Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и основные направления в процессах перегрузки и разделения горной массы перед первичным дроблением 11
1.1. Обзор технических решений и опыта работы перегрузочных грохотильно-дробильных установок карьеров и фабрик 11
1.2. Оценка средств и устройств для разделения горной массы в грохотильно-дробильных установках 19
1.3. Состояние разработок, исследований процессов и параметров вибротранспортной техники в условиях грохотильно-дробильных установок 22
1.3.1 Опыт разработки тяжелых вибротранспортных установок 22
1.3.2 Обзор исследований по вибротранспортированию горной массы 29
1.3.3 Обзор процессов виброразделения крупнокусковой горной массы 37
1.3.4 Краткий обзор исследований по динамике вибротранспортных машин 42
Заключение по главе... 1 46
2. Концепция формирования и анализ сверхтяжелых вибротранспортных машин с совмещенными технологическими функциями 48
2.1. Особенности системного анализа и функционирования питателей-грохотов в составе ГДУ 48
2.1.1 Краткий структурный анализ карьерных перегрузочных систем 48
2.1.2 Разработка макромодели, структурный анализ и синтез вибропитателей-грохотов 52
2.2. Исследование исходных факторов и входных параметров при моделировании системы вибропитатель-грохот 59
2.2.1 Параметры и характеристики перегружаемой горной массы 60
2.2.2 Моделирование входных характеристик грузопотока 62
Заключение по глаье 2 66
3. Моделирование параметров и синтез элементов вибрационных питателей-грохотов в составе ГДУ 67
3.1. Моделирование геометрических характеристик и параметров сопряжение подсистем бункера и вибропитателя- грохота : 67
3.2. Моделирование нагрузок на рабочий орган ВТМ при воздействии горной массы 69
3.3. Сравнительное исследование моделей при воздействии на рабочий орган ВТМ ударных нагрузок 71
3.4. Моделирование динамических и кинематических параметров вибропитателя-грохота 81
3.5. Моделирование адаптационных и регулировочных свойств вибровозбудителей. Требования к комбинированным вибровозбудителям 85
3.6. Моделирование параметров рабочего органа и параметров, определяющих основные технологические характеристики... 90
Заключение по главе 3 94
4. Динамика вибропитателей-грохотов в условиях грохотильно-дробильных установок 96
4.1. Исследование движения ВТМ с механической
синхронизацией вибровозбудителей 96
4.1.1 Разработка схемы и описание динамики рабочего органа ВТМ при сложном нагружении 96
4.1.2 Математическое моделирование параметров вибропитателей-грохотов при сложном динамическом нагружении 99
4.1.3 Экспериментальное исследование динамики ВТМ при ударном нагружении рабочего органа 107
4.1.4 Исследование поведения вибропитателя-грохота с амортизаторами удара 123
4.2. Особенности движения вибропитателей-грохотов с
самосинхронизированным приводом 125
4.2.1 Динамика рабочего органа с самосинхронизирующимися вибровозбудителями. Особенности исследуемой системы... 125
4.2.2 Исследование условий стабильности работы самосинхронизируемых систем 129
4.2.3 Особенности и проявления адаптационных свойств самосинхронизированных систем в условиях сложного динамического нагружения 137
Заключение по главе 4 145
5. Влияние ударных нагрузок на скорость вибротранспортирования горной массы 148
5.1. Скорость вибротранспортирования горной массы в условиях перегрузочного пункта 148
5.2. Графоаналитический метод исследования скорости перемещения горной массы при послеударных колебаниях рабочего органа 156
5.3. Определение средней скорости вибротранспортирования с учетом послеударных колебаний 167
5.4. Влияние параметров вибропитателя-грохота на скорость вибротранспортирования горной массы при нестационарном режиме движения рабочего органа 169
5.5. Экспериментальное исследование скорости вибротранспортирования 174
5.5.1 Описание стенда и методика исследований 174
5.5.2 Исследование процесса перемещения материала по рабочему органу на вибростенде 177
5.5.3 Исследование скорости вибротранспортирования горной массы при ударе 182
Заключение по главе 5 187
6. Исследование процесса разделения горной массы на грохотильных секциях с открытой щелью 189
6.1. Особенности исполнения грохотильных секций с открытой щелью и условия взаимодействия с горной массой 189
6.2. Моделирование параметров грохотильных секций 190
6.3. Исследование вероятности разделения горной массы 196
6.3.1 Моделирование вероятности разделения ГМ 196
6.3.2 Экспериментальное исследование вероятности разделения горной массы 202
6.4. Экспериментальное исследование эффективности разделения ГМ 207
Заключение по главе 6
7. Исследование ударозащитных свойств слоя горной массы на вибрационном рабочем органе 212
7.1. Описание общей схемы ударного взаимодействия в системе «кусок-слой горной массы - рабочий орган» 212
7.2. Исследование процесса ударного внедрения куска в слой горной массы 221
7.3. Исследование процесса ударного сжатия при внедрении куска в слой горной массы 225
7.4. Экспериментальное исследование ударозащитных свойств слоя горной массы 231
Заключение по главе 7 238
8. Практическая реализация и результаты исследований 239
8.1. Разработка методики расчета параметров вибропитателей-грохотов с совмещенными технологическими функциями 239
8.2. Разработка и проектирование вибропитателей-грохотов для грохотильно-дробильных установок 251
8.2.1 Испытание вибропитателя-грохота ГПТ-1 на опытно-промышленном участке Качканарского ГОКа 252
8.2.2 Проект грохотильной передвижной установки с вибропитателем-грохотом ГПТ-2 на Чаньвинском карьере 255
8.2.3 Проект перегрузочного устройства СДА-2000 с 260 вибропитателем-грохотом ГПТ-3
8.2.4 Внедрение результатов работы в учебный процесс 263
Заключение по главе 8 263
Заключение 263
Литература
- Состояние разработок, исследований процессов и параметров вибротранспортной техники в условиях грохотильно-дробильных установок
- Разработка макромодели, структурный анализ и синтез вибропитателей-грохотов
- Сравнительное исследование моделей при воздействии на рабочий орган ВТМ ударных нагрузок
- Разработка схемы и описание динамики рабочего органа ВТМ при сложном нагружении
Введение к работе
Определяющая роль в развитии сырьевой базы страны отводится интенсификации технологических процессов карьеров и фабрик, повышению технического уровня проектов всех уровней, созданию и освоению оборудования нового поколения в блочно-модульном исполнении на основе прогрессивных технологий, наделенных свойствами гибкости и адаптации к изменению окружающей среды.
В карьерах продолжают ухудшаться горнотехнические условия разработок, растет глубина карьеров, увеличивается дальность транспортирования. В карьерах черной металлургии к 2000 году объемы перегружаемой горной массы (ГМ) при комбинированном транспорте составили более 50% от общих объемов транспортирования. По своей значимости и трудоемкости процесс перегрузки ГМ приблизился к основным процессам горной технологии.
Развитие комбинированного транспорта в глубоких карьерах сопровождалось вводом в технологию стационарных грохотильно-дробильных и дробильных установок. Наблюдаемая тенденция к снижению эффективности технологии обусловлена ухудшением горнотехнических условий и недостатками стационарных комплексов, в том числе и грохотильно-дробильных установок (ГДУ): длительных сроков строительства и ввода в эксплуатацию (2,5-3 года); высокой стоимостью дробильных установок, вводимых на основе действующих норм технологического проектирования; невозможностью их переноса при понижении горных работ; все увеличивающейся длиной транспортирования автомобильным транспортом; отсутствием условий проявления гибкости процессов. Снижение ТЭП - это результат несоответствия стационарных комплексов требованиям эксплуатации и специфики глубоких карьеров, отсутствия современных технических средств перегрузки и разделения ГМ.
Действующие нормы технического проектирования цехов первичного дробления фабрик, как правило, не предусматривают технологических схем цепей аппаратов качественного предварительного разделения горной массы перед крупным дроблением. Признанный принцип технологии «не дробить ничего лишнего» по ряду объективных и субъективных причин не соблюдается. Нормами не предусматривается дифференцированный подход к выбору технологической схемы в зависимости от естественного состояния и блочности массива при подготовке ГМ средствами БВР в карьере. Другим важным сдерживающим фактором при проектировании цехов является отсутствие совершенных средств и устройств для качественного разделения ГМ перед дроблением. Промышленностью не освоено производство сверхтяжелых виброгрохотов и вибропитателей-грохотов для применения в структурных схемах ГДУ карьеров и фабрик. Известны проектные решения установок, включающие отдельные машины: питатели и грохоты. Такие
установки малопроизводительны, громоздки, не обеспечивают высокой эффективности разделения ГМ. Автор диссертации, развивая идеи уральской научной школы, предлагает структуру ГДУ строить на основе вибропитателей-грохотов нового поколения с совмещенными технологическими функциями.
В проектных и конструкторских организациях горнодобывающих отраслей не накоплен достаточный опыт проектирования ГДУ на основе новых машин, отсутствуют научно обоснованные методики выбора и расчета параметров средств для приема, выпуска и разделения ГМ. Для повышения эффективности ГДУ в глубоких карьерах требуется выполнить их техническое перевооружение на принципах гибких технологий, в модульном исполнении. Установлено, что создание переносных модульных ГДУ достигается на основе вибропроцессов. В этой связи выполненная работа, направленная на развитие теории, совершенствование методик расчета и проектирования, создание нового поколения вибрационной техники для ГДУ карьеров и фабрик, является актуальной, имеет межотраслевое значение.
Идея работы. Оптимальный структурный синтез и создание ГДУ с гибкими свойствами обусловлены возможностью реализации выпуска, перемещения и разделения горной массы посредством одной сверхтяжелой ВТМ с совмещенными технологическими функциями.
Целью работы является исследование процессов, установление закономерностей и формирование структуры параметров для разработки на их основе ВТМ с совмещенными технологическими функциями.
Научные положения, защищаемые в диссертации
1. Формирование функциональной и структурной моделей
вибротранспортных машин с совмещенными технологическими функциями
следует рассматривать как задачу синтеза при различных состояниях
взаимодействия операнда и рабочего органа с вибровозбудителями,
обеспечивающими устойчивое проявление адаптационных свойств системы.
2. Закономерности движения сверхтяжелых ВТМ с совмещенными
технологическими функциями выявляются на основе разработанных
динамических моделей с различным типом вибровозбудителей,
отличающихся от известных наличием интенсивного воздействия ГМ на
рабочий орган в виде ударных нагрузок, и с учетом ударозащитных свойств
системы в целом.
3. При самосинхронизирующемся приводе вибровозбудителей и
сложном динамическом нагружении рабочего органа ВТМ время перехода на
новое значение угла расфазировки относительных фаз ротора ВВ тем
меньше, чем больше значение величины диссипации энергии во
взаимодействующих подсистемах машины.
4. Процесс снижения скорости вибротранспортирования при
динамическом нагружении ВТМ с совмещенными функциями обусловлен
уменьшением фаз полета материала и значительным увеличением фаз
движения назад и состояния покоя, общий характер и интенсивность изменения которых за период свободных колебаний определены законом изменения величины амплитуды затухающих перемещений рабочего органа на всем протяжении его послеударного движения.
5. На грохотильных секциях ВТМ с открытой щелью эффективность и
вероятность процесса разделения ГМ зависят от случайного положения куска
и установленного параметра процесса - отношения среднего размера куска к
среднему значению расстояния между колосниками, а граница разделения
«трудных фракций» сдвигается в сторону повышения параметров и
составляет 0,85.
6. Математическая модель ударозащитных свойств слоя ГМ на РО
представлена системой с дискретно распределенными параметрами
напряженно-деформационного поведения и отличающается тем, что в ней
комплексно рассмотрены взаимосвязанные процессы внедрения падающего
куска в слой с одновременным сжатием горной массы и учтено
противодействие слоя ГМ в продольном и поперечном направлениях.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций обоснована использованием фундаментальных положений динамики машины, теории колебаний и удара, теории вероятности, анализом и синтезом ГДУ и ВТМ, математическим имитационным и физическим моделированием вибропроцессов, соответствием разработанных теоретических положений и методов характеру функционирования вибропитателей-грохотов и использованием апробированных методов исследований и решений. Достоверность результатов подтверждается экспериментом на моделях, промышленных установках; подобием моделей и натуры; достигнутым объемом измерений, обеспечивающим с вероятностью не менее 0,9 относительную погрешность не более 25%; сходимостью теоретических и опытных результатов с погрешностью менее 15-18%; положительными результатами эксплуатации созданных при участии автора опытных образцов ВТМ; использованием результатов диссертационной работы конструкторскими организациями.
Новизна исследований и полученных результатов заключается в следующем:
В развитии научного направления исследований процесса перегрузки ГМ средствами ГДУ, базирующегося на разработанных концепциях гибких систем с высоким техническим уровнем и в сочетании с высокоэффективными вибропроцессами. В разработке методических основ проектирования и расчета, в установлении закономерностей вибротранспортирования, виброразделения крупнокусковой ГМ в условиях карьеров и фабрик и использовании их при создании новых сверхтяжелых вибропитателей-грохотов с совмещенными технологическими функциями, наделенных адаптивными свойствами при восстановлении стационарности
режима их движения и универсальным виброприводом для синхронизации вибровозбудителей.
В разработке методических основ расчета параметров ВТМ, рабочий орган которых включает грохотильные секции с открытой щелью.
В разработке математических моделей динамики сверхтяжелых вибропитателей-грохотов с универсальным виброприводом для синхронизации вибровозбудителей, учитывающих взаимодействие давления ГМ в бункере и ударные воздействия при загрузке. В разработке основ ударозащиты ВТМ и моделировании слоя ГМ на рабочем органе в качестве амортизатора удара, в разработке расчетных моделей ударного взаимодействия и их идентификации реальным условиям ГДУ.
В развитии направлений при создании новых конструкций вибропитателей-грохотов с совмещенными технологическими функциями, как наиболее полно удовлетворяющих требованиям ГДУ и обеспечивающих повышение их производительности в 1,5-2,0 раза.
Научное значение работы состоит в развитии научного направления и концепций, заключающихся в том, что оптимальный синтез ГДУ обеспечивается при введении в систему вибропроцессов, в развитии теории и средств интенсификации вибропроцессов при сложном динамическом нагружении ВТМ, принципов ударозащиты и динамики сверхтяжелых вибропитателей-грохотов с совмещенными технологическими функциями.
Практическое значение заключается в разработке методических основ проектирования и выбора параметров сверхтяжелых вибропитателей-грохотов с совмещенными технологическими функциями в составе ГДУ карьеров и фабрик. В разработке типоразмерного ряда параметров вибропитателей-грохотов производительностью 2000, 2500, 3000 т/ч. В разработке технического задания на проектирование сверхтяжелого виброносителя-грохота ГПТ-2. В разработке оригинальных стендов для экспериментальных исследований.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при проектировании типовых решений ГДУ с конусными и щековыми дробилками в составе проекта ОАО «Уралмеханобр»; при проектировании передвижной установки с вибропитателем-грохотом ГПТ-80 для Чаньвинского карьера известняков ОАО «Уралмеханобр» и УГТТА; при проектировании загрузочного устройства самоходного дробильного агрегата СДА-2000 с вибропитателем-грохотом ГМТ-2 на Ижорском машзаводе.
Результаты исследований использованы при модернизации вибрационного питателя-грохота ГПТ-1 для перегрузочных систем комбинированного АЖТ; при разработке вибрационного питателя-грохота ГПТ-2 ОАО «Уралмаш». Инженерная методика определения параметров сверхтяжелых вибропитателей-грохотов с совмещенными функциями принята институтом «Гипромашобогащение», ОАО «Уралмашзавод», ОАО «Уралмеханобр» при разработке ВТМ для ГДУ карьеров и фабрик.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены:
на научном симпозиуме «Неделя Горняка-2002» январь-февраль 2002 г, г.Москва;
на НТС институтов «Гипромашобогащение» (1996 г.), «Гипроруда» (1996,1997 гг.), «Уралгипроруда» (2000 г.,2001 г);
на Международном конгрессе «300 лет уральской металлургии», г.Екатеринбург, 4-5 октября 2001 г;
на Плаксинских чтениях, УГГТА г.Екатеринбург, октябрь 2001 г;
на XXX летней школе «Advanced problems in Mechanics» по проблемам синхронизации вибрационных процессов «Прикладные проблемы механики», 27 июня-6 июля 2002 г., г.Санкт-Петербург
Публикация. В основу работы положены результаты, полученные автором самостоятельно и при непосредственном участии и содержащиеся в отчетах по НИР УГГГА, ОАО «Уралмеханобр», в научных трудах, опубликованных в центральной печати. Всего публикаций 21.
Структура и объем работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка литературы из 160 наименований, 6 приложений, содержит 280 страниц, 70 рисунков, 27 таблиц.
Автор выражает искреннюю признательность коллегам по совместной работе: к.т.н. В.С.Пекарскому, А.Г.Попову (УГГТА), к.т.н. А.Н.Косолапову (Институт финансового менеджмента), к.т.н. С.А.Румянцеву (УрГАПС), сотрудникам ОАО «Уралмеханобр» за помощь, оказанную ему при выполнении исследований и оформлении диссертации.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю проблемы д.т.н., проф. А.В.Юдину за ценные советы и внимание в процессе выполнения диссертации.
Состояние разработок, исследований процессов и параметров вибротранспортной техники в условиях грохотильно-дробильных установок
Поэтому конструкции рабочих органов этих виброгрохотов могут воспринимать только небольшую динамическую нагрузку и применяться при грузопотоках с постоянными характеристиками по питанию.
Виброгрохоты ГИТ-61 и «Симилисити» (США) (рис.1.3.в и рис.1.5а) созданы для условий работы в горной промышленности и относятся к машинам тяжелого типа с колебаниями, близкими к круговым. Вибрационный питатель-грохот фирмы «Симилисити» типов ОА-140-А производительностью 1000 т/ч имеет размеры рабочего органа 1,6x6,0 м, наибольший размер принимаемого куска 1,2 м. Загружается автосамосвалом через бункер. В качестве упругих связей применены винтовые пружины. Рабочий орган разделен на приемную и колосниковую части. У ВТМ с колебаниями, близкими к круговым, производительность и эффективность грохочения снижены по сравнению с аналогичными машинами с направленными колебаниями (питатель-грохот фирмы «Дейстер» с размерами рабочего органа 1,8x6,0 (рис.1.4,а)).
Наибольшее распространение за рубежом получили вибрационные питатели-грохоты и питатели следующих фирм: «Хевит Робине» (США), «Вибрекс» (Нидерланды), «Швадалаарбра» (Швеция), «Гумбольт» (ФРГ) и др. Машины имеют производительность от 100 до 5000 т/ч, размеры рабочего органа от 600x1800 до 2400x12000 м, наибольший размер принимаемого куска до 2 м; допускаемая высота падения горной массы 2,5-7,5 м; работают совместно с автосамосвалами, экскаваторами и дробилками.
На рис. 1.4 приведены образцы зарубежной техники для разделения ГМ в ГДУ, а на рис Л .5 показана передвижная грохотил ьная установка при комбинированном транспорте, работающая в Бурнете в Техасе (США) [99]. Установка включает полубункер, под которым установлен вибрационный колосниковый грохот типа АС-140-А фирмы «Симилисити». Общий вид машины показан на рис. 1.5.
Значительная часть отечественных исследований и опыта использования ВТМ приходится на машины, созданные для условий подземных разработок [123,52,51,33]. Описание конструкции и анализ работы ВТМ с традиционной компоновкой изложены в литературе [87, 48,33,89,108,130]. Активную позицию при создании ВТМ для ГДУ и комбинированного транспорта занимают ИГТМ АН Украины, ИГД УО РАН, УГГГА, Гипроникель, ГМО, ИГД, СО РАН, ПО «Уралмаш» и др. В СНГ в области разработки и исследования ВТМ, сложились научные школы и направления, созданные чл.-корр. АН СССР А.О.Спиваковским, академиком АН ГССР М.В.Хвингия, чл.-кор. РАН И.И.Блехманом, АЛ.Тишковым, И.Ф.Гончаревичем. Большое значение для решения теоретических и прикладных задач создания ВТМ имели работы, выполненные в горной промышленности докторами техн. наук А.Г.Червоненко, В.П.Дырдой, В.П.Франчуком, И.И.Кавармой, В.И.Крюковым, И.И.Быховским, Л.А.Вайсбергом, А.В.Юдиным, А.Д.Учителем, канд.техн.наук В.И.Пресняковым, Ю.А.Хажинским, В.В.Гущиным, А.Н.Косолаповым и др.
Увеличение объема перегрузочных работ в карьере предопределило разработку отечественных тяжелых питателей-грохотов для работы в сложных условиях карьеров. Значительный вклад в развитие этого направления исследований внесли сотрудники УГГГА под руководством проф. А.В.Юдина. Были разработаны вибропитатели-грохоты, предназначенные для работы в условиях стационарных и переносных ГДУ зарезонансного типа с направленными колебаниями РО. На рис.1.3, д,е приведены питатели-грохоты КВГ-1А и СВГ-1-200, предназначенные для установки под бункерами. Рабочим органом является жесткий сварной короб с расположенными внутри вертикальными колосниками. Рабочая поверхность питателя-грохота имеет приемную плиту из толстолистовой стали. Снизу рабочего органа установлены поперечные балки с расположенными на них вибраторами [139, 38, 153]. Вибропитатели-грохоты этого типа могут устойчиво работать под завалом и воспринимать небольшие ударные нагрузки от падающей горной массы. В то же время небольшие размеры рабочего органа таких ВТМ не позволяют использовать их в условиях мощных ГДУ, предназначенных для переработки больших грузопотоков, а небольшая масса и применение упругих опор в виде резинометаллических элементов делает невозможным их работу под загрузкой большегрузными автосамосвалами и экскаваторами.
Основываясь на результатах промышленных испытаний и эксплуатации грохотов КВГ-1А, СВГ-1 и СВГ-1-200, институтом «Гипромашобогащение» по заданию ИГД МЧМ в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР № 277 был разработан вибрационный питатель-грохот тяжелого типа ГПТ (образца 1975 г.).
Питатель-грохот ГПТ (рис. 1.6,а) состоит из следующих основных частей: РО, пружинных опор, вибропривода, аппаратуры управления. Он представляет одномассную колебательную систему с зарезонансным режимом работы. Имеет самосинхронизированный привод [121]. Рабочая поверхность образована приемной плитой длиной 2 м и грохотильной секцией каскадного типа. Привод питателя-грохота состоит из двух электродвигателей постоянного тока, установленных на специальной раме. Соединение валов электродвигателей с валами вибраторов осуществлено посредством упругих муфт.
Промышленные испытания ГПТ проведены на опытно-промышленном участке ЦПТ Качканарского ГОКа [147]. Руда, доставляемая автосамосвалами БелАЗ 548А, разгружалась в приемный бункер на слой ГМ. Высота падения железной руды составляла 7-8 метров. После разгрузки одного самосвала на приемную плиту ГПТ передавалась нагрузка около (16-20)х 104 Н. Скорость соударения отдельных кусков ГМ составила 14-16 м/с. Рис. 1.6 а) питатель-грохот ГПТ на испытательном стенде Поваровского завода 1- рабочий орган, 2- приемная площадка, 3- верхний каскад колосников, 4-нижний каскад колосников, 5- дебалансы, 6- опорные пружины б) полустационарный пергузочный пункт 1-подъездная эстакада м/с, 2- приемный бункер, 3-питатель-грохот ГПТ, 4-дробилка ЩДП-15х21,5, 5- конвейер При испытании установлено, что вибрационные машины могут работать в условиях ГДУ при значительных ударных воздействиях.
В 1980 г. ИГД УО РАН и институтом «Гипромашобогащение» был разработан питатель-грохот ГПТ усовершенствованной конструкции (рис. 1.7). В новом вибропитателе ГПТ (80) устранены недостатки его прототипа. Он имеет бескаскадный рабочий орган с колосниками и съемными плитами. Это позволяет использовать машину в варианте питателя и питателя-грохота. Вибропитатель имеет усиленные упругие опоры, комбинированный вибропривод с тиристорным управлением, усиленный РО. Опытно-промышленный образец изготовлен на Поварском опытном заводе, прошел обкатку на стенде института «Гипроникель».
Повышение эффективности самоходных и передвижных ГДУ, СДА обусловлено с введением в загрузочное устройство ВТМ с повышенной эффективностью грохочения.
В 1990 году Ижорским заводом совместно с УПТА, при участии автора, выполнено проектирование загрузочного устройства агрегата СДА-2000 на основе вибрационной техники. Для агрегата создан новый вибрационный питатель-грохот ГПТ-2. Новая машина имеет размеры рабочего органа 6x3 м и снабжена усиленными упругими опорами и амортизаторами удара, самобалансно-самосинхронизированным приводом.
Вибротранспортные и виброразделительные установки по принципу действия относятся к машинам непрерывного действия. Основными эксплуатационными характеристиками ВТМ являются производительность и эффективность разделения ГМ. Производительность машин зависит от скорости вибротранспортирования слоя на РО.
Разработка макромодели, структурный анализ и синтез вибропитателей-грохотов
Структурная модель вибропитателя-грохота выделяется как подсистема низшего порядка 2.2.2 в результате декомпозиции подсистемы 2.2 ГДУ. В целях упрощения терминологии в дальнейшем подсистему 2.2.2 обозначим «система ПГ» и будем исследовать как отдельную техническую систему, структура которой состоит из конечного множества элементов, связанных определенными отношениями, и имеющую вход и выход, характеризуемые параметрами состояния операнда и другими связями материального, энергетического и информационного характера.
Применительно к вибропитателям - грохотам как к ВТМ нового поколения и технической системе следует рассматривать две задачи системного подхода: задача синтеза - по заданному характеру функционирования и сформулированным требованиям определить структурную схему машины, удовлетворяющую поставленным условиям; задача анализа - при имеющейся структуре определить функционирование системы.
Накопленный опыт создания, промышленной проверки и эксплуатации позволяет сформулировать требования, предъявляемые к вибропитателям-грохотам в ГДУ: машина должна выполнять совмещенные функции, т.е. выполнять функции питателя и грохота; эффективность разделения ГМ на грохотильной секции, при заданной границе разделения, должна быть не менее 92-95 %; грохотильная (линейная или каскадная) секция должна состоять из колосников переменного сечения с образованием открытой щели между колосниками с возможностью изменять среднее расстояние между колосниками; параметры питателей-грохотов должны соответствовать условиям цикличного приема взорванной ГМ и условиям загрузки автомобильным транспортом большой грузоподъемности; наибольший размер принимаемого куска до 1,5 м; упругая система должна обеспечивать качественную вибро- и удароизоляцию и не допускать сверхнормативных перемещений РО под воздействием ударных нагрузок; машина должна обладать высокой надежностью и ремонтопригодностью; вибровозбудитель должен обеспечивать направленные колебания с коэффициентом режима 1,5-2,2 как с механической синхронизацией, так и с самосинхронизацией вибраторов; размеры машины должны геометрически соответствовать сопрягаемому технологическому оборудованию и другие требования.
Сформулированные требования, зарубежный опыт и опыт, накопленный в УГГГА по созданию вибропитателей-грохотов, позволяет определить элементный состав, отношения и связи между ними без исследования органоструктуры системы. Такие исследования выполнены в работе [153].
Система ПГ включает следующие основные подсистемы (элементы): рабочий орган (ПГ1), вибровозбудитель (ПГ2), привод (ПГЗ), упругая система (ПГ4), опорная рама (ПГ5), управление (ПГ6) (рис. 2.2,6).
Рабочий орган включает приемную секцию и грохотильную секцию. Приемная часть внедряется в бункер, сопрягается с его элементами, выполняет функцию питателя и осуществляет извлечение (вибровыпуск) ГМ из бункера (подподсистема 2.2.1) и передачу ее на грохотильную секцию. Функция грохотильной секций - разделить ГМ на два потока. Эта часть системы ПГ имеет технологическую связь с подподсистемами 2.3 и 2.4 (см. рис.2.1).
Вибровозбудитель (ВВ) двухроторный, жестко связан с РО и располагается под его приемной частью, ближе к загрузочному концу РО. Функция ВВ - образовать заданную возмущающую силу и передать ее РО под заданным углом вибрации, определив направленные колебания РО. ВВ выполняется в виде самосинхронизированной системы или с механической синхронизацией вибраторов.
Привод - электродвигатели постоянного тока с регулируемой угловой скоростью на каждый вал ВВ. Связь привода и ВВ осуществляется через эластичную лепестковую муфту или при помощи карданной передачи.
Упругая система состоит из двух частей. Основная часть - комплект стальных пружин с линейной характеристикой. Дополнительная часть -ограничители хода РО в виде резиновых или гидропневматических амортизаторов с нелинейной характеристикой.
Опорная рама - жесткая конструкция ограниченной массы, на которой закрепляется упругая система. Рама передает динамические нагрузки конструкциям ГДУ.
Подсистема управления - включает комплект датчиков, регистрирующих выходные параметры колебаний РО (х, у, р), и имеет связи с приводом (вибраторами) и упругой системой.
Теория технических систем применительно к машинному варианту приемлемо изложена в работе [131]. Разработке модели структуры той или иной технической системы (ТС) предшествует разработка модели технического процесса.
При описании технического процесса необходимо раскрыть суть термина «операнд», каковы его состояния и преобразования, какими операциями выполняются отдельные действия.
Операнд - это пассивный элемент рассматриваемой нами ТС, подвергаемый целенаправленному преобразованию. В общем случае к операнду может быть отнесена ГМ, доставляемая к ГДУ средствами автотранспорта или загружаемая из ковша экскаватора непосредственно в забое. Функционирование системы ПГ в основном заключается в приеме, извлечении (вибровыпуске) из бункера, передаче ГМ на грохотильную секцию, разделении ГМ на фракции и передаче фракций в дробилку и на конвейер. При помощи системы ПГ цикличный поток ГМ преобразован в непрерывный. Отсюда начальное положение операнда - исходная ГМ в бункере, промежуточное состояние - ГМ на приемной части ПГ, конечное -разделенный поток ГМ на надгрохотные и подгрохотные фракции.
Таким образом, операнд, проходящий через систему ПГ, подвергается следующим преобразованиям: изменяется принцип движения из цикличного в непрерывный, транспортируется на грохотильную секцию, разделяется на два класса. Все преобразования операнда выполняются с помощью одного оператора - РО вибропитателя-грохота. На основании приведенного описания технического процесса, осуществляемого системой ПГ, разработана ее функциональная модель (рис.2.2,а).
Сравнительное исследование моделей при воздействии на рабочий орган ВТМ ударных нагрузок
При промышленных испытаниях ГДУ установлено, что при разгрузке автосамосвалов РО вибропитателя получает значительную осадку и сверхдопустимую деформацию упругой системы.
Движение одномассной диссипативной системы с одной степенью свободы в соответствии с выражениями (2.9) и (2.10) (см. раздел 2.1.2) под действием ударной нагрузки описывается уравнением y + 2ny + p2-y = R(t)/M. (3.12)
Если возмущающая сила представлена в виде ударного импульса R(t) , то движение РО, вызванное ударной силой, в течение времени ее действия определяется по законам вынужденных колебаний. Если действие ударной силы резко прекращается в момент t\, то последующее движение РО становится свободным. При ударном воздействии на РО обычно используется его движение, соответствующее нулевым начальным условиям (у = 0, у = 0 при t = 0). Тогда решение уравнения (3.12) принимает вид [23]: У д -i - le- smMt R dt1. (3.13) МР\ о
Формула (3.13) применима для любого закона изменения R(t). Например, при внезапно приложенной нагрузке R(t)=0 при t 0 и R(t)=R при / 0 и при малом сопротивлении значение интеграла по выражению (3.13) в показательной форме записи имеет вид (3.14) R —sin/?,/ + cosp,/ \pl J 1-е Ууд М(р2-п2) -га Очевидно, выражение (3.14) является общим для подстановки в уравнение (3.12). Величина R определяет максимальное отклонение системы, отношение п/р\ - порядок затухания собственных колебаний в результате удара. Значение R определяется в зависимости от формы удара.
Входные нагрузки в системе ПГ {R на рис.2.2,б) образуют класс вынужденных колебаний РО - это ударные воздействия (например, силовые импульсы различной формы). Ударное воздействие характеризуется законом изменения R(t). Во всех случаях R(t) 0 при t % или 0 t x; R(t)=0 при / х, где х - длительность удара; R(t) - форма удара.
Под импульсной нагрузкой однократного действия понимается кратковременная нагрузка постоянного направления, имеющая не более одного максимума за время т. В общем виде импульсная нагрузка представляется выражением [57,118] m = R f f) при tx t r, R(t) = 0 при t v, где t= t\ - начало действия нагрузки; f(t) - функция, характеризующая форму импульса; Лтах - максимум нагрузки.
Нагрузка по выражению (3.15), кроме т uf(t), характеризуется Rmax или импульсом силы S. Реакция упругой системы на кратковременную нагрузку зависит от отношения х к периоду собственных колебаний системы Т. Если х/Г 0,1, то импульс можно считать мгновенным, а реакцию системы — зависящей только от величины импульса S. При т/Т 0,1 реакция зависит от всех трех параметров нагрузки. Если же т/Т 2,5, то за третий параметр нагрузки принимают ее максимум лтах и такие нагрузки уже теряют характер импульса [118]. Величину импульса при прямом ударе тела по РО определяют по приближенной формуле S = m-v0(l + K0), (3.16) где т - масса куска; v0 - скорость груза в начале удара; ЛГ0 - коэффициент восстановления при ударе.
При перегрузке ГМ в условиях ГДУ целесообразно рассматривать импульсные удары с простыми известными формами: прямоугольный/(7)=1; треугольный f(t)=th\ полусинусоидальный f(t)=s mпt/x; колоколообразный f(t)={\-cos 2ш/х)/2.
Ударные нагрузки в подсистеме ПГ проявляются как результат воздействия одиночных крупных кусков ГМ, последовательной серии кусков различной массы, разобщенного потока ГМ, который по своей природе близок к истечению струи. При наличии на РО слоя горной массы достаточной толщины энергия падающего куска частично расходуется на проникание в слой и его деформацию, на уплотнение слоя, а оставшаяся энергия передается на РО. В соответствии с отмеченными особенностями автором разработаны модели взаимодействия РО при различных схемах ударного нагружения. На рис.3.2 изображены модели взаимодействия при отсутствии и при наличии на РО защитного слоя ГМ. Модели на схеме 2.6,а,б описывают взаимодействие падающей горной массы в виде отдельного куска или струи с ВТМ. В этих моделях перемещения РО в результате удара могут быть определены как результат воздействия одного из серии ударных импульсов, а также как результат статической нагрузки [151].
Общее выражение для нахождения осадки РО при отсутствии на нём слоя ГМ и при воздействии силы продолжительностью т имеет вид [55]: у=-, ! - &—, ! , (3.17) ср?(г) [і -cosk{t-Т)\ІТ с0 JR(r)cosk(t-z)dt где: С - жесткость системы; R - возмущающая сила; к - коэффициент частоты; х - время приложения величины R.
Первый член описывает результат статического действия силы R(t), а второй член - динамическую поправку. Были исследованы два крайних случая: когда период свободных колебаний системы Т мал по сравнению с продолжительностью нарастания силы удара R(t), и наоборот. При этом установлены временные интервалы действия различных случаев нагружения вибропитателя. Так, интервалы действия мгновенного импульса составляют 0,005-0,05 с, импульса произвольной формы - 0,05-0,13 с; статической возрастающей нагрузки - 0,13-8,00 с.
В табл.3.1 приведены выражения, являющиеся математическим описанием импульсов различной формы и представляющие собой частные решения формулы (3.17) применительно к схемам а и б (см.рис.3.2).
Разработка схемы и описание динамики рабочего органа ВТМ при сложном нагружении
Анализ экспериментальных данных подтвердил зависимость изменения времени затухания послеударных колебаний РО от максимального смещения рабочего органа и коэффициента затухания TJ (кривые 3, см. рис.4.8,а,б и рис.4.9,а). Уравнение, связывающее вышеназванные параметры колебания РО, возможно записать в виде: l/n-\n[yjym) = ts (4.10)
Отклонения экспериментальных и теоретических значений времени ґ3 в соответствии с рис.4.8 и 4.9 не превышают величины 15-18%.
В разделе 4.1.2 по результатам теоретического исследования был сделан вывод о влиянии слоя горной массы в бункере ГДУ на параметры колебаний ВТМ. Для проверки этого вывода на приемную плиту стенда помещались металлические грузы различного веса и фиксировались вертикальные колебания РО. На рис.4.9,б приведены результаты экспериментов по исследованию влияния веса горной массы Рс, находящейся в бункере, на динамику вибропитателя. Анализ результатов эксперимента показал, что при нахождении в бункере (в зоне загрузки) слоя материала, составляющего 30-60% от массы РО, происходит общее снижение амплитуды колебания РО на 10-20% (кривая 1 рис.4.9,б, Кс — коэффициент снижения амплитуды ув), что согласуется с результатами моделирования процесса, проведенного на ЭВМ.
Предварительные опыты по исследованию проявления ударозащитных свойств слоя ГМ подтвердили общую тенденцию снижения динамической осадки РО при ударе. Кривые 2 и 2" рис.4.9,б построены по результатам расчета выражений раздела 4.1.3.2 (/2=1,8м; /уд=0,0,0,75/0,25Сд„ С=О,0 и 4x106 Н/м, соответственно), кривая 2 получена из экспериментальных исследований, проведенных по методике раздела 4.1.3.1. Установлено, что расхождение экспериментальных данных с теоретическими составляет 24-36% в диапазоне значений R=0,l-H3,5xl03 кН. Такое расхождение возможно объяснить тем, что использованная в разделе 4.1 модель столба ГМ, заимствованная нами из работ [53, 54, 134, 135], была разработана из условий статики процессов вибровыпуска, в которой общая динамическая жесткость столба Сш рассчитывалась как частное от деления всей ГМ на амплитуду перемещений РО. В нашем случае в ударном процессе участвует лишь часть слоя ГМ, что фактически снижает значение величины С Расхождение теоретических и экспериментальных данных также зависит от различия начальных условий процессов вибровыпуска и ударного нагружения ВТМ. Так , например, кинетическая энергия при ударном воздействии на слой ГМ в бункере сверху намного больше, чем вибрационное воздействие на него со стороны РО снизу:
Например, для условий взаимодействия системы с параметрами (М=23х103 кг; в=0,004 м; со=Ъ0 1/с; w=l,0xlО3 кг, #=3,0) это соотношение составило 1,173х103«29,4х103 [Нм].
Анализ работ [44, 56, 74, 114] по закономерностям нагружения различных сред, в том числе и насыпной ГМ, ударными нагрузками показал, что в процессе сопротивления внешним нагрузкам слой среды работает не только в продольном (как стержень), но и в поперечном направлениях. Из сказанного можно сделать вывод о том, что теоретическая модель ГМ в бункере, оцениваемая динамической жесткостью столба Сы, в соответствии с работами [53, 54, 134, 135] и взятая нами для исследования динамики вибропитателя, адекватно описывает влияние ГМ в бункере на стационарные параметры работы ВТМ, но не может с достаточной точностью описать ударозащитные свойства слоя на РО вибропитателя-грохота в условиях ГДУ.
На рис.4.10 приведены результаты экспериментов по установлению влияния дополнительной жесткости, устанавливаемой под загрузочный конец РО, на общее перемещение системы. В начале серии экспериментов проводились контрольные опыты по ударному нагружению РО со стандартным исполнением упругих опор (рис.4.10,а). Дополнительная жесткость в виде резиновых амортизаторов размером 0,08x0,04x0,04 м размещалась в свободные от пружин места в упругих опорах РО. Амортизаторы своей нижней поверхностью опирались на опорные кронштейны рамы установки, а их верхний срез отстоял от опорных кронштейнов РО с зазором, равным амплитуде колебаний РО в установившемся режиме.
Анализ осциллограмм показал, что при введении дополнительной жесткости амортизаторов в упругую систему виброустановки происходит существенное уменьшение максимальной динамической осадки утак и времени затухания высокоамплитудных колебаний з- При коэффициенте амортизаторов, равным трем жесткостям упругих опор вибростенда, динамическая осадка снижается на 26,5%, а время затухания /3 - на 45,6%. При введении в упругую систему амортизаторов с коэффициентом жесткости, равном пяти жесткостям опор вибростенда, величины утах, t$ снижаются на 50,2 и 70,2% соответственно. Замечено также резкое снижение послеударного смещения РО в отрицательную область от положения равновесия. На рис.4.11 показаны осциллограммы записи вертикальных перемещений РО виброустановки при ее прохождении через резонанс. Из приведенных записей перемещения РО следует, что установка амортизаторов удара существенно снижает высокоамплитудные отклонения РО от положения равновесия при запуске и остановке питателя. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало, что предложенная методика расчета перемещений системы с дополнительными элементами жесткости адекватно описывает реальные процессы. Упругая система вибрационного питателя-грохота ГПТ (75) была спроектирована по традиционной, центрированной по жесткости схеме. Его испытания на Качканарском ГОКе показали, что при разгрузке автосамосвалов БелАЗ-548А, определяющих значительные нагрузки на РО, возможны чрезмерные, вплоть до полного соприкосновения витков цилиндрических пружин, осадки РО на упругих опорах [71]. Учитывая опыт, упругая система вибропитателя-грохота ГПТ (80) выполнена разработчиками по нецентрированной схеме, значительно повышен общий коэффициент жесткости системы. Исследования УПТА, проведенные при участии автора на Качканарском ГОКе, показали, что в упругую систему ВТМ необходимо вводить амортизаторы удара (с ограничениями хода РО).
Для определения параметров движения динамической системы ВТМ с учетом амортизатора удара использована программа расчета уравнений (4.12) на ЭВМ. Расчет послеударных колебаний РО вибромашины включает рассмотрение двух чередующихся этапов колебательного процесса, различие которых состоит в учете разных коэффициентов жесткости подвески, так как в заключительной фазе движения вибромашины от положения равновесия в системе действует дополнительная жесткость амортизатора.
На графике рис.4.12 представлены зависимости изменения максимальной осадки и времени затухания ударных колебаний РО вибропитателя-грохота при воздействии на систему импульса прямоугольной формы и при центральном ударе. Сплошной линией изображены кривые изменения максимальной осадки при обычном использовании подвески, штриховыми линиями - при введении в подвеску амортизатора удара с жесткостью, равной утроенной жесткости упругой подвески. Исследование показало, что общее снижение осадок уул и времени затухания ударных колебаний РОВ /з составляет 24,2 и 42,3% соответственно. При повышении коэффициента амортизатора до пяти жесткостей опор снижение уул и ґ3 составит 45,7 и 65,1% соответственно. Разработанная методика расчета параметров ограничителей хода нами применена при проектировании машин ГПТ-1 иГПТ-2.
