Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Развитие мировой практики производства сыпучих материалов сопровождается широким развитием прогрессивных методов их разделения и внедрением в производство новых типов машин и агрегатов. В нашей стране предложен вибрационный метод разделения твёрдых материалов с помощью вибрирующих пеперфорнрованных поверхностей или машин типа вибрационных сепараторов. Быстрое внедрение вибросепараторов в практику разделения сыпучих материалов пока сдерживается недостаточной изученностью проблемы, неполными представлениями о механизме и закономерностях разделения смеси частиц на неперфорированной поверхности колеблющейся деки вибросепарирующей машины, а также тем, что теория их механического разделения на группы частиц, одинаковых по тем или иным качествам, и принципы технологического расчёта вибросепараторов разработаны в недостаточной степени.
В настоящее время более распространены вибропросеивающие машины, требующие частой чистки, ремонта и замены сит. Распыление тонких фракций, малая износоустойчивость и разрыв сеток в процессе работы ухудшают условия труда и приводят к засорению продуктов рассева. Применение грохочения по мелким классам крупности затруднительно, особенно в наиболее предпочтительном диапазоне крупности извлекаемых на вибросепараторе частиц. Эксплуатационные расходы при работе машин состоят из расхода электроэнергии на работу привода, расходов по замене изношенных деталей и расходов по обслуживанию.
К достоинствам вибросепараторов помимо высокой технологической эффективности относят: весьма малый (по сравнению с другими машинами и агрегатами для разделения сыпучих материалов) расход энергии; удобство, безопасность и незначительные расходы по обслуживанию; отсут-
ствие нылеобразования, потерь цепных компонентов и загрязнения помещения; возможность много продуктового разделения; высокая чувствительность к ряду параметров частиц, разделение по которым трудно осуществимо наиболее распространёнными в практике способами разделения; высокая разделяющая способность в диапазоне крупности разделяемых частиц сыпучего материала, характерном для современной производственной технологии.
В связи с этим актуальным является решение рассматриваемой научной проблемы, имеющей важное значение в дальнейшем развитии вибрационного метода сепарации, внедрении в химическое и другие производства вибрационных сепараторов и достижении оптимального режима их работы, при котором качество продуктов, чёткость их разделения и удельная производительность соответствуют реально возможным при максимальной технико-экономической эффективности работы машин.
Закономерности разделения смеси частиц при колебательном движении деки вибросепаратора отличаются большой сложностью вследствие многообразия взаимодействующих факторов, что приводит к необходимости комплексного рассмотрения проблемы и проведения детальных теоретических исследований.
К настоящему времени наиболее разработана теория вибросепараторов с вогнутой декой. Простота конструкции плоской деки и отсутствие дополнительных усложняющих факторов облегчают задачи научных исследований по установлению фундаментальных закономерностей, позволяющих оценить степень влияния отдельных параметров на эффективность работы вибросепараторов и произвести расчёт их основных параметров. В связи с этим целью работы являются разработка научных положений теории разделения слоя сыпучего материала на плоской деке вибросепаратора и теоретическое обобщение научных результатов.
Задачами научных исследований являются: выбор технологической схемы вибросепаращш; анализ условий силового и особенностей фрикционного контактов во взаимосвязи с видами и параметрами вибрационных воздействий на слой сыпучего материала; выявление комплекса разделительных признаков и факторов разделения, по которым достигается механическое разделение смесей частиц твёрдых материалов; разработка физической модели разделения, основанной на различии физико-механических свойств частиц; аналитическое описание закономерностей разделения слоя частиц, в котором учитывается режим колебаний деки сепаратора и другие факторы, оказывающие влияние на эффективность их разделения при вибросепарации; получение теоретических уравнений и формул, позволяющих производить расчёт и определение основных параметров вибросепараторов; разработка рекомендаций по выбору оптимальных их значений; анализ факторов оперативной и неоперативной регулировки работы вибросепаратора; экспериментальное определение параметров сепарации; выбор оптимальной конструкции вибросепаратора.
Методы исследований. В теоретических исследованиях используются современные методы прикладной математики и механики. Для объяснения закономерностей разделения смесей при вибрационном воздействии на слой сыпучего мелкодисперсного материала применяются законы классической механики и физики, а также основные положения теории вибрационных процессов и машин..
Математический анализ механизма разделения основан на представлениях о перемещении монослоя частиц на поверхности колеблющейся деки вибросепаратора. Эти модели позволяют учесть влияние, физико-механических свойств частицы и параметров машины на результат разделения смеси частиц и количественно оценить влияние сил, определяющих разделение твёрдых материалов. Предложенный подход к исследованию оправдан тем, что эффективные в технологическом отношении вибрацион-
ные сепараторы относятся к машинам с динамическими условиями разделения тонкого слоя исходного материала.
Теоретическая интерпретация производится на сочетании и взаимном дополнении различных подходов. С помощью опытных данных производится сравнение теоретически возможных результатов разделения с практическими и оценивается степень влияния отдельных параметров на технологические показатели работы вибросепаратора. При этом оценка качества продуктов и самого процесса сепарации проводится с помощью ситового анализа и микроскопа. Некоторая неточность оценки вносится из-за неодинакового влияния формы и размеров частиц на поведение их при вибросепарации и рассеве на ситах.
Экспериментальные данные по замеру скоростей и углов вибросепарации частиц получены различными методами, в том числе с применением кинокамер. Совпадение расчётных и экспериментальных данных удовлетворительное.
Для технических и технологических решений используется отечественный опыт создания и освоения вибрационных машин и полезного применения вибраций в современной производственной технологии.
Научная новизна результатов диссертации. В результате проведённых исследований получены новые представления о физической сущности явлений, разработаны модели процессов, используемые при математическом анализе механизма разделения смеси частиц, выявлены общие закономерности их разделения при вибрационном воздействии на слой сыпучего мелкодисперсного материала и предложены технологические схемы сепарации.
К существенным результатам, имеющим научную новизну, относятся: установление основных закономерностей и особенностей механизма разделения слоя частиц при продольных асимметричных колебательных движениях деки вибросепаратора; разработка научных положений теории вибрационной сепарации (теории разделения смеси частиц на деке вибросепара-
тора) при различных режимах и видах колебаний; изучение закономерностей влияния различных параметров на результат разделения смеси частиц; определение основных зависимостей, необходимых для регулирования работы вибросепараторов.
Научные положения теории вибрационной сепарации раскрываются скоростной гипотезой, основанной на различии в скоростях избирательного перемещения частиц в соответствии с их физико-механическими параметрами (различие в скоростях движения частиц по деке вибросепаратора определяет разделительный процесс). Это обстоятельство даёт основания при расчётах вибросепараторов пользоваться значениями скоростей перемещения монослоя частиц на поверхности колеблющейся деки, имеющей продольный (и поперечный) угол наклона. В качестве характеристики эффективности работы вибросепаратора принята скорость перемещения материала по его деке. Угол вибросепарации частиц (предельный угол подъёма частиц по наклонной деке, при котором скорость их равна нулю), является основным технологическим параметром разделения. Закономерности изменения скорости перемещения частиц, зависящей от многих факторов, и полученные зависимости для различных углов наклона деки, а также расчетные данные изменения угла вибросепарации от параметров частиц отличаются новизной.
Новизна результатов исследований также состоит в выявлении верхнего и нижнего пределов крупности разделяемых частиц на вибросепараторах; получении теоретических уравнений и формул для расчёта основных характеристик и параметров работы вибросепарируїощих машин; всесторонней оценке технологических факторов и конструктивных параметров, влияющих на эффективность работы вибросепаратора; экспериментальном определении эффективных коэффициентов трения частиц и установлении зависимости от их крупности; определении наиболее благоприятного режима вибраций и оптимальных значений параметров вибросепаратора; ре-
комендациях по выбору и регулированию режимных параметров работы вибрационных сепараторов для обеспечения высокой технологической эффективности и высокопроизводительного разделения сыпучих материалов.
Практическая ценность результатов диссертации. В результате исследований общая картина разделения и избирательного движения смеси частиц на плоской деке вибросепаратора изучена достаточно полно. Теоретические представления о механизме разделения тонкого слоя частиц позволяют вывести математические зависимости, раскрывающие существо и механизм происходящих явлений. Полученные теоретические уравнения позволяют анализировать влияние различных параметров на результат разделения сыпучего материала и оценивать режимы работы вибросепарирую-щих машин для заданных условий.
Теоретические формулы, составленные на основе решения дифференциальных уравнений, и рассмотренные закономерности разделения сыпучей смеси позволяют производить расчёт и определение основных параметров вибросепараторов. Рассмотренные методы определения скоростей применимы для расчётов, дающих возможность обеспечить заданные скорости частиц, а следовательно, необходимое различие в скоростях, от которого зависит качество продуктов сепарации. По предложенным формулам и графикам, определяющим скорости движения и углы вибросепарации частиц, установленным качественным зависимостям возможно решение целого ряда практических задач: выбор оптимальных параметров вибрации, определение оптимального режима сепарации и др. Рекомендации по выбору режимных параметров работы вибросепараторов обеспечивают соблюдение заданной крупности разделения и технологически обоснованных допустимых норм взаимозасоряемосги посторонними фракциями конечных продуктов сепарации при заданной производительности машины.
Результаты позволяют разработать принципы технологического расчёта вибросепараторов, определяют направления совершенствования их
конструкции и режимов работы для увеличения производительности и эффективности разделения при низких энергозатратах. На основании предложенных формул, установленных закономерностей процесса и качественным зависимостям производится выбор и технологический расчёт вибросепараторов, их регулирование и эксплуатация; на научной основе осуществляется гонкое регулирование, точное управление и перенастройка работы вибросепаратора.
На основе общих представлений о кинетике процесса разделения возможно определение условий эффективного разделения смеси частиц, создание более экономичных технологических схем и благоприятных условий разделения сыпучего материала, обеспечение нормальной работы вибросепараторов и регулирования действия взаимообусловленных факторов, направленных на достижение заданных показателей разделения.
В результате проведённых исследований определены области применения вибросепараторов в практике разделения сыпучих материалов и пути дальнейшего развития вибрационного метода. Дальнейшее развитие исследований в направлении совершенствования метода позволит высокоэффективным и высокопроизводительным вибросепараторам занять достойное положение и важное место среди других устройств и машин, предназначенных для разделения твердых материалов. Научное обоснование, содержащееся в основных результатах диссертации, позволит решить проблему внедрения в практику научно-технических разработок и их освоения в производстве.
На защиту выносятся: научные положения теории разделения смеси частиц на плоской деке вибросепаратора при различных режимах и видах колебаний; методы расчёта и определения основных параметров вибросе-иараторов; аналитические зависимости, связывающие основные характеристики работы вибросепаратора с параметрами вибраций, технологическими факторами и конструктивными параметрами; экспериментальные ме-
тоды определения параметров сепарации частиц; принципы анализа влияния факторов оперативной и неоперативной регулировки на эффективность работы вибросепараторов и действия этих взаимообусловленных факторов, направленных на достижение заданных показателей разделения; принципы выбора оптимальной конструкции вибросепаратора и режимов работы, обеспечивающих эффективность разделения смеси частиц при рациональной общей компоновке и необходимом режиме колебаний.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Тема исследова
ний связана с тематикой комплексных научно-технических программ с но
мерами государственных регистрации 0.15.03 "Создать и освоить произ
водство новых машин для оснащения химической отраслей про
мышленности", 0.72.02 "Создать и освоить в производстве вибрационные
машины различного технологического назначения ", в том числе:
"Разработать научные основы создания , методы их расчёта " и с
рядом целевых научно-технических программ вузов, а также соответствует исследованиям в приоритетных направлениях развития науки и техники Российской Федерации в области производственных технологий.
Внедрение в практику. По заданию ряда предприятий было предложено и внедрено ряд научно-технических разработок: проведено разделение полидисперсных продуктов химической промышленности на классы крупности, осуществлённое вибросепарацией, и разработана конструкция би-гармонического виброклассификатора; долевое участие вибрационного метода в переработке химического сырья, характеризующегося низким содержанием ценных компонентов, повышает извлечение ценного компонента на 5%; достигнуто повышение эффективности классификации при выделении гранулометричеких фракций менее 0,5 мм в сравнении с грохочением; выполнена работа по разработке прибора для определения дисперсного состава тонкодисперсных продуктов вибрационным методом; проведены работы по снижению адгезии влажных глин с применением вибраций; вы-
полнена работа по теме: "Проведение теоретических исследований с целью освоения опытно-промышленного образца виброраздатчика" (42 комплекта промышленного типа изготовлены на СОСЗ, проведены наладка и внедрение на предприятиях).
Конкретным результатом внедрения является выполнение студентами около 50 дипломных работ в соответствии с тематикой исследований автора. Преобладание опытно-конструкторского и исследовательского направления в выполнении этих работ позволило студентам принять непосредственное участие во внедрении научно-технических разработок в промышленное производство: изготовление узлов и комплектов промышленного типа, их наладка и настройка.
Анализ условий расширенного использования результатов диссертации показывает, что эффективность внедрения вибросепараторов в химическое и другие производства зависит от решения проблемы привлечения заинтересованных производителей, работающих в области производственно-технологического предпринимательства, в доведении научно-технических разработок до их практического применения, и выявляет заинтересованность предпринимателей, в том числе зарубежных фирм, в размещении заказов.
Данные апробации результатов исследований. Основные положения обсуждены на научно-технических и методических конференциях: зональном (Урал, Сибирь, Дальний Восгок) семинаре по теории машин в г. Иркутске (1983 г.) , Владивостоке (1986 г.) , Новосибирске (1988 г.) ; Всесоюзной научно-методической конференции по вопросам преподавания машиноведения в г. г. Новокузнецке и Мозыре (1986 г.) ; Всесоюзной конференции по созданию и внедрению химического оборудования с использованием методов интеЕісификации технологических процессов (1984 г.);
The 65th u 66th Shock & Vibration Symposium в г. Сан-Диего (1994 г.) и Байлокси (1995 г.); Technikal Collaborations Symposium в Альбукерке (1995 г.); Asia-Paccific vibration conference' 95 в г. Куала-Лумпуре.
Диссертация состоит из предисловия, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения с актами внедрений научно-технических мероприятий. Объём диссертации 333 страницы машинописного текста с математическими выкладками и 150 формулами; табл. 5 (10); ил. 50; графиков 29; библиогр. 97 назв.