Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Требования к грохотам строительной индустрии 9
1.2. Обзор и сравнительный анализ грохотов с "активными" просеивающими поверхностями 12
1.3. Разработка классификации грохотов с "активным" ситом и перспективы их развития
1.4. Краткий обзор исследований параметрических колебаний гибких нитей (струн) и лент
1.5. Цель и задачи исследований . 47
2. Теоретическое исследование работы параметрически-резонансного виброгрохота 49
2.1. Предпосылки исследования 49
2.2. Принципиальная охема грохота и назначение его элементов 50
2.3. Кинетика процесса фракционирования сыпучей смеси 53
2.4. Параметрические колебания просеивающей поверхности грохота 57
2.5. Вибрационное перемещение материала по ситу грохота 78
Выводы 87
3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований 88
3.1. Предпосылки исследований 88
3.2. Устройство и описание стендовой установки 89
3.3. Измерительная аппаратура, методы проведения измерений 97
3.4. Программа проведения экспериментальных исследований
Выводы
4. Экспериментальные исследования грохота при фракционировании влажного песчано-гравийного сырья
4.1. Общие положения
4.2. Определение коэффициента сепарирования песча-но-гравийной смеси
4.3. Исследование влияния параметров грохота на декремент затухания колебаний сита
Выводы
5. Расчет параметров грохота и реализация результатов исследований
5.1. Методические основы расчета рациональных параметров грохота
5.2. Относительная оценка интенсивности самоочистки сита грохота
5.3. Совершенствование грохотов с параметрическим вибровозбуждением просеивающих поверхностей .147
5.4. Технико-экономическая эффективность реализации результатов исследований 155
Выводы 158
Заключение
Литература
Приложения 176
- Обзор и сравнительный анализ грохотов с "активными" просеивающими поверхностями
- Принципиальная охема грохота и назначение его элементов
- Устройство и описание стендовой установки
- Определение коэффициента сепарирования песча-но-гравийной смеси
Введение к работе
Актуальность работы. "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" перед промышленностью строительных материалов поставлена задача "увеличить объём выпуска продукции на 17-19$". Реальной основой для обеспечения такого прироста является улучшение технологии переработки добываемого сырья на базе внедрения прогрессивного оборудования, в том числе и вибрационных грохотов.
В СССР в связи с обводненностью более чем 60$ месторождений пеочано-гравийного сырья его высокоэффективное фракционирование затруднено из-за залипання просеивающих поверхностей применяемых грохотов исходной влажной массой. Наиболее эффективное разрешение проблем переработки трудногрохотимых материалов заключается в создании грохотов с самоочищающимися "активными" ситами. Перспективным типом таких грохотов является параметрически-резонансный виброгрохот, позволяющий успешно фракционировать влажное песчано-гравийное сырье в режиме сухого грохочения.
В связи с этим исследование, направленное на решение научной задачи обоснования параметров параметрически-резонансного виброгрохота, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей фракционирования влажного песчано-гравий-ного сырья, является актуальным.
Цель "работы. Установление закономерностей работы пара-
метрически-резонансного виброгрохота и на этой основе обоснование его параметров, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей фракционирования влажного песчано-гра-вийного сырья.
Идея работы. Использовать параметрический способ вибровозбуждения просеивающей поверхности грохота для улучшения технико-экономических показателей фракционирования влажного песчано-гравийного сырья.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна. Впервые установлено, что у параметрически-резонансного виброгрохота:
интенсивность самоочистки просеивающей поверхности при увеличении ее предварительного натяжения растет по линейному закону, причем при фракционировании песчано-гравийного сырья влажностью 8-10$ она в 1,5 раза превышает интенсивность самоочистки сита резонансного грохота с вибрирующим коробом, работающего с аналогичными режимными и технологическими параметрами;
область существования рациональных режимных параметров ограничена такими их значениями, которые обеспечивают выполнение условия устойчивости колебаний просеивающей поверхности в зоне главного параметрического резонанса и условия устойчивости виброперемещения материала по ситу в режиме с непрерывным подбрасыванием;
при определении границ устойчивости главного параметрического резонанса просеивающей поверхности основные параметры: предварительное натяжение сита, вынуждающая сила вибратора, жесткость натяжных пружин и технологическая нагрузка - с достаточной точностью могут учитываться декрементом затухания собственных колебаний сита, который нелинейно зависит от
технологической нагрузки, оказыващой наибольшее влияние на его величину.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:
корректным применением положений статистической теории сепарирования сыпучих смесей, теории динамической устойчивости упругих систем и теории вибрационного перемещения;
использованием апробированных мотодов планирования эксперимента и отатистической обработки ого результатов;
применением стандартной виброизмерительной и регистрирующей аппаратуры, экспериментальными исследованиями с использованием фотометодов;
объемом экспериментов, достаточным, чтобы с вероятностью 0,95 отклонения результатов не превысили 15$.
Значение работы. Научное значение диссертации заключается в установлении закономерностей и разработке математической модели работы параметрически-резонансного виброгрохота и обосновании его рациональных параметров.
Практическое значение - состоит в разработке рекомендаций по выбору конструктивной схемы и рациональных параметров параметрически-резонансного виброгрохота, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей фракционирования влажного песчано-гравийного сырья.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Методические основы расчета рациональных параметров па-раметричесюьрезонансного виброгрохота использованы отраслевой лабораторией "Переработки нерудных строительных материалов и камнеобработки" Московского горного института при разработке технического задания на проектирование опытно-промышленного образца грохота; данное техническое задание, а также ре-
комендации по выбору рациональных параметров грохота и его конструктивной схемы используются КТБ Мосоргстройматериалы при разработке рабочей документации. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработок на предприятиях Главмоспромстройматериалов составляет 30,2 тыс. рублей на один грохот.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены и одобрены на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г. Люберцы; ИГД им. А.А.Ско-чинского, 1983 г.).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 141 наименования и содержит 187 страниц, в том числе 146 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 9 таблиц, список литературы на 14 страницах, а также приложение на 12 страницах.
Обзор и сравнительный анализ грохотов с "активными" просеивающими поверхностями
В отечественной и зарубежной практике создания грохотов особое место занимает разработка специальных конструкций, предназначенных для разделения трудногрохотимых материалов: мелкого сыпучего оырья, сырья с повышенным содержанием влаги, глинистых, илистых, пылевидных, липких включений, а также так называемых трудных зерен. Для работы с такими материалами существует и быстро развивается особый класс грохотов -грохоты с "активными" просеивающими поверхностями, или грохоты с "активными" ситами [36].
Среди грохотов с "активным" ситом следует выделить конструкции с непосредственным вибровозбуждением просеивающей поверхности. Так, еще с 20-х годов.известны грохоты с местными вибрациями сита [26], представляющие собой плоские наклонные конструкции с неподвижно установленным коробом. Тканое сито закреплено в коробе по всему периметру. Отдельные участки сита получают колебания от локальных вибраторов, в качестве которых используются либо кулачковые механизмы, либо электромагниты. Первое устройство получило название вибрационное сито Дейетер, второе - электровибрационное оито Хаммер [87, 88]. Некоторые технические характеристики таких сит: амплитуда колебаний 0,125-0,5 мм, частота колебаний 25-100 Гц, ускорение ситовой ткани - до 15а, угол наклона сита к горизонту - до 45 град.
С 50-60-х годов к грохотам с непосредственным вибровозбуждением сита вновь проявляется повышенный интерес [68, 124, 134], поскольку именно они обеспечили высокие точность и удельную производительность разделения мелких сыпучих материалов (рис. 1.1). Срок службы сит грохотов Ревум достигает одного года. В отечественной практике при переработке мелкодисперсных материалов применяют грохот марки IHBT, по своему исполнению схожий с ударно-вибрационными грохотами фирмы Rbeiwi-ScKe Wettkzoi9 4wcT MacVwewfabfuk 11243. На этих грохотах также применяются электромагнитные вибраторы, обладающие важными преимуществами в сравнении с другими, а именно: позволяют просто регулировать амплитуду колебаний своего рабочего органа, потребляют сравнительно мало электроэнергии [13].
Дальновидным шагом при создании этого типа грохотов был отказ от передачи вибрации ситу посредством приведения в колебательное движение обладающих большой инерционностью массивных элементов, к которым сито прикреплено: рам, короба и т.п. Отказ был обусловлен широко имеющими место выходами из строя (под действием больших знакопеременных напряжений) сварных коробов, подшипниковых узлов и т.д., а также передачей вредных динамических воздействий на фундаменты грохотов и несущие конструкции зданий обогатительных фабрик и сортировок. Решением возникших проблем стал способ непосредственного вибровоздействия на просеивающую поверхность, в то время как короб, рама или корпус такого грохота остаются неподвижными. Периодическое сужение и вытягивание ячеек сит под действием толкателей вибраторов придает ситам рассмотренных грохотов еще большую "активность", ведет к улучшению их самоочистки, повышению удельной производительности. Техническая реализация принципа взаимной подвижности элементов, совокупность которых образует сито, является основным направлением в создании грохотов с "активными" просеивающими поверхностями. Здеоь можно выделить несколько конструктивно различающихся групп грохотов.
Так, для предварительного грохочения многих полезных ископаемых применяются роликовые и валковые грохоты. Например, в угольной промышленности до I960 года наибольшее приненение нашли валковые грохоты типа ІВД-7 и ГВФ-9 с фигурными дисками. В процессе длительной эксплуатации были выявлены недостатки в работе подобных грохотов, и последние претерпели ряд модернизаций. В итоге было достигнуто промышленное освоение валковых грохотов типа FB с эксцентричными круглыми дисками. Принцип действия прост: грохочение происходит на просеивающей поверхности, составленной из вращающихся валков. Наиболее приспособленным для разделения высоковлажных сыпучих материалов оказался валково-днсковый самоочищающийся грохот, валки которого представляют набор эксцентричных дисковых пакетов. Очистка просеивающей поверхности производится установленными в зазоры между дисками неподвижными ножами, к которым для улучшения процесса очистки подается пар. Работая на таких грохотах с материалом влажностью W до 50-60 , удается добиться следующих показателей: при разделении по классу 3 мм удельная производительность по подрешетному продукту составляет 12 т/ч.г, по классу 25 мм - 18 т/ч м2, по классу 50 мм - 30 т/ч-м2. Эффективность грохочения Е при этом превышает 90 [951.
Принципиальная охема грохота и назначение его элементов
Идея настоящей работы заключается в использовании для улучшения показателей вибрационного грохочения оыпучего материала параметрических колебаний просеивающей поверхности грохота. Данные колебания возникают при вводе колебательной системы "просеивающая поверхность" в режим параметрического резонанса путем периодического изменения ее поперечной жесткости. В работе исследуется грохот с эластичным -ситом, набранным из автономных струн, расположенных в одной плоскости.
Изменение поперечной жесткости струн вызывается их периодическим осевым растяжением. Закон изменения вынуждающей силы - гармонический. Вследствие возникновения как относительных колебательных движений струн, так и их периодического осевого растяжения, самоочистка просеивающей поверхности осуществляется о повышенной интенсивностью. Кроме того, параметрический виброгрохот реализует экономичный способ передачи движения непосредственно ситу, что обеспечивает устройству дополнительные преимущества. Указанные ооновные достоинства данных грохотов обусловливают улучшение технико-экономических показателей переработки трудногрохотимых материалов.
Технически реализация параметрического резонанса просеивающей поверхности осуществляется устройством, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2.1. Устройство включает рабочий орган - просеивающую поверхность 2, закрепленную одной стороной неподвижно I, а другой 3-е возможностью возвратно-поступательных движений в своей плоскости. Они вызываются соединенным с элементом крепления 3 вибратором направленного действия 4. Направляющие 5 обеспечивают перемещение подвижного элемента крепления сита 3 только в плоскости последнего. Такой способ вибровозбуждения способствует возникновению параметрических колебаний в элементах просеивающей поверхности. Натяжение сита осуществляется через упругую связь 6 натяжным устройством 7. матери ал, подаваемый из загрузочного устройства (на рис. не показано) разделяется по крупности на сите, совершающем резонансные параметрические колебания. Подрешетный и надрешетный продукты по мере виброперемещения по ситу и проникновения сквозь его отверстия накапливаются в разгрузочных емкостях.
В соответствии с предпосылками исследования (разд. 2.1) предстоит связать величину извлечения с основными параметрами грохота, обеспечив при этом режим параметрических колебаний сита и наиболее благоприятный режим вибрационного перемещения материала по просеивающей поверхности.
В основе многих технологий лежит разделение сыпучих смесей на отдельные фракции по крупности частиц путем виброгрохочения, поэтому для теории работы грохотов, применяемых в этих процессах, наибольшее значение имеет исследование поведения отдельных частиц в колеблющихся сыпучих средах CI8, 781.
В ходе изучения этих процессов сложились различные научные подходы к проблеме, различные научные направления: стохастический подход, детерминистский подход, попытки совместить два этих направления исследований.
При детерминистском подходе (И.И.Блехман, Р.Ф.Нагаев, В.А.Перов, В.В.Гортивский и другие) к математическому моделированию процесса грохочения, указанная задача рассматривается в предположении, что "сопротивление среды подобно силе сухого трения: частица остается неподвижной относительно среды до тех пор, пока действующая на нее сила не превосходит определенного предела. Подобная гипотеза соответствует при извест ных ограничениях условиям движения частицы в сыпучей среде и в жидкости с относительно высокой концентрацией твердой фазы" [181. В исследованиях [41-43] сыпучее тело представлено совокупностью множества пластинчатых малых масс, коэффициент трения между которыми монотонно растет от верхнего граничного слоя к нижнему [1221. В LI81 указывается, что система дифференциальных уравнений движения слоев сыпучего тела не решается аналитическим путем, так как эти уравнения нелинейны.
Детерминистский подход, объясняющий основные качественные закономерности расслоения сыпучих смесей под действием колебаний, не позволяет охватить всё многообразие факторов, определяющих процесс грохочения 1851.
В последней работе показано также, что наиболее правомерным является стохастический подход (Е.А.Непомнящий, Е.Г.Григорьева, Г. Шуберт, А.Майнель и другие) к процессу разделения сыпучих смесей по крупности частиц.
Существует также попытка подхода, объединяющего как стохастические, так и детерминистские воззрения на исследуемый процесс, предпринятая в работе Г201. Здесь делается вывод о возможности сосуществования двух механизмов вибрационного разделения сыпучих смесей - "детерминированного" и чисто диффузионного.
Устройство и описание стендовой установки
Для проведения экспериментальных исследований была спроектирована и изготовлена в виде стендовой установки модель параметрически-резонансного виброгрохота, позволяющая проводить эксперименты по: - исследованию колебаний эластичного сита в режиме параметрического резонанса; - исследованию процесса грохочения сыпучего материала на параметрически вибровозбуждаемом сите; - определению эмпирических коэффициентов; - установлению оценки интенсивности самоочистки просеивающей поверхности.
Стендовая установка вибрационного грохота с параметрическим возбуждением колебаний эластичного сита (рис. 3.1) состоит из поддерживающей рамы I, включающей стойки: 2 - для крепления сита, 3 - для установки натяжного устройства, а также направляющие прямолинейного движения 4. На стойке 2 с помощью разъемного соединения неподвижно установлена гребенка 5, на которой закреплена одна оторона просеивающей поверхности 7. В качестве просеивающей поверхности выбрано широко применяющееся в настоящее время для отсева мелких фракций сыпучего материала резиновое струнное сито, которое представляет собой набор установленных в одной плоскости резиновых струн (жгутов) стандартного диаметра 6,5 мм, изготовленных из резины марки ИР-52А. Для их крепления взята гребенка типоразмера, обычно применяющегося на грохотах предприятий строительных материалов для разделения по граничному зерну 5 мм.
Вторая сторона сита закреплена такой же гребенкой 6. Последняя жестко соединена с вибратором 8. Вибратор 8 представляет собой прямоугольную коробку, в которой с помощью подшипниковых узлов установленн два параллельных вала. Валы синхронизируются между собой двумя прямозубыми шестернями, установленными жестко на валах. каждой из шестерен с помощью резьбовых шпилек крепятся стальные сегменты, играющие роль деба-лансов вибратора, причем зацепление шестерен осуществлено так, что вращение дебалансов происходит в одной плоскости и в противофазе. Последнее обстоятельство имеет большое значение для данного грохота, так как обеспечивает действие вынуждающей силы вибратора только в одном направлении. Такие возбудители колебаний относятся к вибраторам направленного действия и называются самобалансными вибраторами, или вибраторами Бюллера. Регулировка силы, развиваемой вибратором, осуществлялась установкой на шестерни дополнительных дебалансов.
Гребенка 6, поддерживающая сито 7, прикреплена к вибратору 8 таким образом, чтобы плоскость просеивающей поверхности и плоскость действия силы, развиваемой вибратором, совпадали. Шенно в этом случае, когда вынуждающая, сила.вибратора направлена вдоль осей струн сита, возможно (при определенных значениях конструктивных, режимных и технологических параметров) достичь явления параметрического резонанса эластичных струн.
Вибратор 8 снабжен кареткой с консольно закрепленными на ней обрезиненннми подшипниками качения. Наличие данного узла позволяет вибратору во время работы грохота совершать возвратно-поступательные движения только в плоскости сита. Обеспечивается это тем, что каретка вибратора 8 устанавливается своими подшипниками-,,колесами" на направляющие прямолинейного движения 4, которые выполнены заодно с рамой грохота I, причем параллельно как самой раме, так и ситу 7.
Для регулировки предварительного натяжения сита 7, грохот оснащен натяжным устройством, состоящим из двух узлов, каждый из которых включает пружину 9, работающую циклически на растяжение, и резьбовую шпильку с крюком 10, имеющую возможность осевого перемещения и фиксации в стойке 3.
К боковому швеллеру рамы I болтами прикреплена пластина, на которой посредствои двух фасонных подставок, упора и хомута установлен привод грохота, роль которого играет исполнительный двигатель постоянного тока типа СЛ (управляемый микродвигатель с независимым электромагнитным возбуждением).
Определение коэффициента сепарирования песча-но-гравийной смеси
В уравнение (2.7), связывающее одну из характеристик процесса грохочения - величину извлечения подрешетного материала с режимными параметрами виброгрохота, в частности - со скоростью виброперемещения материала по ситу, входит коэффициент о , который разные авторы называют коэффициентом сепарирования, сегрегации, диффузии или самосортирования. Коэффициент о представляет собой характеристику случайного процесса движения частицы сквозь слой исходного материала в заданную область просеивающей поверхности за определенный промежуток времени. Коэффициент о зависит от размера частиц, от их "подвижности" или от взрыхленности слоя материала. Для конкретной сыпучей смеси (например, песчано-гравийной) он является величиной постоянной. Аналитическое определение коэффициента о невозможно в настоящее время. И хотя установление его величины или выявление зависимостей от влияющих факторов представляется основной проблемой при выработке инженерных методов расчета эффективности грохочения, единственной реальной возможностью определения о является эксперимент [441.
Е.А.Непомнящим было предложено несколько методик определения коэффициента о [81, 833. Эти методики выполнимы при возможности широкого варьирования размеров отверстий просеивающих поверхностей или размеров частиц. Наиболее приемлемой для условий эксперимента на стендовой установке представляется следующая методика Г821:
В условиях установившегося движения песчано-гравийной смеси по параметрически вибровозбуждаемой просеивающей по - 114 верхности, расположенной наклонно к горизонту, производится снятие весового баланса подрешетного и надрешетного продуктов грохочения.
Гранулометрический состав исследуемой песчано-гравийной смеси (табл. П.4.1) определялся путем просеивания и расчета массовой доли каждой фракции по остатку на ситах с отверстиями диаметром 10, 5 и 3 ми и поддерживался постоянным для всех экспериментов. Влажность также поддерживалась искусственным путем на постоянном уровне.
Параллельно, в том же установившемся режиме грохочения с помощью секундомера определялось время L прохождения ситовой поверхности мечеными частицами, на основании чего определялась величина средней скорости ]/Ср подачи материала.
В ходе экспериментов параметры грохота были зафиксированы на среднем уровне. Толщина слоя материала регулировалась путем поворота 8аслонки бункера-дозатора, а измерялась с помощью масштабной сетки, нанесенной на прозрачную боковую стенку грохота. Амплитуда и частота колебаний сита измерялись в соответствии с методами, описанными в главе . Вообще говоря, с увеличением ускорения движения просеивающей поверхности Дір2 у коэффициента сепарирования наблюдается тенденция к асимптотическому росту [44]. По аналогии с экспериментами, описанными в [82], в настоящем исследовании принято "осреднение" коэффициентов сепарирования в диапазоне параметров грохота, что значительно упрощает работу. Уточнение величины коэффициента о связано с установлением степени влияния на него режимных и технологических параметров виброгрохота.
Среди задач экспериментального исследования, поставленных в предыдущих главах, особое место занимает установление связи декремента затухания собственных колебаний загруженного сита с параметрами грохота.
Действительно, величина декремента А необходима для определения границ области динамической неустойчивости просеивающей поверхности (см. формулу (2.18)). Определение А явится вкладом в расчет рациональных параметров грохота.
В рассматриваемой параметрической колебательной системе влияние затухания проявляется прежде всего в том, что возбуждение незатухающих колебаний просеивающей поверхности становится возможным лишь при значениях коэффициента пульсации (см. формулы (2.16) и (2.19)), больших некоторого предельного значения о ы С 233:
В данном случае, подобно скорости виброперемещения (выражение (2.46)), являющейся интегральной характеристикой, через которую на эффективность грохочения влияют амплитуда А и частота ф колебаний сита, угол его наклона Ы- и угол вибрации Ь ,- декремент затухания А также представляет собой своеобразную интегральную характеристику, через которую на условия возникновения незатухающих параметрических колебаний влияют такие параметры исследуемого грохота, как: предварительное натяжение сита R , величина технологической нагрузки а , величина жесткости пружин натяжного устройства С , масса дебалансов вибратора М . Это - основные параметры, влияющие на величину декремента затухания Д . Данное влияние обусловлено диссипативннми или восстанавливающими свойствами соответствующих параметров. Характеристику затухания периодических процессов в колебательных системах часто устанавливают вычислением логарифмического декремента с помощью экспериментальных виброграмм: определяют величину натурального логарифма отношения двух соседних амплитуд по виброграмме затухающих колебаний. Однако из соображений, изложенных в НО], следует, что при наличии разрыхленной среды грохотимого материала значения характеристик затухания целесообразнее определять косвенным путем. В данном эксперименте это можно осуществить с помощью предельного значения коэффициента пульсации м .
