Введение к работе
Актуальность проблемы. Россия, занимая по данным Всемирного банка среди индустриально развитых стран третье после США и Китая место в мире по объему энергопотребления, затрачивает на единицу продукции в среднем в 2.. .2,3 раза больше энергии. В связи с этим повышение энергоэффективности, энерго- и ресурсосбережение приняты на государственном уровне приоритетными направлениями модернизации и технологического развития экономики РФ. Это в полной мере относится к технологиям по переработке минерального сырья.
Процессы дробления (измельчения), разделения и транспортирования горной массы - важнейшая и неотъемлемая часть технологий переработки полезных ископаемых на всех горно-обогатительных и горно-добывающих предприятиях минерально-сырьевого комплекса России, обеспечивающего значительную долю ее ВВП и являющегося крупнейшим потребителем электрической энергии и других ресурсов. Только на измельчение полезных ископаемых на горно-обогатительных предприятиях тратится до 20 % всей электроэнергии. В себестоимости продукции процессы переработки и транспортирования минерального сырья составляют до 65.70 %. Следует также отметить вред, наносимый окружающей среде при переработке сырья, и значительные объемы перемещаемой горной массы.
Высокое потребление энергии и других ресурсов, а также устаревшие технологии и оборудование горных производств, становятся одним из главных факторов неконкурентоспособности продукции отечественных предприятий, в особенности при обязательном исполнении правил Всемирной торговой организации. Поэтому требуется радикальное повышение энерго- и ресурсоэффективности не только горных производств в целом, но и каждой единицы оборудования. В первую очередь это относится к энерго- и ресурсоемким агрегатам для переработки природного и техногенного сырья, различающимся по принципу действия и назначению и объединяемым в комплексы технологических агрегатов (КТА).
В состав КТА входят различные перерабатывающие и транспортные технологические агрегаты: дробилки, мельницы, различного рода измельчители и дезинтеграторы, грохоты, вибросита и прочие классификаторы, конвейеры, питатели и другое оборудование, образуя единые технологические линии и обеспечивая необходимые показатели назначения (производительность, качество продукции и т. п.) при достижении заданных технических параметров (крупность кусков, закрупнение, замельчение, длина транспортирования, высота подъема и др.).
Развитие сырьевых отраслей промышленности, применение рыночных механизмов в экономике страны, необходимость модернизации действующих и строительства новых горных предприятий, повышение конкурентоспособности и уменьшение себестоимости их продукции, а также широкое использование комплексов технологических перерабатывающих и транспортных агрегатов, обосновывают важность и актуальность создания агрегатов с уменьшенным потреблением энергии и других ресурсов при обеспечении требуемых показателей назначения. В связи с этим в диссертации решается актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в развитии научных основ повышения энерго- и ресурсоэффективности технологических агрегатов перерабатывающих комплексов горных предприятий на базе выявления наиболее эффективных принципов действия и конструирования агрегатов, исследований их динамических систем и совершенствования схем комплексов.
Цель работы - повышение показателей энерго- и ресурсоэффек- тивности с учетом закономерностей работы динамических систем технологических агрегатов для разработки научно-технических решений, позволяющих создавать и эксплуатировать эффективные агрегаты перерабатывающих комплексов в условиях различных горных предприятий.
Идея работы: повышение энерго- и ресурсоэффективности перерабатывающих и транспортных агрегатов достигается выявлением и использованием принципа силового уравновешивания их динамических систем и выбором значений и сочетаний их рациональных кинематических, силовых, энергетических и других параметров.
Методы исследований. Основными при выполнении работы являются методы математического моделирования агрегатов с использованием векторного анализа, обобщения и развития физических представлений о динамических системах и процессах в них, компьютерное моделирование и экспериментальная проверка, сопоставление полученных результатов исследований с промышленными данными эксплуатации агрегатов.
Задачи исследований:
1. Выбрать приоритетные направления повышения энерго- и ре- сурсоэффективности перерабатывающих комплексов перспективных технологических агрегатов и провести их оценку по параметрам энерго- и ресурсоэффективности.
-
Разработать математические модели динамических систем технологических агрегатов на основе углубления представлений о процессах их функционирования.
-
Провести моделирование и в необходимых случаях стендовые исследования физических моделей систем агрегатов.
-
На основе модельных исследований динамических систем технологических агрегатов выявить зависимости их силовых и энергетических показателей от кинематических, режимных и конструктивных параметров.
-
Разработать методики определения основных геометрических, режимных, силовых и энергетических параметров комплексов перерабатывающих и транспортных агрегатов на основе физических представлений и результатов моделирования.
-
Разработать научно-технические предложения и схемные решения по повышению энерго- и ресурсоэффективности перерабатывающих комплексов технологических агрегатов на основе их модельных исследований и векторного анализа.
Научная новизна исследований заключается в следующих результатах:
-
-
Разработке математических моделей динамических систем центрированных виброагрегатов для до- и зарезонансных режимов их работы с учетом сложного движения дебалансных масс вибровозбудителей.
-
Развитии теории колебаний динамических систем центрированных виброагрегатов с дебалансными вибровозбудителями, в части:
углубления физических представлений о колебательных процессах на основе векторного анализа кинематических и силовых параметров;
установления аналитических зависимостей энергетических параметров динамических систем от их режимных и конструктивных параметров;
выявления зависимостей коэффициентов диссипации вязкого трения и динамичности от величины колеблющихся масс и режимных параметров систем.
-
Оценке влияния эффекта автобалансировки и принципа уравновешивания динамических двухмассных систем вибрационных агрегатов в установившихся режимах их работы на энергетические параметры агрегатов.
-
Создании обобщенной математической модели одномассных дебалансных виброагрегатов на основе двухзвенной системы с упруго- вязким звеном и упруго-вязким шарнирным соединением, учитывающей влияние инерционных, упругих, диссипативных и других характеристик, в том числе технологической нагрузки, выявление силовых и энергетических параметров агрегатов и физики процесса их колебаний.
-
Разработке математических моделей нецентрированных одно- массных виброагрегатов с одиночными и сдвоенными дебалансными вибровозбудителями и установление зависимостей энергетических параметров от влияющих факторов и показателей таких агрегатов.
-
Создании математических моделей переходных участков крутонаклонных двухленточных транспортных агрегатов с учетом необходимых усилий изгиба системы «Лента-груз-лента», величины погонных нагрузок, достаточности усилий прижатия грузонесущей ленты к прижимной во избежание просыпания груза между бортами лент и допустимых напряжений в них.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в разработке:
-
системы оценки энерго- и ресурсоэффективности технологических агрегатов для переработки и транспортирования минерального сырья;
-
комплекса методик для расчета параметров КТА, включающего методики расчета технологических виброагрегатов для переработки и крутонаклонных двухленточных агрегатов для транспортирования твердого минерального сырья;
-
рекомендаций и научно-технических предложений по совершенствованию вибрационных агрегатов;
-
рекомендаций и научно-технических предложений для мощного крутонаклонного транспортного агрегата типа КНК-270/3500;
-
технологических схем различных горно-перерабатывающих производств на базе инновационных энерго- и ресурсоэффективных технологических агрегатов.
Новизна разработок подтверждена патентами РФ и Украины.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
-
корректностью сделанных допущений при построении матема- тических моделей,
-
использованием классических и обоснованных современных методов прикладной теории колебаний, теории упругости, механики машин, математического моделирования технологических и других процессов, методов статистической обработки данных, использованием современного компьютерного оборудования и математического программного обеспечения,
-
использованием с целью повышения достоверности результатов различных дублирующих методов математического моделирования объекта исследований и сопоставления их результатов,
-
постоянным сопоставительным анализом результатов теоретических исследований с результатами стендовых исследований и промышленной эксплуатации технологических агрегатов,
-
имеющимися экспериментальными данными, значениями параметров агрегатов и результатами их промышленной эксплуатации (расхождение результатов в среднем < 13.. .15 %).
Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
-
Математическая модель виброагрегата с двумя жестко связанными массами (дебалансного вибровозбудителя и колеблющейся массы виброагрегата) и упруго-вязкой связью с неподвижным основанием позволяет при определении энергетических параметров агрегата учитывать сложное движение дебалансной массы и ее инерционную переносную силу, а также разность инерционной и упругой сил (глава 3).
-
Обобщенная математическая модель двухзвенных динамических систем одномассных технологических виброагрегатов отличается тем, что учитывает сложное движение массы дебаланса вибровозбудителя, взаимосвязи колеблющихся масс и уравновешивание действующих сил между собой, позволяет исследовать и определять силовые и энергетические параметры виброагрегатов, а также зависимости этих параметров от влияющих факторов, включая технологическую нагрузку, с более полным их учетом во всех режимах работы (глава 4).
-
Зависимости мощности одномассных вибрационных агрегатов с дебалансными вибровозбудителями от вынужденной частоты колебаний имеют в зарезонансном режиме четко выраженный минимум. Работа виброагрегатов в этой зоне обеспечивает их минимальные энергозатраты (глава 5).
-
В динамических системах виброагрегатов с дебалансными вибровозбудителями проявляется эффект автобалансировки, заключающийся в автоматическом выборе системами величин амплитуд их колебаний. При этом происходит уравновешивание инерционных, упругих, диссипативных и возмущающих сил, в результате которого значения энергетических показателей (работы, мощности, удельных энергозатрат) снижаются на порядок (главы 3, 4 и 5).
-
Математические модели системы «Лента-груз-лента» (ЛГЛ) переходных криволинейных участков крутонаклонного двухленточного транспортного агрегата позволяют с учетом погонных нагрузок устанавливать связь между величиной радиусов изгиба системы ЛГЛ и необходимыми тяговыми усилиями, а также усилиями прижатия лент друг к другу, обеспечивающими удержание транспортируемого груза между лентами от сползания и исключение его просыпания между бортами лент (глава 6).
Реализация результатов работы
в производстве:
-
по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы по государственным контрактам № 02.442.11.7340 (№ госрегистрации 13243.0323050947.06.1.002.5) и № 02.442.11.7570 (№ госрегистрации 13243.7813045547.06.1.009.3) в НПК «Механобр-техника» (система оценки эффективности и технологических показателей агрегатов для переработки полезных ископаемых; методика расчета параметров комплексов технологических перерабатывающих и транспортных агрегатов; рекомендации по модернизации и созданию новых агрегатов; технологические схемы на базе энерго- и ресурсоэффективных агрегатов при циклично-поточной технологии переработки горной массы, в перерабатывающих комплексах горнорудных, нерудных, угольных и металлургических предприятий);
-
по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» № 02.515.11.5099 (№ госрегистрации 01200955704) в УРАН «Институт машиноведения имени А. А. Благонравова РАН» (основные положения расчетной методики определения параметров технологических виброагрегатов для переработки твердого природного сырья и техногенных отходов) и № 16.515.11.5047 (№ госрегистрации 01201173187) в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» (методика расчета основных энергетических параметров экспериментального стенда для испытаний моделей рабочих органов горных машин);
-
при эскизном проектировании транспортного агрегата КНК- 270/3500 в межгосударственном проекте по созданию крутонаклонного конвейера для карьера «Мурунтау» Навоийского ГМК, Узбекистан № 23/106-02 в ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод», Украина, (результаты моделирования крутонаклонного конвейера КНК-270/3500 и его тяговый расчет).
в учебном процессе:
-
в ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» по дисциплинам: «Дробление, измельчение и подготовка руд», «Обогащение полезных ископаемых», «Технология минерального сырья»;
-
в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» по дисциплинам: «Прикладная механика», «Оборудование для обогащения полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы с 2001 по 2012 гг. докладывались и получили одобрение на 30 научно-технических советах, научных симпозиумах и семинарах, включая: V-ю Международную экологическую конференцию студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие», Москва, (18-19.04.2001), Third International Symposium «Miming and environmental protection MEP-01», Югославия, (21-23.05.2001), 1st International Conference «Logistics&Transport LOADO-2001», Словакия, (6-8.06.2001), 2-ю и 3-ю Международные конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства», Тула (1417.05.2002 и 8-10.06.2010), Международный научно-практический семинар «Современное состояние и перспективы широкого применения циклично- поточных технологий», С.-Петербург, (23-25.09.2002), XI Международную конференцию «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов «Щебень-2004»», С.-Петербург, (69.09.2004), научный симпозиум «Неделя горняка», Москва (24-28.01.2005, 2327.01.2006, 22-26.01.2007, 28.01-01.02.2008, 26-30.01.2009, 25-29.01.2010, 2428.01.2011), III Международную научно-техническую конференцию «Чтения памяти В.Р. Кубачека» «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ», Екатеринбург (15-17.02.2005), 4-ю Международную выставку и конгресс по управлению отходами «ВэйстТэк-2005», Москва (31.05-03.06.2005), Международное совещание «Современные проблемы комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья» «Плаксинские чтения - 2005», С.-Петербург (05-09.09.2005), Общероссийскую инженерно-технологическую конференцию «Резервы экономического роста и удвоение ВВП России», Москва (12-13.12.2005), VI Конференцию-выставку «Подготовка, обогащение и обезвоживание руд и минералов», Москва (1820.02.2006), IV, VI-X Международные научно-технические конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности», Екатеринбург (15-17.05.2006, 10-11.04.2008, 23-24.04.2009, 14-16.04.2010, 7-8.04.2011, 19-20.04.2012), семинар в ОМЗ Горное оборудование и технологии (Группа «Уралмаш-Ижора»), С.-Петербург (16.08.2006), Московскую международную промышленную ярмарку MIIF-2006 «Международная специализированная выставка конвейеров, транспортных систем, и комплектующих (машины непрерывного транспорта) КОНВЕЙЕРЫ - 2006», Москва (24-27.10.2006), конференцию «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых.» Москва, УРАН ИПКОН РАН (11-14.11.2008), Пятую всероссийскую конференцию «Необратимые процессы в природе и технике». Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана (26-28.01.2009), XXI Международную Инновационно-ориентированную конференцию молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2009), Москва, ИМАШ РАН (16-18.11.2009).
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 49 печатных работах, включая 23 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Ми- нобрнауки РФ для публикации основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук, 1 монографию и 2 патента.
Личный вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоит в формировании основной идеи, выборе методов исследований и непосредственном участии в их выполнении, составлении и подборе материала, написании текстовой части, анализе полученных результатов и подготовке на их основе методик и рекомендаций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы из 247 наименований. Работа изложена на 344 страницах машинописного текста, включает 140 рисунков, 10 таблиц и 4 приложения.
Похожие диссертации на Развитие научных основ повышения энерго- и ресурсоэффективности технологических агрегатов перерабатывающих комплексов горных предприятий.
-
