дробилки 102
4.4. Линейные системы регулирования щековой дробилки с
управлением по входной производительности 105
4.5. Интегральный регулятор производительности 110
4.6. Введение форсирования в закон управления 116
4.7. Нормированная форма представления уравнений системы с введением форсирования 122
4.8. Система с подчиненным регулированием мощности 125
Выводы к главе 4 130
ГЛАВА 5. Разработка оптимальной системы автоматического управления процессом конечной стадии дробления в конусной дробилке 132
5.1. Задача оптимизации процесса дробления 132
5.2.Построение системы автоматической оптимизации при неконтролируемых возмущениях 134
5.3. Особенности контроля в системе оптимизации процесса дробления 138
5.4.Моделирование системы автоматической оптимизации процесса дробления в конусной дробилке 141
Выводы к главе 5 144
Основные выводы и результаты работы 145
Литература 147
- Краткая характеристика технологического процесса многостадийного дробления
- Оценка эффективности процесса дробления нерудных строительных материалов и выбор критерия оптимизации
- Определение оптимальной схемы дробления
- Критерии оценки технологического процесса первичного дробления
Введение к работе
Снижение затрат и повышение качества выпускаемой продукции путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующих технологий является одной из основных задач развития общественного производства. Современное строительное производство находится под жестким прессингом быстро меняющейся конъюнктуры рынка и требований заказчиков к ассортименту и качеству готовой продукции, вызывая необходимость повышения его гибкости, приспосабливаемости и степени управляемости.
Строительство дорог, мостов, аэродромных покрытий, объектов домостроения, при сооружении которых требуются различные смеси, предъявляет жесткие требования к качеству нерудных строительных материалов, значительную часть которых составляет щебень.
Полученные при добыче на карьерах куски горной массы, поступая на предприятия нерудных строительных материалов, подлежат дроблению с определенной степенью измельчения.
Основным потребителем высококачественного строительного щебня являются заводы железобетонных изделий, использующие его в качестве заполнителя для бетона. Увеличение выпуска высококачественного строительного щебня мелких фракций позволит осуществить оптимальный выбор зернового состава заполнителей для бетона с наименьшим объемом межзерновых пустот, что приведет к значительной экономии цемента. На горно-обогатительных фабриках и предприятиях нерудной промышленности для среднего и мелкого дробления широкое распространение получили конусные дробилки.
Одним из эффективных направлений увеличения выпуска высококачественного щебня мелких фракций является автоматическое регулирование режимов работы дробильных агрегатов, эксплуатируемых на конечных стадиях в технологических схемах многостадийного процесса дробления.
Исследования, связанные с вопросами совершенствования технологии и автоматизации технологических процессов дробления для получения заданного соотношения фракционированного щебня, показывают, что процессы измельчения каменных материалов, закономерности дробления и технологические параметры разных типов дробилок (производительность, размеры выходных отверстий, характеристики зернового состава и т.п.), принципы автоматизации отдельных машин и основного технологического оборудования разработаны достаточно хорошо.
Однако исследователи решали, в основном, задачи обеспечения стабильности заданного зернового состава одного класса крупности, контроль которого осуществляет электронный гранулометр, определяющий только один параметр (средний размер зерен крупнее или мельче заданного или заданный регулируемый размер к общему потоку материала); поддержания заданного соотношения мелких товарных фракций к крупным; получения максимальной производительности при производстве щебня трех фракций постоянного соотношения; получения для различных типов дробилок обобщенных зерновых характеристик; исследования вопросов локальной автоматизации дробильно-сортировочного оборудования. При этом большинство исследований относилось к переработке каменных материалов на отдельных агрегатах, а не группе механизмов, работающих в общем технологическом комплексе.
Требования к гранулометрическому составу производимого щебня и к цене на щебень различных фракций обусловили необходимость постановки и решения задачи автоматической оптимизации процесса дробления в конусной дробилке с учетом технико-экономических показателей ее работы.
Таким образом, режим работы конусной дробилки на заключительной стадии дробления, обеспечиваемый системой регулирования, является важнейшим фактором эффективной работы всего комплекса дробильно-сортировочного оборудования.
Краткая характеристика технологического процесса многостадийного дробления
Транспортное, гражданское и промышленное строительство, а также строительство гидротехнических сооружений, являются основными потребителями нерудных строительных материалов, значительную часть из которых составляет щебень.
Щебень изготовляют путем дробления твердых горных пород магматического (гранит, сиенит, габбро, базальты и т.п.), осадочного (известняки, доломиты, песчаники) и метаморфического (гнейсы, кварциты, мраморы) происхождения.
Полученные при взрыве (добыче) на карьерах куски горной массы имеют разную крупность, начиная от каменной пыли и кончая кусками размером до 1200 мм. В строительстве необходим щебень крупностью в десятки и более раз меньшей крупности исходного каменного материала и, к тому же, классифицированный по группам крупности (фракциям).
Таким образом, поступающее на предприятия нерудных строительных материалов сырье подлежит дроблению с определенной степенью измельчения и сортировке на требуемое количество фракций. Эту задачу призвано решать различное дробильно-сортировочное оборудование, объединенное, как правило, в определенную технологическую схему.
Условия работы дробильно-сортировочного оборудования (ДСО) определяются рядом факторов, обусловленных как свойствами исходного сырья, так и способом его обработки, состоянием оборудования, совершенством технологии и т.д. Рассмотрим основные факторы, влияющие на условия работы ДСО. Исходное сырье можно охарактеризовать структурно-геометрическими, физическими и механическими свойствами [2].
Одним из основных структурно-геометрических свойств исходного сырья является его зерновой или гранулометрический состав, определяющий количественное распределение частиц по их крупности. Зерновой состав исходного сырья существенно влияет на величину усилий дробления, степень проходимости материала через бункеры, а также, на степень заполнения рабочих (несущих) органов транспортирующих машин. Не менее важными структурно-геометрическими свойствами исходного сырья являются форма частиц материала и его пористость. С формой частиц связана технология обработки материала, проходимость его через сита грохотов и пропускные отверстия бункеров. Пористость оказывает значительное влияние на объемную массу материала, его прочность, морозостойкость и другие свойства.
К основным физическим свойствам исходного сырья следует отнести его объемную (насыпную) массу и влажность. Объемная масса и влажность сырья оказывают существенное влияние на производительность оборудования (дробилок, конвейеров, грохотов и др.)
Механические свойства исходного сырья в основном оцениваются прочностью, хрупкостью и абразивностыо. Прочность материала достигает 350 МПа и оказывает влияние на показатели работы и износ дробильных машин. Хрупкость материала из-за его разрушения на грохотах может привести к излишнему образованию «мелочи» в конечном продукте. Абразивность материала определяет износ рабочих органов ДСО.
Из всех приведенных выше свойств исходного сырья основными являются крупность и прочность материала, которые определяют режим работы ДСО.
Использование эффективных технологических приемов и способов переработки исходного сырья позволяет снизить влияние ряда свойств материала на качество дробления. Например, при наличии в исходном сырье мелких фракций предварительное грохочение позволяет избежать снижения производительности дробилки и излишних затрат энергии. В противном случае, мелкие фракции, распределяясь между кусками крупных камней, повысят упругость дробимой массы [1,2].
Большое влияние на условия работы ДСУ оказывают требования к качеству конечного продукта. Требования к щебню регламентированы соответствующими ГОСТами, определяющими разбивку по фракциям, предельно-допустимые инородные включения и пр., в зависимости от технологического назначения щебня. Так, для строительства автомобильных дорог с твердым покрытием должен использоваться щебень фракций: 0-5мм (отсев), 5-15мм, 15-25мм и 25-40мм (ГОСТ 9128-67). Соотношение этих фракций определяется рецептом, зависящим от требований к сооружаемой автомобильной трассе. Для строительства автодорог высокого класса требуется щебень, удовлетворяющий требованиям: прочность - не менее 120 МПа, содержание лещадных зерен - не более 15-20%, оптимальный зерновой состав.
За рубежом (Германия, Франция, Великобритания) для составления оптимального зернового состава выпускают шесть узких фракций, из которых легко составляется щебеночная смесь. Определение размера фракции производят рассевом на ситах с квадратными отверстиями, диагонали которых перпендикулярны сторонам обечаек. Выпускаются фракции: 2-5; 5-8; 8- 11,2; 11,2-16; 16-22,4; 22,4-31,5мм или 2-4; 4-8; 8-16; 16-22,4мм (дробные числа -результат пересчета дюймов в миллиметры) [17].
Основополагающей из вышеперечисленных требований - прочности, удовлетворяет щебень, произведенный из изверженных пород, распространенных в России. К сожалению, по другим показателям российский щебень не удовлетворяет требованиям международных стандартов. Максимальное число выпускаемых фракций - три: 5-Ю, 10-20, 20-40мм. Часто две первые фракции объединены в смесь 5-20мм. Отдельные строительные организации создают на территории заводов свои дробильно-сортировочные установки, на которых из щебня размером 5-40мм получают фракции 5-Ю (5-15), 10-15, 15-20 (15-25) и отсев 0-5мм, что требует излишних энергетических и финансовых затрат. Форма зерен щебня на этих установках по данным СоюздорНИИ не улучшается. Содержание лещадных зерен находится в пределах 30-35%, а во фракции 5-10мм достигает 55%. Границы фракций определяют на ситах с круглыми отверстиями, из чего следует, что одинаковый зерновой состав можно получить для материалов с разной формой зерен.
Оценка эффективности процесса дробления нерудных строительных материалов и выбор критерия оптимизации
Задачей автоматизации в ряде случаев является степень загрузки дробильно-сортировочных машин для получения максимальной производительности и в отдельных случаях - заданного гранулометрического состава продукта дробления [95].
Автоматическое регулирование достигается путем изменения разгрузочных отверстий у конусных дробилок. Автоматически управляемый привод имеет конусная дробилка мелкого дробления модели «Гидроконе» [95], изготавливаемая фирмой «##» по лицензии американской фирмы «Эллис-Чалмерс», и конусная дробилка «Хайдрокоун» типа 1051.
В Германии разработана система автоматизации на базе конусной дробилки «Гидроконе», имеющей регулируемое разгрузочное отверстие [97]. В основу разработки системы заложены факторы влияния на работу дробилки: твердость и вязкость материала, содержание влаги в загружаемом материале, зерновой состав загружаемого материала и требуемый зерновой состав готового продукта.
Фирма «Эллис-Чалмерс» (Милуоки, США) автоматизировала установку по производству щебня на базе конусной дробилки «Хайдрокоун-436» с автоматическим контролем и регулированием щели.
Основным потребителем высококачественного строительного щебня являются заводы железобетонных изделий, использующие его в качестве заполнителя для бетона. Увеличение выпуска высококачественного строительного щебня мелких фракций позволит осуществить оптимальный выбор зернового состава заполнителей для бетона с наименьшим объемом межзерновых пустот, что приведет к значительной экономии цемента.
На горнообогатительных фабриках и предприятиях нерудной промышленности для среднего и мелкого дробления широкое распространение получили конусные дробилки.
Одним из эффективных направлений увеличения выпуска высококачественного щебня мелких фракций является автоматическое регулирование режимов работы дробильных агрегатов, эксплуатируемых на конечных стадиях в технологических схемах многостадийного процесса дробления.
Многочисленными исследованиями процесса дробления абразивных высокопрочных пород в конусных дробилках установлено, что на гранулометрический состав продуктов дробления основное влияние оказывают изменения физико-механических свойств поступающей на дробление горной массы и износ футеровки дробящих конусов.
Для компенсации влияния возмущающих воздействий на гранулометрический состав дробленого щебня в последнее время разработаны и испытаны в промышленных условиях устройства дистанционного управления величиной разгрузочной щели дробилки. В настоящее время на предприятиях строительной индустрии используются опытные образцы модернизированных конусных дробилок с устройствами дистанционного изменения величины разгрузочной щели. Результаты проведенных работ являются основой для создания и внедрения систем автоматического управления процессом дробления в конусных дробилках и включения этих агрегатов в поточные линии с автоматическим регулированием режима их работы,
Исследования по проблеме автоматического управления процессом дробления в конусных дробилках были сосредоточены в основном на вопросах стабилизации запаса материала и соотношения мелких и крупных фракций на выходе дробилки.
Анализ проведенных исследований показывает, что несмотря на разнообразие рассмотренных выходных параметров, вопросы выбора критерия эффективности процесса дробления нерудных строительных материалов и математического описания конусной дробилки как объекта автоматического управления по выбранному критерию не получили достаточного отражения в литературе, продолжают оставаться актуальными и требуют изучения.
Требования к гранулометрическому составу производимого щебня и цены на щебень различных фракций обусловили необходимость постановки и решения задачи автоматической оптимизации процесса дробления в конусной дробилке с учетом технико-экономических показателей ее работы.
Анализ процессов многостадийного дробления показывает, что решение задачи его оптимизации по стоимостным показателям производства фракционированного щебня на заключительных стадиях его переработки предполагает: разработку структуры системы автоматического регулирования состава фракционированного щебня на выходе конусной дробилки; выбор критерия оптимизации процесса дробления; математическое описание конусной дробилки как объекта автоматического регулирования гранулометрического состава продуктов дробления по выбранному критерию оптимизации.
Определение оптимальной схемы дробления
Производительность передвижных дробильно-сортировочных установок, как правило, невелика и не превышает 20-25 м3/час.
В дорожном строительстве обычно используется щебень фракций 5-15, 15-25, 25-40 мм, получаемый путем дробления и сортировки товарного щебня крупностью 70-300 мм и прочностью 2000 кг/см и реже более. Поэтому, указанная крупность исходного сырья позволяет получать конечный продукт заданных фракций с помощью всего двух стадий дробления.
При применении одной стадии дробления в замкнутом цикле наиболее вероятна перегрузка дробилки при крупности исходного материала вблизи верхнего предела (около 300 мм), так как практически вся масса материала после первичного дробления и сортировки вновь будет направлена в дробилку. К тому же, при одной стадии дробления получить щебень стабильной крупности практически невозможно.
Применение трех стадий дробления не целесообразно, так как крупность и прочность исходного материала невелики. Поэтому, схема двухстадийного дробления замкнутого цикла на второй стадии с перепуском излишков крупных фракций на повторное дробление и отбором мелких фракций на хранение является наиболее рациональной и обеспечивает более эффективное регулирование соотношения щебня в бункерах. Так, например, при излишках крупной фракции и недостатке средней и мелкой все излишки крупной фракции через распределительный шибер будут направлены на дробилки, что вызовет увеличение средней и мелкой фракций.
Схема двухстадийного дробления замкнутого цикла с использованием на первичной стадии дробилок с различающимися характеристиками зернового состава, дает наиболее широкие возможности регулирования соотношения фракций дробленого щебня. Однако она рассчитана на достаточно высокие производительности, обладает существенно большими габаритами и сложной технологической схемой организации материального потока. Применение такой схемы дробления может быть оправдано только в случае частой смены рецептов и выбора их в достаточно широкой области определения. Для большинства бетоносмесительных установок, особенно передвижных, смена рецепта производится редко, область определения рецепта невелика и вполне может быть достигнута в схеме двухстадийного дробления с одной дробилкой на первичной стадии. К тому же для таких БСУ требования к массогабаритным показателям являются особенно жесткими, что также говорит в пользу такой схемы дробления.
Рациональность применения двухступенчатой схемы дробления замкнутого цикла подтверждена практически: по такой схеме эксплуатируются около 80% всех ДСУ. В зависимости от способа производства щебеночных материалов, часовой производительности смесителя и производительности ДСУ обосновывается выбор его типов и количества. Строительные организации, занимающиеся производством работ по аэродромным и дорожным покрытиям, как правило, оснащены серийными бетоносмесителями непрерывного действия СБ-109 и СБ-118 и асфальтосмесителями Д508-2А. Потребность в крупном заполнителе для производства 1 м3 строительной смеси зависит от рецепта и составляет 65-75% составляющих всех компонентов.
Заданная производительность ДСУ позволяет выбрать основное оборудование - первичные и вторичные дробилки. При непосредственной (прямой) подаче щебня после дробления к смесителю количество часов работы ДСУ - наименьшее, но часовая производительность будет наибольшей. Вторичные дробилки должны по производительности обеспечивать переработку материала, поступающего от первичного дробления и циркуляционной нагрузки, которая может достигать 400-450%). Размер исходного материала определяет выбор типа первичных дробилок, в качестве которых можно рекомендовать щековые, конусные и роторные. Такие же типы дробилок могут применяться и на вторичном дроблении.
Критерием выбора таких типов дробилок является резкое отличие по соотношению ФЩ характеристик зернового состава, обусловленное различными способами измельчения. Щековые дробилки имеют выпуклый характер наклона характеристик к оси х, конусные - более вогнутый, а роторные - значительную вогнутость к оси х. Особенностью конусных дробилок является меньший выход мелкого щебня по сравнению со щековыми при дроблении твердых пород. При минимальных разгрузочных отверстиях конусная дробилка дает щебня размером 0-5 мм 8%, а щековая -24%. Поэтому, для рецептов с малым количеством мелкого щебня (до 15-20%) при работе только щековых дробилок появится необходимость удаления отходов, что приведет к излишним расходам материала, электроэнергии и нехватке среднего и крупного щебня. В свою очередь, для получения значительного количества мелкого щебня (песчаные смеси), роторная дробилка в определенных режимах работы обеспечивает щебнем размером 0-5 мм до 70 % [37]. При этом необходимо учитывать, что роторные дробилки предназначены для переработки малоабразивных пород, прочностью не более 120 МПа и абразивностью с износом 20-30 г/т.
Технологические схемы двухстадийного дробления по замкнутому циклу являются наиболее рациональными с точки зрения количества и размещения дробильно-сортировочного оборудования. Такие схемы имеют минимальное количество транспортных операций перерабатываемого щебня. Работа дробилок в замкнутом цикле с грохотом на последней стадии дробления является наиболее экономичным способом получения заданного соотношения фракций щебня.
Критерии оценки технологического процесса первичного дробления
Для приближения к идеальному, процесс выдачи дробленого материала должен обладать минимальными нескомпенсированными отклонениями
При постоянной скорости ленты это то же самое, что минимизировать отклонение Дб Д/) от Ga . Таким образом, система регулирования производительности должна обеспечить минимум статической и нескомпенсированной ошибок регулирования, равной сумме площадей, ограниченных кривой переходного процесса и установившимся значением QR. Величина интеграла время переходного процесса - это значение массы материала AG, определяющей изменение степени загрузки дробилок последующих стадий дробления.
Интеграл J- = jxpdt, где хр - отклонение регулируемой величины от (О ее нового установившегося значения, является линейной интегральной оценкой. Связь линейной интегральной оценки J-) с технологической оценкой степени отклонения производительности дробилки от номинала и ее влиянием на эффективность работы не только последующих, за первой, стадий дробления, но и самой щековой дробилки первичного дробления, очевидна. Ведь интеграл J характеризует изменение загрузки камеры дробления первичной дробилки за время переходного процесса. Рекомендованная в ТАУ только для оценки времени апериодических процессов, линейная интегральная оценка приобретает совершенно иной смысл в приложении к конкретной технологии и выступает основным критерием качества процесса первичного дробления. Большим достоинством оценки является простота ее вычисления: Jl=\im0(p)/p, где Ф(р) - передаточная функция замкнутой системы, р - оператор Лапласа. Однако и в случае непрерывного дробления есть ограничения на применение оценки J-. Так, стремление уменьшить ее до нуля вызывает появление в системе переходного процесса, близкого к незатухающему. Можно, однако, установить верхнюю границу частоты переходного процесса, если дополнить интеграл J-j еще одной оценкой его качества в виде квадратичного интеграла Интеграл J2 дает возможность косвенно оценить неравномерность 5 и время регулирования J2=S = tp. При этом переходный процесс при минимизации J 2 будет близок к где сос - частота переходного процесса. Оценка качественных технологических характеристик варианта автоматизации щековой дробилки с использованием управляющего воздействия в виде изменения производительности загрузочного устройства полностью совпадает с уже описанным методом интегральных оценок. Необходимо стремиться к минимизации колебаний отклонений уровня загрузки камеры дробления, и выходной производительности дробилки от номинала. Критериями оценки, являющимися математическим результатом действия процесса, для выбранного варианта управления будут соответственно линейный Уі и квадратичный J2 интегралы. Одновременная минимизация интегральных оценок J- и J2 позволяет оптимизировать процесс первичного дробления по параметрам. На практике линейная интегральная оценка очень часто не имеет ярко выраженной точки экстремума, а ее величина, определяемая, в основном, значением коэффициента усиления системы, уменьшается с его увеличением. Оптимизация системы по линейному интегральному критерию может быть осуществлена за счет увеличения коэффициента усиления до критического значения. Однако при этом, как говорилось выше, время и неравномерность регулирования возрастут до недопустимых пределов, то есть, резко возрастет значение квадратичной интегральной оценки. Необходим компромисс при одновременном использовании интегральных оценок. Невозможность одновременной минимизации интегральных оценок делает необходимым решение задачи в следующей последовательности. В плоскости параметров системы находится область минимальных значений квадратичных интегралов. Параметры системы выбираются в этой области так, чтобы обеспечить минимум линейной интегральной оценки. Положительной стороной интегральных оценок, кроме того, что они наиболее полно отражают технологические показатели качества первичного дробления, является их непосредственная связь с передаточными функциями замкнутых систем. К тому же, в отличие от других методов оценок переходных режимов, принятых в ТАУ, они наиболее адекватно учитывают вид операторного многочлена числителя передаточной функции замкнутой системы, который весьма существенно влияет на форму кривой переходного процесса. К тому же наиболее эффективно с помощью интегральных оценок удается сравнить между собой близкие по структуре системы, причем лучшей считается та, у которой соответствующие интегральные оценки будут наименьшими.
