Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Анализ конструктивных решений резонансных вибротранспортных машин 8
1.2. Обзор исследований по транспортированию горной массы вибротранспортными машинами 22
1.3. Задачи исследований 30
2. Исследование рабочего процесса резонансных вибротранспортных машин 31
2.1. Обоснование критерия эффективности рабочего процесса резонансных ВТМ 31
2.2. Непроизводительные энергозатраты при работе резонансных ВТМ
2.3. Математическая модель рабочего процесса резонансной ВТМ 42
2.4. Стохастическая модель движения груза в резонансной ВТМ 49
2.5. Методика определения энергозатрат при безотрывном режиме вибротранспортирования горной массы резонансной ВТМ 58
2.6. Выводы 61
3. Экспериментальные исследования опытно- промышленной резонансной вибротранспортной машины 63
3.1. Описание установки, задачи исследований и методика проведения эксперимента 63
3.2. Скорость вибротранспортирования горной массы резонансной ВТМ
3.3. Определение энергозатрат при вибротранспортировании горной массы 74
3.4. Выводы 80
4. Выбор основных параметров резонансных вибротранспортных машин 81
4.1. Исходные данные и методика расчета 81
4.2. Пример расчета параметров резонансной ВТМ с магнитно-индукционным двигателем 94
4.3. Выводы 101
Заключение 102
Литература 104
- Обзор исследований по транспортированию горной массы вибротранспортными машинами
- Непроизводительные энергозатраты при работе резонансных ВТМ
- Методика определения энергозатрат при безотрывном режиме вибротранспортирования горной массы резонансной ВТМ
- Скорость вибротранспортирования горной массы резонансной ВТМ
Введение к работе
Актуальность работы. В горнодобывающей промышленности процессы транспортирования и классификации твердых полезных ископаемых являются одними из наиболее масштабных и относительно энергоемких операций. Эти операции практически всегда используются и при производстве строительных материалов. В процессах транспортирования и классификации горной массы широко используются вибротранспортные машины (ВТМ). Практика эксплуатации вибротранспортньтх машин показывает, что в результате совершенствования их конструкции и режимов работы можно добиться определенного роста эффективности ВТМ и всего горнодобывающего предприятия. В связи с этим дальнейшее развитие вибротранспортных машин имеет важное экономическое значение.
Общая конструкция ВТМ зависит от типа вибровозбудителя - двигателя и трансмиссии. В настоящее время наибольшее распространение в горной промышленности получили ВТМ с силовыми, кинематическими, комбинированными и поршневыми (пневматическими и гидравлическими) вибровозбудителями. Абсолютное большинство этих ВТМ работают в «быстроходном» режиме с зарезонансной частотой.
Резонансные ВТМ появились в середине XX века. Конструктивное исполнение вибровозбудителей у этих машин было такое же, что и у зарезо-нансных ВТМ. Основным недостатком известных резонансных ВТМ является значительная нестабильность режима колебаний. При изменении технологической нагрузки это приводит к снижению эффективности процесса, что практически исключило их применение в промышленности.
Альтернативой известным вибровозбудителям являются линейные импульсные электромагнитные двигатели, одно из главных достоинств которых - простота конструкции трансмиссии. Рабочий процесс этих резонансных ВТМ с линейным импульсным двигателем в меньшей степени зависит от изменения технологической нагрузки. В отдельных случаях это также приводит к снижению эффективности их работы. В этой связи исследования, направленные на изучение рабочего процесса резонансных ВТМ с целью стабилизации и повышения эффективности их работы, являются актуальной научной задачей.
Предмет исследования - резонансные вибротранспортные горные машины с линейным импульсным электромагнитным двигателем.
Объект исследования - установившиеся и переходные рабочие процессы резонансной вибротранспортной машины с линейным импульсным двигателем.
Цель работы — повышение эффективности работы вибротранспортных резонансных горных машин с линейным импульсным электромагнитным двигателем на основе уточненной математической модели рабочего процесса, обоснования рациональных параметров и совершенствования конструкции ВТМ.
Идея работы заключается в том, что повышение эффективности рабочего процесса вибротранспортной машины можно осуществить путем выбора рациональных электромеханических параметров, учитывающих изменение рабочей нагрузки и, соответственно, режим работы горной машины.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Для заданной амплитуды и частоты колебаний минимум энергозатрат при работе резонансной ВТМ достигается при определенном соотношении массы груза и массы рабочего органа.
2. Обеспечение стабильной работы ВТМ в резонансном режиме при увеличении массы транспортируемого груза до величины, соизмеримой с массой рабочего органа, достигается, если двигатель имеет 20...25 % запас мощности от расчетной.
3. Одним из критериев энергетической эффективности работы резонансных ВТМ является отношение работы транспортирования к величине горной массы, находящейся на рабочем органе.
4. Процесс вибротранспортирования горной массы, имеющей случайные трибологические характеристики, с достаточной для практики степенью точности описывает стохастическая модель.
Научная ценность работы заключается в выявлении взаимосвязи электромеханических характеристик импульсного двигателя и динамических параметров резонансной вибротранспортной машины, а также разработке математической модели рабочего процесса ВТМ.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке методики расчета режимных параметров резонансных низкочастотных ВТМ и энергетических параметров линейных импульсных двигателей.
Личный вклад автора состоит в организации и проведении экспериментальных исследований, анализе их результатов, разработке стохастической модели процесса безотрывного вибротранспортирования горной массы и энергетического критерия эффективности работы резонансных ВТМ.
Достоверность и обоснованность основных научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректным использованием положений теории вероятности и математической статистики, методов математического и физического моделирования, апробированными методами экспериментальных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, относительное расхождение которых не превышает 10-15 %.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при проектировании резонансной ВТМ для классификации шихты в ОАО «Уралредмет» и машины для классификации хвостов россыпей.
Апробация работы. Основные результаты работы и её отдельные положения докладывались на 13-й Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», Екатеринбург, 2008 г., заседаниях кафедры горнопромышленного транспорта, научного семинара кафедр горномеханического факультета УГГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы в журналах, материалах международных конференций, в том числе 2 статьи в журнале из списка ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований, содержит 89 страниц текста, 33 рисунка и 11 таблиц, 2 приложения.
Обзор исследований по транспортированию горной массы вибротранспортными машинами
Совершенствование и создание новых вибротранспортных машин неразрывно связано с теорией виброперемещения, в разработку которой основной вклад внесли Бауман В.А, Блехман И. И., Быховский И.И., Вайсберг Л.А., Гончаревич И. Ф., Джанелидзе Г.Ю., Левенсон Б.И., Линднер Г., Мальцев В. А., Олевский В.А., Потураев В. Н., Спиваковский А. О., Терсков Г.Д., Червоненко А. Г., Юдин А. В. и другие известные ученые. В большинстве работ модель горной массы представляется в виде материальной частицы, движение которой по рабочему органу описывается системой дифференциальных уравнений. Имеются и другие, более сложные модели транспортируемой горной массы. Эти модели положены в основу расчета скорости транспортирования, которая определяет производительность ВТМ и эффективность классификации.
В работах Барона Л.И. [39,40] приводятся экспериментальные данные о непостоянстве величин коэффициентов трения практически у всех горных пород. Следовательно, приведенные уравнения, содержащие постоянные коэффициенты трения, не всегда могут быть использованы без корректировки для определения скорости перемещения горной массы по рабочему органу.
В середине XX века Блехманом И.И, Гончаревичем И.Ф., Спиваков-ским А.О. было предложено оценивать эффективность работы ВТМ технико-экономическими показателями - капитальными и эксплуатационными затратами. Оптимальными следовало считать такие конструктивные и режимные параметры ВТМ, которые обеспечивали бы минимум приведенных затрат при достижении целевой функции. Было предложено несколько частных критериев, позволяющих оценить эффективность работы ВТМ: скорость вибротранспортирования (V, м/с), удельные затраты энергии (W, кВт/т), коэффициент динамической эффективности режима виброранспортирования (ka=V(A(a ) , с), коэффициент энергетической эффективности режима вибротранспортирования (к, =V (W)"\ м-т/(кВт-с)), коэффициент обобщенной эффективности режима вибротранспортирования (к0 =V(WA(ur) , т-с/кВт). Энергетический критерий позволяет сравнивать однотипные по конструктивному исполнению ВТМ и находить рациональные режимы их работы. В работе [41] обосновывается комплексный критерий энергетической эффективности. Он равен частному от деления коэффициента энергетической эффективности на величину колеблющейся массы ВТМ (кк —V(Wmpo) , с/кВт). Этот коэффициент позволяет оценить конструктивное совершенство разнотипных ВТМ. Энергоемкость рабочего процесса ВТМ зависит от относительно большого числа конструктивных и режимных параметров. По ранее приведенным энергетическим критериям не всегда возможно объективно оценить энергетическую эффективность работы ВТМ. В связи с этим возникла задача обоснования обобщенного критерия энергетической эффективности режима работы ВТМ.
Исследование рабочих процессов резонансных ВТМ приведено в работах Потураева В.Н., Крюкова Б.И. [4, 43]. В них рассматриваются вопросы прочности конструктивных элементов, процесс запуска и затраты энергии при работе ВТМ с эксцентриковыми вибровозбудителями, конструкция и рабочий процесс которых существенно отличается от линейных импульсных вибровозбудителей [44, 45].
Приоритетной целью конструктивного совершенствования ВТМ является достижение максимальной производительности и снижение энергоемкости технологического процесса, что позволяет существенно повысить эффективность их работы. Это обусловлено постоянным возрастанием стоимости электроэнергии. Одним из способов достижения этой цели является определение рациональной загрузки рабочего органа и величины подводимой к ВТМ энергии.
Непроизводительные энергозатраты при работе резонансных ВТМ
Абсолютное большинство ВТМ работают в зарезонансной зоне с относительно небольшой - до 6 мм амплитудой и частотой от 10 до 50 Гц [67]. Установлено, что энергозатраты при работе ВТМ в зарезонансной зоне существенно зависят от параметра режима работы «Г» [1]. При транспортировании горной массы с подбрасыванием, когда Г =1,8...2,0, непроизводительные затраты энергии за счет конструкционного демпфирования могут быть равны полезной работе [1]. Для относительно низкочастотных резонансных машин таких исследований не проводилось. В настоящее время вопросы энергосбережения и, соответственно, исследования в этой области являются актуальными.
Целью данных исследований являлось определение и анализ непроизводительных энергозатрат при работе резонансных вибрационных машин с импульсным вибровозбудителем и на этой основе обоснование путей совершенствования конструкций ВТМ.
В результате предварительных исследований нами установлено, что потери энергии в упругих элементах и двигателе с передаточным механизмом могут иметь различные соотношения.
В работе [68] предлагается определять коэффициент поглощения (демпфирования) пропорционально отношению ширины «полосы пропускания» к резонансной частоте. На относительно низких частотах ширина «полосы пропускания» соизмерима с величиной резонансной частоты, поэтому формула, приведённая в [68], даёт завышенный результат. Нами был проведен эксперимент по определению коэффициента поглощения при работе резонансной ВТМ, результаты которого приведены в табл. 2.3.
Для фиксирования параметров: амплитуды колебаний рабочего органа, массы транспортируемого груза, времени, пути транспортирования груза и количества колебаний до затухания, тока, напряжения - использовалась современная регистрирующая аппаратура - цифровой двухканальный осциллограф АСК-3106-РО1, соединенный с ЭВМ Asp/re 5580/5570/3680 5 776$. Для контроля достоверности показаний измерительной аппаратуры экспериментально определялся коэффициент жесткости опор, масса рабочего органа и рассчитывалась резонансная частота, которая впоследствии сравнивалась с экспериментальной.
Одним из основных показателей рабочего процесса резонансных ВТМ является скорость перемещения горной массы по рабочей поверхности. Она определяет производительность и эффективность работы ВТМ. В современных ВТМ, работающих в зарезонансной зоне, процесс транспортирования горной массы происходит с подбрасыванием. Определению величины скорости движения горной массы по рабочему органу посвящены ряд работ [2...36]. В них достаточно подробно исследован процесс вибротранспортирования горной массы с подбрасыванием (фактор режима - Г 1) и приведены расчетные формулы для определения скорости ее движения по рабочему органу. В этих же работах приведены результаты исследований по определению влияния различных параметров ВТМ (угла наклона рабочего органа, угла вибрации, коэффициента трения горной породы о поверхность рабочего органа, частоты и амплитуды колебаний) на скорость вибротранспортирова-ния. Установлено, что режим транспортирования с подбрасыванием является наиболее эффективным. Для некоторых трудногрохотимых материалов (мелких классов -0,5 +0 мм) режим безотрывного транспортирования позволяет получить более высокую эффективность грохочения [76].
Впервые кинематику безотрывного транспортирования материала рассмотрел в своей работе Олевский В.А. [16]. Все расчетные зависимости получены им из предположения постоянства величины коэффициента трения породы о рабочий орган, т.е. равенства статического и кинематического коэффициентов трения. Для разрабатываемых нами резонансных вибротранспортных машин, работающих с относительно большими амплитудами (15...30 мм) и частотой 3...5 Гц, при факторе режима Г 1 эти формулы использовать невозможно, так как фактически статический коэффициент трения не равен кинематическому коэффициенту трения. Коэффициент трения при страгивании куска горной массы существенно больше, чем при движении. Поэтому начальные условия относительного движения куска будут фактически другими, чем предполагается в работе [16].
Одной из целей исследований являлось разработка модели движения куска для аналитического определения скорости вибротранспортирования горной массы без отрыва от рабочего органа, экспериментальная проверка адекватности полученных зависимостей и на этой базе разработка рекомендаций по определению рационального режима работы резонансных ВТМ.
В результате предварительных испытаний установлено, что скорость вибротранспортирования единичного куска несущественно отличается от скорости горной массы такого же типа породы, раздробленной до класса -15мм и транспортируемой слоем толщиной до 25 мм. В связи с этим все расчеты были проведены для единичного куска горной породы. Для упрощения математической модели и сопоставимости расчетов с результатами теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в известных работах, статический и кинематический коэффициенты трения куска по стали были приняты постоянными. Масса куска не превышала 20 % массы рабочего органа, который совершал гармонические резонансные колебания в одной плоскости с постоянной амплитудой. Колебания рабочего органа в одной плоскости обеспечивались жестким закреплением каждой пары опор, состоящей из пакета плоских пружин, в параллельных плоскостях. Кусок горной породы принимается за материальную точку, и его движение по рабочей поверхности ВТМ рассматривается на нескольких этапах.
Методика определения энергозатрат при безотрывном режиме вибротранспортирования горной массы резонансной ВТМ
Отличительной особенностью линейных импульсных двигателей с конденсаторным накопителем энергии является стабильность величины движущего импульса, что обусловливает изменение скорости вибротранспортирования при изменении технологической нагрузки. Эксперименты показывают существенную зависимость скорости и, следовательно, энергозатрат от величины транспортируемой горной массы. Так как скорость, сила трения и перемещение, при прочих равных условиях, являются случайными величинами, то аналитически определить работу вибротранспортирования с необходимой точностью практически невозможно. В известных работах Спива-ковского А.О., Гончаревича И.Ф. и других ученых предлагаются различные упруго-вязкие модели транспортируемых грузов, однако использовать их для практических расчетов энергии, идущей на транспортирование груза, затруднительно. Это можно объяснить тем, что разработать адекватную стохастическую упруго-вязкую модель сыпучего груза практически невозможно. По-тураев В.Н. считает, что для резонансных грохотов, работающих в режиме с подбрасыванием груза, энергия расходуется главным образом в упругом шатуне. Наш опыт показывает, что наиболее достоверные данные получаются в результате экспериментальных исследований. Нами были проведены эксперименты по определению зависимости затрат энергии от величины горной массы на рабочем органе. В первой серии экспериментов использовался грохот с инерционным синхронизированным вибровозбудителем. В качестве привода использовался двигатель постоянного тока. Система управления двигателем позволяла изменять число оборотов и, соответственно, частоту вибраций и мощность. Во второй серии опытов использовался вибропитатель с линейным электромагнитным вибровозбудителем. Во время проведения экспериментов фиксировались ток и напряжение, а также скорость вращения якоря двигателя (частота вибраций электромагнита для линейного вибровозбудителя). В результате экспериментов установлено, что для зарезонансных. грохотов изменение технологической нагрузки в рабочем диапазоне практически не влияет на мгновенную мощность. Следовательно, выделить величину энергии, идущей на вибротранспортирование из общей, не представляется возможным. В связи с этим возникла необходимость разработки методики определения энергозатрат на безотрывное вибротранспортирование горной массы.
Методика определения энергии, расходуемой на вибротранспортирование горной массы, основана на законе сохранения энергии. Электрическая энергия, поступающая из сети, накапливается в конденсаторной батарее, а затем превращается в линейном двигателе в механическую и тепловую. Тепловые потери энергии вызывают нагрев обмотки линейного двигателя и его частей. Их возможно определить теплофизическим методом по температуре нагрева отдельных частей двигателя. Механическая энергия превращается в работу транспортирования груза и работу сил трения (демпфирование) в упругих опорах и двигателе. Суммарные потери энергии за один цикл колебаний на демпфирование в упругих элементах и опорах линейного двигателя достигают у спроектированной нами резонансной ВТМ, как показано ранее, 10 % потенциальной энергии упругих элементов. Работа транспортирования кусков груза состоит из работы сил трения груза о рабочий орган и работы сил трения кусков груза между собой. Определить величину каждой из этих работ практически невозможно, поэтому определялась их сумма. Методика заключается в следующем:
Анализ результатов эксперимента, приведенных в табл. 2.5, показывает, что КПД рабочего процесса существенно уменьшается при относительной нагрузке меньше ОД. Это свидетельствует о том, что импульсный линейный двигатель для такой относительной нагрузки выбран с большим запасом по мощности.
1. При расчете скорости вибротранспортирования горной массы необходимо учитывать изменение коэффициента трения на различных этапах её движения. 2. Предложенная стохастическая модель с достаточной для практики степенью точности описывает процесс вибротранспортирования горной массы.
3. В резонансных ВТМ скорость безотрывного транспортирования горных пород со стабильным коэффициентом трения с достаточной степенью точности можно определять по приведенной методике.
4. Рабочий процесс вибротранспортных машин с инерционным или ки нематическим возбуждением требует существенно больших энергетических затрат, чем у резонансных ВТМ с импульсным линейным двигателем.
5. Для обеспечения минимальных затрат электроэнергии при виб ротранспортировании и классификации горной массы относительная нагрузка рабочего органа резонансных ВТМ должна быть в пределах 0,2.. .0,3.
6. Оценку энергетической эффективности работы ВТМ целесообразно производить по обобщенному энергетическому критерию (Кр) - отношению энергии, которая затрачивается на перемещение материала по всей длине ра бочего органа (Е, Дж) к массе груза (т , кг).
Скорость вибротранспортирования горной массы резонансной ВТМ
Скорость вибротранспортирования горной массы при факторе режима меньше единицы существенно зависит от величины коэффициента трения, который изменяется случайным образом.
Диабазовый порфирит В результате экспериментальных исследований установлено, что отношение кинематического коэффициента трения к статическому для исследуемых горных пород составляет 0,61...0,82. Этот диапазон изменения коэффициента трения является более широким, чем приведенный в работах [39,40].
Скорость вибротранспортирования горной массы определяет не только производительность ВТМ, но и эффективность грохочения. Как отмечают в своих работах Спиваковский О.А., Гончаревич И.Ф., Потураев В.Н. и другие ученые, она существенно зависит от величины горной массы, находящейся на рабочем органе. Их исследования проводились для относительно больших частот, больше 10 Гц, когда фактор режима работы ВТМ больше 1. Наши эксперименты по определению скорости вибротранспортирования проводились с различными горными породами, на различных резонансных частотах и амплитудах. В табл. 3.2 приведены полученные значения параметров процесса вибротранспортирования некоторых видов горной породы.
Результаты экспериментов, приведенные в табл. 3.2, показывают, что на скорость безотрывного вибротранспортирования горной массы оказывают влияние амплитуда и частота колебаний. На рис. 3.2 приведен график зависимости скорости движения гранита по горизонтальной вибрирующей стальной плите от амплитуды её колебаний при постоянной частоте, равной 3,33 Гц.
Уравнение (3.6) можно использовать при изменении фактора режима от 0,35 до 0,60, что соответствует изменению амплитуды в пределах 12...25 мм и частоты 2,95 ...4,40 Гц. Корреляционное отношение этого уравнения равно 0,82. Это свидетельствует о наличии существенной связи между фактором режима и скоростью движения горной массы.
Важнейшим параметром, характеризующим режим транспортирования горной массы, являются затраты энергии непосредственно на её перемещение. Аналитически определить их в «полубыстроходном» режиме работы ВТМ при случайном изменении коэффициента трения практически невозможно. В связи с этим на опытно-промышленной резонансной ВТМ (см. рис. 3.1) и физической модели были проведены эксперименты по определению затрат энергии на транспортирование горной массы, результаты которых приведены в табл. 3.3. При испытаниях фиксировались: частота и амплитуда колебаний, энергия заряда конденсаторов (потребляемая энергия в единицу времени), путь и время движения горной массы.
Уравнение (3.9) адекватно описывает процесс изменения амплитуды колебаний и, соответственно, скорости вибротранспортирования горной массы при различных значениях мощности двигателя и переменной технологической нагрузки, величина которой не превышает 20 % массы рабочего органа. Корреляционное отношение этого уравнения, равное 0,69, свидетельствует о наличии связи между скоростью движения горной массы и удельными энергозатратами.
Уравнения (3.8) и (3.9) показывают, что при увеличении транспортируемой массы, при прочих равных условиях, снижается амплитуда колебаний рабочего органа и, соответственно, скорость её движения. Это приводит к уменьшению производительности и повышению энергозатрат. Расчеты показывают, что для стабилизации рабочего процесса при увеличении технологической нагрузки на 20.. .30 % необходимо иметь у двигателя запас мощности 25...30%.
Для оценки степени достоверности расчетов на опытно-промышленной ВТМ были проведены эксперименты по определению величины снижения скорости транспортирования при увеличении массы груза от мощности двигателя. В результате экспериментов установлено, что при возрастании относительной нагрузки в 2 раза (от 0,09 до 0,18) для обеспечения заданной скорости транспортирования необходимо увеличить мощность импульсного двигателя на 35 %. Следует отметить, что при возрастании относительной нагрузки до 0,18 увеличивается удельная производительность, но снижается эффективность грохочения. Поэтому такой нестабильный по нагрузке рабочего органа режим работы грохота должен иметь минимальную продолжительность.
На рис. 3.8 приведена зависимость разности амплитуд (без нагрузки и с нагрузкой) колебаний рабочего органа и удельных затрат энергии в единицу времени при вибротранспортировании горной массы, которая изменяется по величине от 0 до 20 % массы рабочего органа.
