Установление режимных и силовых параметров вибрационной мельницы для тонкого измельчения горных пород Грачева Наталья Юрьевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор исследований по тонкому измельчению горных пород в вибрационных мельницах 9

1.1. Анализ отечественных конструкций и основных направлений в проектировании и использовании вибрационных мельниц 9

1.2. Анализ зарубежных конструкций и основных направлений в проектировании и использовании вибрационных мельниц 20

1.3. Анализ целесообразности использования метода конечных элементов к расчёту на прочность конструкции вибрационной мельницы

1.3.1. Описание методов оптимизации 32

1.3.2. Порядок решения задачи оптимизации 37

1.3.3. Определение условий окончания процесса оптимизации 43

1.4. Задачи исследований 45

2. Аналитические исследования механических, прочностных и энергетических параметров вибрационной мельницы 48

2.1. Обоснование направлений исследований 48

2.2. Разработка математической модели функционирования вибрационной мельницы с учётом динамических нагрузок на подшипниковые узлы 50

2.3. Выводы 66

3. Экспериментальные исследования механических, прочностных и энергетических параметров вибрационной мельницы 68

3.1. Обоснование направлений исследований

3.2. Устройство и описание лабораторного стенда 69

3.3. Характеристика исходного материала 76

3.4. Методика проведения экспериментальных исследований

3.4.1. Обоснование и выбор факторов для планирования эксперимента 90

3.4.2. Составление общего уравнения регрессии

3.5. Экспериментальные исследования силовых характеристик конструкции вибромельницы 104

3.6. Определение энергетических параметров вибрационной мельницы 111

3.7. Выводы 114

4. Промышленное внедрение и обобщение результатов исследований 116

4.1. Оценка степени сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований 116

4.2. Промышленные испытания вибрационной мельницы для производства доломитовой муки 120

4.3. Практические рекомендации по определению основных параметров вибрационной мельницы 122

4.4. Выводы 127

Заключение 129

Литература

• Анализ зарубежных конструкций и основных направлений в проектировании и использовании вибрационных мельниц
• Разработка математической модели функционирования вибрационной мельницы с учётом динамических нагрузок на подшипниковые узлы
• Методика проведения экспериментальных исследований
• Промышленные испытания вибрационной мельницы для производства доломитовой муки

Введение к работе

Актуальность работы. Измельчение материалов имеет исключительно широкое распространение в различных отраслях промышленности. При этом огромные объёмы материалов подвергаются тонкому измельчению в энергетике (измельчение угля на тепловых электростанциях), в производстве цемента, при обогащении руд, в химической промышленности и т. д. Эта технологическая операция связана с большими затратами энергии. В настоящее время в развитых странах на механические способы обогащения полезных ископаемых тратится 5-8 % всей производимой электроэнергии. Примерно 80 % от этой величины составляют энергозатраты на тонкое измельчение. Поэтому вопросы экономичности тонкого измельчения имеют первостепенное значение.

Установлено, что одним из самых перспективных типов оборудования для тонкого измельчения горных пород по параметру удельной энергоёмкости являются вибрационные мельницы.

В условиях постоянно растущих объёмов производства мелкодисперсных материалов требуется создание промышленных вибрационных мельниц большой производительности. Однако увеличение габаритов вибромельниц сдерживается фактом достижения отдельных узлов вибромельниц предела конструкционной прочности. Практически неисследованным остаётся вопрос, связанный с определением нагрузок, действующих на привод мельницы, в частности, на подшипниковый узел. Исследования в данной области имеют важное значение для разработки конструкций вибромельниц больших типоразмеров с повышенной долговечностью конструкции. Именно данный параметр является определяющим в обеспечении низкой удельной энергоёмкости процесса тонкого измельчения горных пород в вибрационной мельнице.

В связи с вышеизложенным, установление режимных и силовых параметров вибрационной мельницы для тонкого измельчения горных пород, обеспечивающее снижение удельной энергоёмкости и увеличение долговечности конструкции мельницы, является актуальной научной задачей.

Цель работы. Снижение удельной энергоёмкости измельчения и увеличение долговечности конструкции вибрационной мельницы на основе определения прочностных характеристик подшипниковых узлов.

Идея работы. Установление и «сглаживание» зон наибольших напряжений в конструкции вибрационной мельницы и диапазонов значений рабочих параметров, при которых обеспечивается снижение динамических нагрузок в узлах мельницы, непосредственно влияющих на долговечность её работы.

Методы исследований. В диссертационной работе применялись численные методы расчётов на прочность конструкции и отдельных узлов вибрационной мельницы с использованием программных комплексов MSC. NASTRAN и MSC.PATRAN, осуществлялись экспериментальные исследования вибрационной мельницы со сниженной нагрузкой на подшипниковые узлы, а

также использовался метод активного планирования экспериментальных исследований.

Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Аналитическая модель функционирования вибрационной мельницы, отличающаяся тем, что на основе проведённого прочностного расчёта установлены зоны максимальных напряжений в конструкции вибрационной мельницы и определены диапазоны значений жёсткости упругих элементов, обеспечивающих заданную долговечность конструкции мельницы.

2. Максимальные напряжения возникают в подшипниковых узлах вибрационной мельницы и находятся в квадратичной зависимости от частоты колебаний помольной камеры, причём для обеспечения работы мельницы в зоне её конструкционной прочности необходимо выдерживать установленные соотношения между амплитудой и частотой колебаний помольной камеры, определяемые для каждого типоразмера мельницы.

3. Для каждого типоразмера мелющих тел существует минимальное значение частоты колебаний помольной камеры, выше которого удельная энергоёмкость измельчения начинает уменьшаться с ростом производительности вибрационной мельницы.

Научная новизна работы.

4. Проведены аналитические исследования влияния жёсткости упругих элементов на долговечность конструкции вибрационной мельницы.

5. Доказано, что максимальные напряжения сосредоточены в подшипниковых узлах мельницы.

6. Доказано влияние прочностных параметров подшипниковых узлов на долговечность конструкции вибрационной мельницы.

7. Установлено, что при использовании рационального варианта вибромельницы, т. е. при оптимальных значениях коэффициентов жёсткости пружин, интенсивность максимальных напряжений в подшипниковых узлах снижается в 3,5 раза по сравнению с типовым вариантом.

8. Рассчитана долговечность вибрационной мельницы при использовании типового и рационального вариантов её конструкции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций надежно подтверждаются:

корректностью сделанных допущений при разработке аналитической модели расчёта прочностных характеристик вибрационной мельницы, учитывающей величину жёсткости упругих элементов, а также характер нагружения помольной камеры;

применением физического моделирования процесса функционирования вибрационной мельницы с учётом её прочностных и режимных параметров;

обоснованием необходимого числа опытов при проведении экспериментальных исследований вибрационной мельницы;

сопоставлением полученных результатов (теоретических и экспериментальных зависимостей) при различных прочностных и режимных параметрах мельницы.

Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,95 составляет 89 %.

Научное значение работы заключается в установлении рациональных параметров вибрационной мельницы для тонкого измельчения горных пород, при которых мельница работает в зоне конструкционной прочности, а именно:

9. Разработана аналитическая модель функционирования вибрационной мельницы, учитывающая значения жёсткости упругих элементов, обеспечивающих заданную долговечность конструкции мельницы.

10. Установлены зависимости между производительностью и рабочими параметрами вибрационной мельницы.

11. Получены зависимости между режимными и прочностными параметрами вибрационных мельниц, а также установлено влияние жёсткости упругих элементов на долговечность конструкции мельницы.

Практическое значение работы заключается:

12. В разработке практических рекомендаций по выбору основных параметров вибрационных мельниц, основанной на определении рациональных прочностных параметров подшипниковых узлов.

13. В создании предпосылок для проектирования вибрационных мельниц больших типоразмеров с равномерным распределением динамических нагрузок по всей конструкции и увеличенным эксплуатационным ресурсом.

14. В увеличении долговечности конструкции вибрационной мельницы за счёт снижения динамических нагрузок на подшипниковые узлы.

Реализация результатов работы. Практические рекомендации по выбору рационального режима работы вибрационной мельницы приняты к использованию ОАО «Победит».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на заседании научно-технического совета ОАО «Победит» (Владикавказ, 2014 г.), на Международной научно-практической конференции «Неделя Горняка-2015» (Москва, МГГУ, 2015 г.), на заседании технического совета компании «we plan GmbH» (Германия, Кёльн, 2015 г.), на заседании кафедры «Горные машины и комплексы» Уральского государственного горного университета (Екатеринбург, УГГУ, 2015 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 5 работах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 132 наименований. Диссертация изложена на 162 страницах, включая 147 страниц текста, 55 рисунков, 19 таблиц и 4 приложения.

Анализ зарубежных конструкций и основных направлений в проектировании и использовании вибрационных мельниц

Производство мелкодисперсной продукции в различных отраслях промышленности неразрывно связано с процессом тонкого и сверхтонкого измельчения. В горнодобывающей отрасли промышленности специфика добычи полезных ископаемых обуславливает наличие вскрышных пород, накапливающихся в больших объёмах по мере разработки месторождений. Необходимость вторичной переработки отвалов обусловлена, во-первых, стремлением уменьшить их объём и тем самым снизить отрицательное воздействие на окружающую среду, а, во-вторых, наличием в отвалах ценных минералов, по той или иной причине не извлечённых при осуществлении основных технологических операций. При этом эффективность как основных технологических операций по разработке месторождений полезных ископаемых, так и переработки отвалов в значительной степени определяется уровнем технического обеспечения процессов тонкого и сверхтонкого измельчения [1].

Российский и зарубежный опыт в области тонкого и сверхтонкого измельчения горных пород показывает, что одним из наиболее перспективных типов оборудования, используемого для этих целей, являются вибрационные мельницы [26], [41], [46].

Разработка указанного типа оборудования целесообразна также с точки зрения создания энергосберегающих технологий, поскольку в вибромельницах может быть осуществлён помол без предварительной подсушки исходного сырья: процесс вибрационного измельчения сопровождается переходом значительной части расходуемой механической энергии в тепловую, в связи с чем значи 10 тельно повышается температура измельчающих тел и измельчаемого материала (мелющей загрузки) в мельнице. При периодическом режиме работы мельницы температура внутри мельницы может достичь 100 и более. Такое повышение температуры мелющей загрузки с одной стороны способствует подсушке исходного сырья, а с другой стороны устраняет необходимость дополнительных энергозатрат на охлаждение помольной камеры и подшипниковых узлов мельницы.

Вибрационная мельница (рис. 1.1) обычно представляет собой цилиндрическую помольную камеру 3, имеющую внутри себя кожух, с размещенным в нем валом-эксцентриком 4. Вал-эксцентрик 4 закреплен в подшипниковых узлах 6 на торцах камеры. Через эластичную муфту 2 вал 4 соединяется с электродвигателем 1. Помольная камера 3 опирается на пружины 7, позволяющие ей совершать колебания, задаваемые валом-эксцентриком 4 с помощью дебалансов 5. Камера заполнена мелющими телами. Подвод измельчаемого материала через верхний патрубок камеры. Сырье проходит между вибрирующими шарами сверху вниз и по длине камеры. В нижней части камеры расположен выходной патрубок, прикрытый решеткой для предотвращения вылета шаров.

При вращении неуравновешенного вала помольная камера мельницы совершает поступательное движение по круговой траектории, стенки помольной камеры сообщают мелющим телам частые импульсы, вследствие чего материал и шары в мельнице совершают сложное движение.

Основными параметрами работы вибрационной мельницы являются частота и амплитуда колебаний, форма, размеры и материал измельчающих тел, степень заполнения помольной камеры мелющей загрузкой, а также длина и диаметр помольной камеры. Режим работы определяется также родом помола -сухой или мокрый, способом действия - периодический или непрерывный, с классификацией или без нее и др.

Частота колебаний вибрационных мельниц может достигать 3 000 колебаний в минуту, а амплитуда колебаний - до 7-8 мм [109], [111-114].

В зависимости от размолоспособности, крупности и влажности измельчаемого материала, а также от требуемой степени дисперсности измельченного материала производительность существующих вибрационных размольных установок составляет от 10 кг до нескольких тонн в час.

Российские производители вибрационных мельниц главное внимание уделяют надёжности их конструкции. В частности, специалистами ООО «Опытный завод со специальным бюро» (Москва) разработана вибрационная мельница, главной особенностью которой является выполнение футеровки помольной камеры в виде многослойной композитной плиты, один слой которой изготовлен из резинотросового покрытия (рис. 1.2). Это, с одной стороны, увеличивает срок службы футеровки, а значит, и помольной камеры, а с другой стороны - демпфирует высокочастотные воздействия мелющих тел на стенки помольной камеры и снижают динамические нагрузки на подшипниковые опоры.

В вибрационных мельницах происходит довольно значительный износ мелющих тел и поверхности помольных камер, особенно при сухом измельчении абразивных материалов. Для решения этой проблемы специалисты ООО "Призма" (Новосибирская область, г. Искитим) разработали конструкцию однокамерной вибрационной мельницы, заданная производительность которой достигается не за счёт увеличения частоты колебаний, а за счёт увеличения амплитуды (рис. 1.3). В результате удалось снизить износ вышеуказанных частей мельницы на 30 %, однако при этом из-за увеличенных амплитуд колебаний резко возросли нагрузки на подшипниковые узлы, что привело к снижению долговечности конструкции в целом.

Вибрационная мельница с двумя камерами и одним вибровозбудителем показана на рисунке 1.4. Это промышленная вибрационная мельница конструкции Северо-Кавказского горно-металлургического института (СК ГМИ). Мельница предназначена для тонкого измельчения сырья с целью дальнейшего получения твердосплавных порошков на заводе «Победит» г. Владикавказ [18-20], [41], [46]. Мельница разработана в СК ГМИ на кафедре металлургии цветных металлов. Камеры расположены симметрично относительно оси вала вибровозбудителя. Ввиду наличия двух камер мельница отличается более высокой производительностью. Отличительной особенностью мельницы являются сухой, сверхтонкий помол. Однако указанная схема приводит к возникновению значительных нагрузок на подшипники дебалансного вала, что негативно сказывается на ресурсе мельницы.

В Московском государственном горном университете на протяжении ряда лет велись работы по совершенствованию конструкций и разработке комплексов оборудования на базе вибрационных мельниц. В частности, разработана конструкция вибромельницы с четырьмя наклонными камерами (рис. 1.5). Каждая камера разделена двумя перегородками. Это сделано для того, чтобы обеспечить дополнительную передачу энергии от перегородок вглубь шаровой загрузки [100], [101]. При проектировании данных машин особое внимание уделялось прочности конструкции, в частности была усилена несущая рама и применена схема с симметричным расположением пружин относительно помольной камеры. Каждая камера закреплена на двух упругих опорах. При этом деба-лансы лежат в поперечной плоскости симметрии мельницы. Это сделано для то 15 го, чтобы разгрузить помольные камеры от воздействия сил инерции и обеспечить им максимальную прочность. Но при этом в значительной степени повышаются динамические нагрузки на подшипниковые опоры.

Вертикальная вибрационная мельница с направленными колебаниями с вибровозбудителем «самобаланс» была успешно применена для измельчения руд (рис. 1.6). Такие мельницы могут применяться для измельчения материалов с низкой прочностью, не требующих длинных камер. Кроме того, как указано в работах [11], [105], [118] эффективность круговых колебаний существенно выше, чем направленных. К преимуществам данной схемы относится равномерное распределение материала по поперечному сечению помольной камеры, что не достигается в мельницах других типов. Кроме того направленные вертикальные колебания значительно проще демпфировать, т.к. перемещение помольной камеры осуществляется вдоль одной (вертикальной) оси. Как видно из рисунка, вибровозбудители расположены симметрично по отношению к вертикальной оси мельницы, что разгружает её опоры.

Разработка математической модели функционирования вибрационной мельницы с учётом динамических нагрузок на подшипниковые узлы

Проектирование оптимальных конструкций является одной из важных составляющих в области машиностроения. За последние несколько десятилетий было разработано множество алгоритмов оптимизации, обладающих различной скоростью сходимости и точностью. Задача оптимизации механической конструкции включает в себя огромное число проектных переменных и ограничений и, следовательно, накладывает высокие требования на производительность ЭВМ. Программный комплекс MSC. Nastran зарекомендовал себя как эффективное средство оптимального проектирования конструкций, и сравнение используемых в нем методов оптимизации с методами, применяемыми в других программных комплексах показали адекватность получаемых результатов, а во многих случаях и более высокую точность функций отклика при меньшем объёме вычислений [29], [31-33], [38-40], [44-45].

В общем виде алгоритм прочностного расчёта методом конечных элементов с применением программного комплекса MSC.NASTRAN представлен на рисунке 2.1.

В данной работе комплекс MS С. Nastran был использован как средство оптимального проектирования конструкций помольных камер вибромельниц.

Для расчета и оптимизации использовался программный комплекс MSC. Patran. Для оптимизации использовалось три вышеописанных метода: модифицированный метод возможных направлений (МВН), метод последовательного линейного программирования (ПЛП) и метод последовательного квадратичного программирования (ПКП).

С развитием метода конечных элементов и появление современного программного обеспечения становится возможным приступить к прочностному расчёту конструкции вибромельницы методом конечных элементов.

Вся конструкция вибромельницы представляется в виде совокупности конечных элементов, соединенных между собой в узловых точках. Сами элементы могут иметь различную форму и размеры, например, в виде стержня-опоры мельницы, треугольной пластинки - несущей рамы привода вибромельницы, прямоугольной в плане оболочки - помольной камеры вибромельницы [12], [16], [17] (рис. 2.2).

Общих рекомендаций по нанесению сетки или разбивке области на отдельные элементы нет. Обычно руководствуются предварительными представлениями о характере ожидаемого результата и в местах предполагаемых высоких градиентов искомых величин сетку КЭ сгущают. Предполагается, что вся действующая нагрузка приводится к узловой, поэтому, например, в случае распределенной нагрузки для ее более точного моделирования бывает необходимо вводить дополнительные узлы и элементы. Заданные перемещения, жесткие или упругие связи также должны быть отнесены к узлам.

Таким образом, первый этап заключается в составлении конечно-элементной схемы - дискретной модели конструкции. Здесь можно выделить следующие действия: а) выбор типа КЭ (по геометрии, виду аппроксимации и т. п.); б) разбивку области на КЭ (с нумерацией узлов и элементов); в) описание каждого элемента: топологические (номера узлов в сетке), фи зико-механические (модуль упругости и т. п.), геометрические характеристики; г) описание каждого узла (координаты в общей системе координат); д) описание заданных узловых нагрузок и перемещений. Вся поверхность вибрационной мельницы и её привода разбита на конечные элементы различных типов: в виде стержня - опоры мельницы, треугольной пластинки - несущей рамы привода мельницы, прямоугольной в плане оболочки - помольной камеры мельницы. На рисунке 2.3 представлена геометрическая модель конструкции вибромельницы. Она включает 3567 конечных элементов. Количество узлов с шестью степенями свободы в каждом равно 3234, так что разрешающая система имеет более 19000 линейных уравнений.

Основными силовыми элементами мельницы являются помольная камера, несущая рама, на которой закреплена помольная камера, приводной вал и упругие элементы (пружины), обеспечивающие колебательные движения мельницы при работе двигателя. В качестве ограничений в данной задаче использовались ограничения на максимальные напряжения во всех элементах конструкции. Так как моделирование производилось мембранными элементами, то для учета ограничений использовалось эквивалентное напряжение по Мизесу. Также присутствовало ограничение на минимальное значение проектных переменных.

Выбор типа КЭ и общего их числа зависит от вида и формы конструкции вибромельницы, от требуемой точности, от характера внешней нагрузки и наложенных связей. Решение в этом случае получается более точным [28], [30], [34], [42], [64], [97], [99], [ПО], [119-124], [130-131].

Общих рекомендаций по нанесению сетки или разбивке области на отдельные элементы нет. Обычно руководствуются предварительными представлениями о характере ожидаемого результата и в местах предполагаемых высоких градиентов искомых величин сетку КЭ сгущают. Предполагается, что вся действующая нагрузка приводится к узловой, поэтому, например, в случае распределенной нагрузки для ее более точного моделирования бывает необходимо вводить дополнительные узлы и элементы. Заданные перемещения, жесткие или упругие связи также должны быть отнесены к узлам.

Таким образом, первый этап заключается в составлении конечно-элементной схемы - дискретной модели конструкции. Здесь можно выделить следующие действия: а) выбор типа КЭ (по геометрии, виду аппроксимации и т. п.); б) разбивку области на КЭ (с нумерацией узлов и элементов); в) описание каждого элемента: топологические (номера узлов в сетке), фи зико-механические (модуль упругости и т. п.), геометрические характеристики; г) описание каждого узла (координаты в общей системе координат); д) описание заданных узловых нагрузок и перемещений.

В результате произведённых по вышеуказанному алгоритму расчётов получена конечно-элементная модель напряжений (рис. 2.4) в элементах типовой конструкции вибрационной мельницы. Анализ данных рисунков позволяет сделать выводы о том, что наиболее нагруженным узлом вибрационной мельницы является её привод, а именно, подшипниковые узлы. Причём на величину динамических нагрузок, действующих на подшипниковые узлы, а, значит, и на напряжённое состояние привода непосредственно влияет жёсткость упругих элементов (в нашем случае пружин), на которых крепится несущая рама вибрационной мельницы. Опыт эксплуатации вибрационных мельниц подтверждает сделанный вывод. На основании проведённых вычислений появилась реальная возможность оптимизации конструкции мельницы по параметру нагруженности её отдельных узлов. Это в свою очередь позволяет проектировать вибромельницы с увеличенными диаметрами помольных камер и повышенным эксплуатационным ресурсом [16], [31].

Следовательно, при проектировании вибромельниц особое внимание стоит уделять созданию виброразгруженных подшипниковых опор, что приведёт к увеличению долговечности всей конструкции вибрационной мельницы. Одним из основных способов решения этой задачи является подбор рациональных значений коэффициентов жёсткости пружин, при которых нагрузки на подшипники будут минимальны.

После нахождения оптимальной величины суммарного коэффициента жёсткости пружин, при котором достигаются минимальные значения сил, действующих на подшипниковые опоры, стало возможным произвести прочностной расчёт конструкции вибромельницы, в который подставлялись значения коэффициента жёсткости пружины к. Для определения основных параметров пружин использовалась методика в соответствии с ГОСТ13765-86: «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Обозначение параметров, методика определения размеров» [59]. В соответствии с этим ГОСТом в качестве типового варианта выбирались одножильные пружины растяжения и сжатия 3 разряда с максимальной осевой силой 140-6000 Н, диаметром проволоки 3-12 мм, изготовленной из сталей 60С2А; 65С2ВА; 70СЗА; по ГОСТ 14959-79 или 51ХФА по ГОСТ 14959-79. Данный вид пружин наиболее часто применяется в качестве упругих элементов в конструкции отечественных вибромельниц.

Методика проведения экспериментальных исследований

Во второй главе настоящей работы проведены аналитические исследования основных параметров вибрационной мельницы, причём акцент в исследованиях был сделан на определение зон максимальных напряжений в узлах конструкции и разработку способов снижения величин этих напряжений. Естественно, выводы, полученные теоретическим путём, требуют экспериментального подтверждения. Этому вопросу и посвящены исследования, изложенные в настоящей главе.

Таким образом, задача определения основных параметров вибромельниц сводится к определению основных конструктивных размеров машин (объема помольной камеры, коэффициента заполнения, амплитуды и частоты колебаний и др.), обеспечивающих передачу максимальной мощности загрузке, исходя из допускаемой нагрузки на подшипники при выбранном числе оборотов. В 1 главе настоящей работы мы подчёркивали, что на сегодняшний день одним из безусловных мировых лидеров в исследовании, проектировании и эксплуатации вибрационных мельниц является Германская фирма «Siebtechnik GMBH». Вибрационную мельницу этой фирмы мы использовали в качестве основной машины, на которой производились экспериментальные исследования. На рисунке 3.1 представлен общий вид экспериментального стенда на базе вибромельницы Siebtechnik 854-2ks.

Вибромельница состоит из двух помольных камер 7, закреплённых с помощью пружинных опор 2 на несущей раме 3. Сбоку от помольных камер 1 расположен вибровозбудитель, состоящий из подшипниковых узлов 4, карданного вала 5 и дебалансов 6 (на рисунке расположены в кожухе). Вал 6 приводится во вращение электродвигателем 7. С противоположной от вибровозбудителя стороны на помольных камерах 1 закреплены противовесы 8 для уравновешивания сил тяжести вибровозбудителя. Сверху и снизу на помольных камерах располагаются соответственно загрузочный и разгрузочный патрубки 9 и 10. Вал электродвигателя связан с валом вибровозбудителя упругой муфтой 11 (на рисунке расположена в кожухе). Подшипниковые узлы охлаждаются маслом, подающимся с помощью маслостанции 12. Отработанное масло сливается в маслоприёмники 13.

Установка работает следующим образом. В помольные камеры через входные патрубки загружается исходный материал определённой массы и в проходном режиме пропускается через помольные камеры. Так как дебалансы были выполнены из двух дисков, эксцентрично насаженных на вал, то меняя угол между ними, можно было изменять амплитуду колебаний. Частота колебаний изменялась с помощью тиристорного привода, а изменение длины помольных камер достигалась путём повторных засыпок измельчённого материала. Для периодического измельчения материала применяли специальные вставные камеры с глухим днищем. a

Применение для экспериментального стенда дебалансного вибровозбудителя вызвано рядом преимуществ такого привода для вибрационных измельчи-тельных установок, в частности, тем, что для мощных вибрационных установок, создание которых является конечной целью наших исследований, этот вид привода является самым целесообразным. Такой привод отличается малыми усилиями на фундамент и незначительными нагрузками в пусковой период. Работа в зарезонансном режиме сообщает вибрационной мельнице устойчивость работы. Применение дебалансного привода даёт возможность также реализовать круговую траекторию колебаний, наиболее эффективную для измельчения материала.

Форма камеры была выбрана цилиндрической по той же причине, что и при круговой траектории колебаний загрузка камеры совершает также вращательное движение в камере, что снижает потери на трение в процессе измельчения.

Для изменения частоты колебаний применялся тиристорный преобразователь Siemens SINAMICS (Германия) с характеристиками, представленными в таблице 3.1.

Общий вид измерительной аппаратуры экспериментального стенда представлен на рисунке 3.2. А в таблице 3.3 сведены данные о приборах, фиксирующих значения определяемых параметров.

В качестве исходного материала, подвергавшегося измельчению мы использовали доломиты Боснийского месторождения (Россия) и месторождения, расположенного в г. Шнайцльройт (Германия). Боснийское месторождение доломитов является одним из лучших в Европе благодаря высоким технологическим свойствам, чистоте, огромным разведанным и практически неограниченным геологическим запасам и благоприятным горнотехническим условиям разработки и служит источником уникального по своему составу доломита, характеризующегося выдержанностью по химическим, минералогическим, петрографическим и физико-механическим параметрам. Запасы Боснийского месторождения достаточно велики: 242 млн тонн - балансовые запасы, забалансовые - 272 млн тонн. Месторождение находится в Дарьяльском ущелье на территории Республики Северная Осетия Алания в 17 км южнее города Владикавказа. Тонкое измельчение доломитов в центробежной мельнице подробно представлено в работах [21-25], [47], [60-62], [69-96] учёных Северо-Кавказского горно-металлургического института. Однако в вибрационной мельнице доломиты Боснийского месторождения до сегодняшнего дня не измельчались. На рисунке 3.4 показаны общий вид карьера и технологическая линия по производству доломитовой муки на карьере. Область применения тонкоизмельчённого доломита весьма широка.

Промышленные испытания вибрационной мельницы для производства доломитовой муки

В предыдущих главах рассмотрен вопрос установления режимных и силовых параметров вибрационной мельницы при тонком измельчения горных пород. Одним из главных итогов настоящей работы стала разработка аналитической модели функционирования вибрационной мельницы, отличающейся от существующих методов математического моделирования рабочих процессов вибрационной мельницы тем, что на основе проведённого прочностного расчёта установлены зоны максимальных напряжений в конструкции вибрационной мельницы и определены диапазоны значений жёсткости упругих элементов, обеспечивающих заданную долговечность её конструкции. При этом получены зависимости, связывающие ресурс помольной камеры с рабочими параметрами вибрационной мельницы. Выявлено, что при применении рационального варианта вибромельницы долговечность подшипникового узла, а значит, и всей конструкции вибрационной мельницы увеличивается в 42 раза по сравнению с типовым вариантом мельницы, при этом по сравнению с типовым вариантом предлагаемый в диссертационный работе вариант значений жесткостных параметров пружинных опор вибрационной мельницы обеспечивает её функционирование при намного больших частотах колебаний помольной камеры, что значительно увеличивает производительность мельницы.

Эти и другие выводы получены как теоретическим, так и экспериментальным путём. Естественно для подтверждения достоверности полученных результатов необходимо провести сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований оценить степень их сходимости.

Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований: а - теоретически определённая разница между долговечностью конструкции вибрационной мельницы рационального и типового вариантов; б - экспериментальное определение ресурса мельницы для обоих вариантов. Сравним теоретические и экспериментальные зависимости интенсивности напряжений в подшипниковых узлах от амплитуды и частоты колебаний помольной камеры, представленные на рисунке 4.1. Сплошными линиями здесь обозначены теоретические кривые, а пунктирными - экспериментальные. Как видно из рисунка, результаты теоретических и экспериментальных исследований незначительно отличаются друг от друга. Сравнение результатов исследований, представленных на этом рисунке ещё раз подтверждает справедливость и обоснованность следующего вывода: максимальные напряжения возникают в подшипниковых узлах вибрационной мельницы и находятся в квадратичной зависимости от частоты колебаний помольной камеры, причём для обеспечения работы мельницы в зоне её конструкционной прочности необходимо выдерживать установленные соотношения между амплитудой и частотой колебаний помольной камеры, определяемые для каждого типоразмера мельницы, что доказывает одно из научных положений, защищаемых в данной работе.

Одной из главных целей настоящей работы было повышение долговечности конструкции вибрационной мельницы. В теоретической части работы в результате проведённого расчёта на прочность конструкции мельницы и оптимизации значений напряжений в наиболее нагруженных зонах удалось снизить максимальные напряжения в подшипниковых узлах в 3,5 раза, что в пересчёте на долговечность подшипника дало увеличение срока его службы в 42 раза. Полученные экспериментальным путём зависимости долговечности подшипникового узла вибрационной мельницы от частоты колебаний помольной камеры также подтверждают сделанный вывод: достаточно разделить значения долговечности подшипникового узла для рационального и типового вариантов. Разница составит приблизительно в 40 раз (рис. 4.2).

Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей показал адекватность разработанной аналитической модели функционирования вибрационной мельницы реальным условиям эксплуатации вибрационной мельницы. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,95 составляет 89 %.

Промышленные испытания вибрационной мельницы для производства доломитовой муки

Одной из главных задач, стоящих сегодня перед исследователями и проектировщиками вибрационных мельниц является создание промышленного образца вибромельницы, обладающей заданной долговечностью и удельной энергоёмкостью измельчения. В предыдущих главах было показано, что главным фактором, сдерживающим проектирование и производство вибромельниц больших типоразмеров является высокие динамические нагрузки на подшипниковые узлы.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований нам удалось определить рациональные жёсткостные параметры пружин, при которых обеспечивается значительное (в 3,5 раза снижение максимальных напряжений в подшипниковых узлах. Это дало возможность вести процесс измельчения при более высоких значениях частоты колебания помольной камеры, сохраняя при этом заданный ресурс.

Следующим этапом исследований явилось применение результатов исследований на промышленном образце вибромельницы. Промышленные испытания вибромельницы, работающей с параметрами, рекомендованными на основании проведённых исследований, проходили на доломитовом карьере г. Шнайцльройт (Земля Бавария, Германия), принадлежащем фирме Jettenberg Schondorfer GmbH, которая исторически использует вибрационную мельницу в качестве основного оборудования для производства доломитовой муки (см. главу 3 и рис. 3.8). В качестве промышленного образца была использована вибра 121 ционная мельница фирмы «KHD Humboldt Wedag International AG» (Германия). По нашим рекомендациям во время планово-профилактического ремонта были заменены пружинные опоры мельницы на аналогичные с характеристиками, полученными в результате исследований, проведённых в настоящей работе. На рисунке 4.3 показана начальная стадия производства доломитовой муки на карьере фирмы Jettenberg Schondorfer GmbH (Германия), а на рисунке 4.4 представлена промышленная вибрационная мельница конструкции фирмы «KHD Humboldt Wedag International AG» (Германия) для получения доломитовой муки. Эта мельница работает на пружинных опорах с параметрами, рекомендованными в результате проведённых в настоящей работе исследований.

Замена пружин последний раз производилась в мае 2014 года. До настоящего момента никаких поломок подшипниковых узлов и конструкции в целом выявлено не было. За это время вибрационная мельница прошла как технически и психологически важный рубеж наработки на отказ 5 000 часов, так и заданное значение ресурса в 10 000 часов. Таким образом, в результате промышленных испытаний вибрационной мельницы, работающей с параметрами пружин, определёнными во 2 и 3 главах, ещё раз подтверждены результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе.