Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ щековых дробилок и процесса дробления 8
1.1. Общий анализ процесса и машин для дезинтеграции пород 8
1.2. Анализ щековых дробилок 14
1.3. Анализ вибрационных щековых дробилок 19
1.4. Направления совершенствования конструкций и процессов дробления вибрационных щековых дробилок 26
1.5. Способы нагружения на материал в вибрационных и эксцентриковых дробильно-измельчительных машинах 32
1.6. Анализ основных теорий разрушения 35
Выводы 39
2. Теоретические исследования процесса в вибрационной щековой дробилке 40
2.1. Анализ процессов при дроблении материалов в вибрационной щековой дробилке с наклонной камерой дробления 40
2.2. Анализ динамической системы вибрационной щековой дробилки 44
2.3. Анализ режимов процесса вибротранспортирования 50
2.4. Оценка расчетной производительности 58
2.5. Построение математической модели зависимости теоретической производительности от частоты вращения дебалансов 62
Выводы 64
3. Экспериментальные исследования вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления 66
3.1. Актуальность проведения эксперимента 66
3.2. Планирование эксперимента 70
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований 70
3.4. Обработка результатов эксперимента 73
3.5. Результаты обработки экспериментальных данных 75
3.6. Построение математической модели зависимости производительности и степени дробления от частоты вращения дебалансов 80
3.7. Проверка адекватности модели 81
3.8. Результаты построения математической модели 82
Выводы 84
4. Применение вибрационных щековых дробилок с наклонной камерой дробления 86
4.1. Область эффективного применения вибрационных щековых дробилок 86
4.2. Направления совершенствования вибрационных щековых дробилок с наклонной камерой дробления 89
Выводы 92
Заключение 93
Литература 95
- Направления совершенствования конструкций и процессов дробления вибрационных щековых дробилок
- Способы нагружения на материал в вибрационных и эксцентриковых дробильно-измельчительных машинах
- Анализ динамической системы вибрационной щековой дробилки
- Методика проведения экспериментальных исследований
Введение к работе
В народном хозяйстве страны дробление и измельчение руд и других твердых материалов - одни из наиболее масштабных, энергоемких и дорогостоящих операций [15]. Ежегодно дроблению и измельчению в России подвергаются более 3 млрд. т. минерального сырья и других материалов. На эти цели затрачивается более 70 млрд. кВтч электроэнергии, или до 5% ее общего производства в стране [3].
По мере развития промышленности все большую актуальность приобретает проблема дезинтеграции полезных ископаемых, которая в значительной мере связана с совершенствованием процессов эффективного разрушения материалов различного происхождения. Это вызывает необходимость совершенствования дробильных машин и изыскания принципиально новых конструктивных решений, повышающих производительность и значительно интенсифицирующих процесс дезинтеграции материалов с получением продукта заданного качества.
Вибрационные щековые дробилки являются наиболее эффективными машинами на стадии крупного дробления твердых и сверхтвердых материалов. Многие организации ведут исследования по модернизации конструкции и совершенствованию методик расчета этих машин.
За последнее время значительно вырос интерес исследователей к вибрационным щековым дробилкам с наклонной камерой дробления.
Результаты экспериментальных исследований подтверждают факт увеличения производительности дробилок с наклонной камерой дробления. Однако не ясна причина данного явления, не известны область устойчивого режима работы и изменение технологических показателей с изменением частоты движения щек.
Поиск теоретически и экспериментально обоснованных рациональных параметров, определяющих эффективный режим работы вибрационной щеко-
5 вой дробилки с наклонной камерой дробления, является актуальной научно-технической задачей, решение которой имеет большое практическое значение.
Работа базируется на исследованиях: д.ф-м.н. И.И. Блехмана, д.т.н. Л.А. Вайсберга, д.т.н. Р.Ф. Нагаева, к.т.н. Л.П. Зарогатского, к.т.н. В.Я. Туркина и многих других ученых и конструкторов, на которые имеются ссылки в библиографии диссертации.
Целью1' работы является определение рациональных устойчивых режимов работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления в зависимости от частоты вращения дебалансов с учетом свойств динамической системы и влияния на процесс вибротранспортирования для обеспечения повышения эффективности работы.
Защищаемые научные положения:
1). Зона устойчивого режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления, которая на холостом ходу находится в межрезонансном диапазоне частот движения щек, а при работе под нагрузкой сужается и ограничивается со стороны высоких частот под воздействием негативного влияния кососимметричного резонанса, а со стороны низких частот - под влиянием неэффективного процесса транспортирования материала в камере дробления.
2). Производительность и степень дробления в устойчивом режиме работы вибрационной щековой дробилки с углом наклона камеры дробления 45 при дроблении материала типа гранит с увеличением частоты движения щек выражаются полиномами второй степени, при этом производительность растет, а степень дробления уменьшается.
Метод исследования. В работе используется комплексный метод исследований, включающий в себя теоретические исследования динамической системы и процесса вибротранспортирования, а также экспериментальные исследования, проводимые па промышленном полноразмерпом образце дробилки с учетом многофакторности и случайности процесса.
Научная новизна
Обоснованы и экспериментально подтверждены границы устойчивого режима работы вибрационной щековой дробилки с углом наклона камеры дробления 45.
Установлена механическая характеристика режима работы вибрационной щековой дробилки, представляющая собой зависимость производительности и степени дробления от регулируемого параметра - частоты вращения дебалан-сов.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается применением апробированных современных методов теории нелинейных колебаний, теорий синхронизации и вибротранспортирования, а также достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на промышленной полноразмерной вибрационной щековой дробилке с углом наклона камеры 45, при дроблении характерного для них продукта — гранита (расхождение результатов не превышает 12%, при доверительной вероятности 95%).
Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по выбору частотного режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления при достижении заданной производительности и крупности готового продукта и предложенной методике расчета производительности с учетом процесса вибротранспортирования.
Реализация результатов работы
Результаты работы приняты к использованию в ОАО «НПК «Механобр-техника» при проектировании новых конструкций вибрационных щековых дробилок с наклонной камерой дробления для выбора частотных режимов с целью получения заданных технологических показателей.
Апробация работы
Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на ежегодной научной конференции
7 молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПГГИ (ТУ), 2006, 2007), г. Санкт-Петербург; на международной конференции «Конгресс обогатителей стран СНГ» (МИСиС, 2007), г. Москва.
Автор выражает глубокую благодарность генеральному директору - научному руководителю НПК «Механобр-техника», д.т.н., проф. Л.А. Вайсбергу, главному конструктору к.т.н. В.Я. Туркину, д.т.н., проф. И.И. Блехману за постоянную творческую помощь, научное консультирование и административную поддержку работы, а также всем специалистам НПК «Механобр-техника».
Направления совершенствования конструкций и процессов дробления вибрационных щековых дробилок
В связи с изменением горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых (увеличение доли скальных пород, освоение месторождений в районах Сибири и Крайнего Севера) и технологических условий (вовлечение в переработку «бедных» руд, разработка техногенных месторождений и др.) становится все более актуальной проблема повышения технического уровня дробильно-размолыюго оборудования, а в частности вибрационных щековых дробилок [38].
В настоящее время ведется большая работа по модернизации и усовершенствованию вибрационных щековых дробилок и процессов дробления, протекающих в этих машинах.
Одним из направлений интенсификации процесса дробления в ВЩД является профилирование камеры дробления. В работе [34] предложено разбить рабочую поверхность на несколько зон (рис. 1.10), отличающихся шагом расположения и радиусом скруглення рифлений. Высота каждой зоны выбирается из условия трехкратного воздействия дробящих плит на материал, при котором размер куска уменьшается вдвое.
Исследования процесса дробления материала в промышленных условиях показали, что при использовании плит с переменным шагом и радиусом рифлений выход мелких фракций (переизмельчение) снижается до 36% и крупных до 12% по сравнению с комплектованием дробилки серийно выпускаемыми плитами.
В работе [45] поставлена и решена задача определения формы профилей рабочих поверхностей, обеспечивающих минимальность общего времени пребывания материала в рабочей полости. Эта задача решается из условия, что хотя бы одна из усредненных характеристик (средняя скорость движения материала, его объемная концентрация и относительная деформация) оставалась не изменой. В результате были введены три вида профилей: изодистационный профиль, обеспечивающий постоянство по высоте средней скорости движения материала; изоконцентрационный профиль, обеспечивающий постоянство по высоте средней концентрации разрушаемого материала; изодеформационный профиль характеризуется тем, что материал большую часть периода вибраций находится в состоянии деформации, а не свободного падения. Следующим направлением совершенствования вибрационных щековых дробилок является создание ВЩД с наклонной камерой дробления. В результате этой работы в ОАО «НПК «Механобр-техника» была создана экспериментальная установка вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления (рис. 1.11). После чего были проведены механические испытания, которые имели целью проверить принципиальную возможность -самосинхронизации вибраторов в машине произвольно ориентированной в пространстве. По результатам проведенных испытаний установлено [6; 58; 57]: в дробилке обеспечен синхронный противофазный режим вращения дебалансных вибраторов с четкими встречными колебаниями щек с расфазировкой равной нулю. Синхронность сохранялась при выключении вибратора и повторном включении на холостом ходу, а также при наличии нагрузки; неодинаковые начальные условия (закручивание торсионов в одну сторону, неравномерное воздействия масс щек и вибраторов на систему) не оказывают отрицательных явлений на синхронность работы машины и устойчивость режима; опробования дробилки подтвердили возможность установки дробящих щек в наклонном положении без поддерживающих пружин; дробилка устойчиво работает с одним вибратором и реактивной дробящей щекой; виброщековая дробила с вертикальной и наклонной камерой дробления при идентичных условиях работы показали, что производительность в наклонной дробилке выросла в 2,7 - 3,0 раза, эффективность Q-ив 1,65-2,76 раза, степень дробления практически не изменилась. На основе экспериментальных исследований был создан мобильный дробильный агрегат (рис. 1.12) на базе ВЩД 15x20 с наклонной камерой дробления, который имеет следующие преимущества по сравнению с существующими стационарными и передвижными дробильными установками [6]: осуществление загрузки дробилки на горизонте ее установки;
Способы нагружения на материал в вибрационных и эксцентриковых дробильно-измельчительных машинах
Физические явления, лежащие в основе известных промышленных способов дробления (и измельчения), принципиально разнятся. Однако все они направлены на создание в разрушаемом объекте зон деформаций и напряжений, превышающих предельные прочностные характеристики материала и стремящихся разорвать кристаллическую решетку с образованием поверхности разрушения. Коэффициент полезного действия данного процесса (дробления) не превышает 10%. Объясняется это тем, что потенциальная энергия деформации лишь в минимальной доле, сосредоточенной вблизи поверхности разрушения, затрачивается с пользой, а оставшаяся доля рассеивается в виде тепла.
Разрушение твердых тел является сложным многостадийным процессом, включающим появление в проблемных местах кристаллической решетки, развитие и слияние микродефектов, формирование зародышевых микротрещин, которые растут, объединяются, образуя макротрещины. В конечном счете, тело распадается на отдельные фрагменты.
Рациональная организация процесса разрушения должна предусматривать оптимальные условия для последовательного протекания каждой из перечисленных стадий. На рис. 1.14 представлено приложение нагрузки в традиционном дро-бильно-измельчителыюм оборудовании. Разрушение возникает в результате одноосного нагружения куска или нескольких, но в монослое, между рабочими органами машины. Стартовая трещина образуется в зоне возникновения наибольшего напряжения, т.е. в месте приложения нагрузки Р.
В случаях дробления особо прочных материалов требующих создания максимального усилия в машинах с жесткой кинематической схемой (щековые, конусные эксцентриковые дробилки, валки), с целью устранения возможного повреждения механизма, деформацию куска доводят до определенного уровня, не превышающего величину 8, с которой начинается прессование уже образовавшихся осколков, сопровождающееся заполнением пустот между ними накопившейся мелочыо. Естественно, что степень сокращения при таком способе ограничена, разрушение происходит неселективно и с большими энергозатра тами [46; 47; 48].
В результате, сфера применения эксцентриковых дробилок ограничивается пределом прочности материалов на сжатие. Более прочное измельчаемое сырье, например горные породы типа базальта, электрокорунд, карбиды различных металлов, сталь, твердые сплавы обычным механическим способом либо не разрушаются вообще, либо их разрушение связано с большими затратами энергии и обычно осуществляется в несколько стадий [26].
На основе проведенных фундаментальных теоретических и прикладных исследований были сформулированы принципы рациональной организации процесса селективного раскрытия поликристаллических агрегатов [26].
Для реализации поставленной выше задачи в середине прошлого века в СССР был создан новый класс дробильно-измельчительных машин, названных виброинерционными. Они предназначены для селективного раскрытия горных пород, а также для дробления высокопрочных, хрупких материалов.
Селективность раскрытия кристаллов с минимальным их переизмельчением достигается приложением к объемному слою материала строго дозированных сжимающих усилий, как правило, инерционного характера, и одновременно импульсных вибрационных сдвиговых нагрузок, вызывающих постепенное разупрочнение межфазных связей [26; 46; 47; 48; 49]. На рис. 1.15 представлена схема элементарного акта, реализованного в виброинерционных дробилках [26; 47; 48; 49; 53]. Разрушение материала в слое осуществляется при регулируемой нагрузке в условии интенсивного вибрационного воздействия. Такая технология дезинтеграции стала возможна благодаря исключению жесткой кинематической связи между дробящими телами (на схеме - матрица и пуансон), а, следовательно, исключению такого фактора, как величина 5, определяющая толщину слоя материала при максимальном сближении дробящих тел между собой. Таким образом, деформация слоя зависит только от его сопротивления процессу разрушения.
Инерционный принцип создания вибраций в дробилке позволяет сравнительно просто изменять величину дробящей силы Р. Это дает возможность настраивать дробилку только на разрушение межкристаллических связей без нарушения целостности самого кристалла.
Интенсивное вибровоздействие на слой материала способствует переориентации кусков относительно друг друга, а следовательно, знакопеременным напряжениям сдвига и изгиба в этих кусках. Одновременно идет активное удаление скапливающейся между кусками мелочи, которая в предыдущих рас смотренных случаях не только демпфировала взаимодействие дробящих тел между собой, но и разрушалась, что приводило к переизмельченига готового продукта.
Новый научный подход к проблеме разрушения твердых материалов с наиболее высокой эффективностью учитывает их физическую неоднородность, трещиноватость. Физический смысл перехода к селективной дезинтеграции заключается в организации процесса таким образом, чтобы разрушение происходило не по случайным направлениям сжимающих усилий, а преимущественно по границам минеральных зерен в результате развития на их границах сдвиговых и растягивающих нагрузок. При правильной организации процесса можно разрушить сколь угодно прочные материалы без переизмельчения кристаллов, а следовательно, с минимальными усилиями и затратами энергии, с высокой степенью сокращения за один рабочий цикл [18].
Анализ динамической системы вибрационной щековой дробилки
Анализ динамической системы вибрационной щековой дробилки рассматривается для параметров с вертикальной камерой дробления, при этом принимаются следующие допущения: влияние наклона камеры дробления на показатели устойчивости не значительно; влияние сопротивления дробящего материала не учитывается, как имеющее сложный случайный характер. Согласно теоретическим исследованиям, эффективная работа вибрационной щековой дробилки достигается при обеспечении синхронно-противофазного движения щек [7; 44]. Такое движение щек в ВЩД обеспечивается посредством явления самосинхронизации механических вибровозбудителей. Его суть состоит в том, что два или более кинематически и электрически не связанных между собой неуравновешенных ротора, установленных на общем подвижном основании и приводимых в движение от независимых асинхронных двигателей, вращаются синхронно, то есть с одинаковыми или кратными средними угловыми скоростями и с определенными взаимными фазами [10; 12; 41]. Для анализа расчета динамической схемы вибрационной щековой дробилки была выбрана схема с нежестким креплением вибратора на щеке (рис. 2.4). В соответствии с теорией, разработанной проф. Р.Ф. Нагаевым, «в качестве меры по обеспечению устойчивости синхронно-синфазного режима» принимают безразмерный коэффициент— х [40]: Для устойчивого режима необходимо и достаточно, что бы величина % была положительна. Выражение (2.1) связывает общей зависимостью конструктивные, кинематические и динамические параметры виброщековой дробилки. Второй показатель оценки устойчивости - стабильность г/, учитывает влияние электродвигателя на работу дробилки [36]: Согласно работе [57] одним из важных аспектов, необходимых для эффективного режима работы дробилки — это стабильность амплитуды движения щек, характеризующаяся величиной, равной отношению частот собственных колебаний щеки к вынужденным: СО Оптимальное значение данного коэффициента лежит в интервале существования простого периодического режима:
При таком комплексном подходе расчета устойчивого режима вибрационной щековой дробилки, кривые %, г/, Р ограничивают диапазон допустимых частот вращения дебалансов (рис. 2.5). Как видно из данного графика, устойчивый режим работы ВЩД соответствует всему диапазону частот между симметричным и кососимметричным резонансами. В дорезопансном диапазоне частот работа невозможна, несмотря на большой запас устойчивости. Это связано с тем, что на малых частотах сила, развиваемая дебалансами, мала для разрушения твердых и свертвердых материалов. Для работы в зарезонансном режиме, в котором также большой запас устойчивости, необходимо конструировать более тяжелую машину, что сильно сказывается на синхронизации дебалансов. Так как в вышеизложенном методе на динамическую схему и процесс в целом не учитывалось влияния материала, и его селективное разрушение, а также вибротранспортирования, разделения по крупности и наклона камеры дробления, необходимо провести экспериментальные исследования по уточнению данной методики для вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления под нагрузкой. Вышеизложенный метод расчета динамической системы вибрационной щековой дробилки позволяет определить устойчивость и стабильность синхронно-противофазного движения щек, но не позволяет оценить влияния транспортирования, степени дробления на производительность, и производительности на степень дробления. Поэтому необходимо рассмотреть методику расчета производительности, и как влияет процесс транспортирования на процесс дробления.
Методика проведения экспериментальных исследований
Согласно теории планирования эксперимента необходимо произвести дробление двадцати навесок гранита, имеющих одинаковый гранулометрический состав, одинаковую среднюю крупность (49,5 мм) и массу по 56 кг каждая. Исходный материал (рис. 3.4) необходимо рассеять на определенные классы крупности, после чего перемешать, чтобы каждая навеска имела следующий гранулометрический состав согласно табл. 3.1 (рис. 3.5). Преобразователем частоты установить первый уровень частоты, из ряда постановки опытов, после чего запустить дробилку; При установившемся режиме работы дробилки на данной частоте засыпать материал в приемную воронку и одновременно включить секундомер. (Питание дробилки осуществлять под завалом); Во время дробления материала на преобразователе частоты снять показания потребляемой мощности; Остановить секундомер, когда материал займет примерно одну треть камеры дробления; По завершении дробления дробилку отключить и дробленый материал пересыпать из приемного бака в ведро; На преобразователе частоты установить следующий уровень частоты, после чего эксперимент повторить; После завершения дробления всех навесок, готовый материал рассеять на втором комплекте сит, которые имеют следующие значения ячеек: +20; + 10; +5; +2,5; +1,25; Каждый класс крупности взвесить на электронных весах; Вычислить средний диаметр каждой навески по формуле: где У\,У2 Уз вы од отдельных классов, %; d{,d0,d3 - среднеарифметические диаметры узких классов крупности, мм; Вычислить степень дробления по формуле: где D — средневзвешенный диаметр кусков исходного материала, мм;
Вычислить производительность по формуле: где mt - масса продукта дробления, кг; t3 - время прохождения материала через камеру дробления массой mt, с; Провести статистическую обработку и анализ полученных результатов. Согласно методике проведения экспериментальных исследований по завершении экспериментов необходимо провести статистическую обработку и анализ полученных результатов. В соответствии с методикой проведения эксперимента, для каждой частоты вращения дебалансов были определены производительность, гранулометрический состав, степень дробления и потребляемая мощность. Каждый эксперимент содержит элемент неопределенности вследствие ограниченности экспериментального материала. Постановка параллельных опытов не дает полностью совпадающих результатов, потому что всегда существует ошибка опыта (ошибка воспроизводимости). Для этого опыт воспроизводится по возможности в одинаковых условиях несколько раз, о чем говорилось в параграфе 3.2., и затем берется среднее арифметическое всех результатов. Среднее арифметическое у равно сумме всех п отдельных результатов, деленной на количество параллельных опытов п [1]: Отклонение результата любого опыта от среднего арифметического можно представить как разность где уи - результат отдельного опыта. Наличие отклонения свидетельствует об изменчивости, вариации значений повторных опытов. Для измерения этой изменчивости чаще всего исполь зуют дисперсию s . Дисперсией называют среднее значение квадрата отклонений величины от ее среднего значения
