Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Состояние и направления развития среденеходных мельниц 9
1.1 Основные ступени совершенствования и направления развития техники и технологии измельчения в среднеходных мельницах 9
1.2 Анализ конструкций среднеходных барабанно-валковых мельниц и пути их дальнейшего совершенствования 18
1.3 Существующие методики расчета основных параметров 26
1.4 Предлагаемая конструкция горизонтальной валковой мельницы 36
1.5 Цель и задачи исследований 39
1.6 Выводы 39
РАЗДЕЛ 2. Теоретические исследования горизонтальной валковой мельницы 41
2.1 Общие сведения 41
2.2 Определение усилия измельчения в горизонтальной валковой мельнице с учетом прочности материала 41
2.3 Уравнение кинетики процесса измельчения в горизонтальной валковой мельнице 52
2.4 Расчет мощности потребляемой электроприводом горизонтальной валковой мельницы 59
2.5 Расчет производительности горизонтальной валковой мельницы 67
2.6 Методика расчетов конструктивно-технологических параметров
горизонтальной валковой мельницы 70
2.7 Выводы 76
РАЗДЕЛ 3. План и методика проведения экспериментальных исследований 77
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 77
3.2 Описание экспериментальной установки и средств измерений
3.3 Характеристики исследуемого материала 87
3.4 Проведение поисковых экспериментов 87
3.5 План проведения многофакторного эксперимента для определения эффективности измельчения 89
РАЗДЕЛ 4. Экспериментальные исследования 94
4.1 Результаты поисковых экспериментов 94
4.2 Анализ результатов многофакторных экспериментов
4.2.1 Анализ результатов исследований зависимости Р = f (n, Fпр, Ъ\,Ът) 105
4.2.2 Анализ результатов исследований зависимости Q = f (n, Fпр, Ъ\,Ът) 109
4.2.3 Анализ результатов исследований зависимости R = f (n, Fпр, Ъ\,Ът) 114
4.2.4 Анализ результатов исследований зависимости q = f (n, Fпр, Ъ\,Ът)
4.3 Выбор рационального режима работы ГВМ 123
4.4 Анализ результатов исследований кинетики процесса измельчения, зависимости R = f (z) 128
4.5 Выводы 129
РАЗДЕЛ 5. Промышленное внедрение 130
5.1 Промышленные испытания ГВМ 130
5.2 Технико-экономические результаты работы 132
5.3 Выводы 142
Общие выводы и результаты работы 144
Список литературы
- Анализ конструкций среднеходных барабанно-валковых мельниц и пути их дальнейшего совершенствования
- Уравнение кинетики процесса измельчения в горизонтальной валковой мельнице
- Характеристики исследуемого материала
- Анализ результатов исследований зависимости q = f (n, Fпр, Ъ\,Ът)
Введение к работе
Актуальность работы. Современная мировая промышленность не стоит на месте, с каждым годом она растет и переходит на более высокий уровень технологичности и производительности в ногу с развитием науки и техники. В последнее время наблюдается строительство новых современных заводов, для них в основном используется оборудование зарубежных производителей. Большинство заводов построены и введены в эксплуатацию еще в СССР. Развитие на таких заводах заключается лишь в ремонте и модернизации устаревшего оборудования. В то же время, при тех же и меньших затратах энергии сегодня требуется большая производительность. Достигнуть этого можно либо благодаря оптимизации имеющихся, либо созданию новых конструкций машин и технологий.
Процесс измельчения – это один из основных технологических процессов в производстве строительных материалов, таких как цемент, известь, гипс, различные наполнители строительных пластмасс, кварцевый и мраморный песок и др. Необходимость исследования в этой области определяется значительным влиянием степени измельчения на свойства материалов и большим объемом их производства.
Тонкое измельчение в строительной отрасли является одной из самых энергоемких стадий производства. Модернизация старых машин и разработка новых конструкций, с целью снижения энергопотребления и повышения производительности, являются одними из основных задач, решением которых заняты современные разработчики оборудования .
Сокращение расходов на измельчение напрямую влияет на стоимость продукции, и соответственно конкурентоспособность на рынке строительных материалов.
Многочисленные и всесторонние исследования процесса измельчения материалов и изменения их физико-химических свойств показали, что с ростом тонкости помола измельчение затрудняется, затраты энергии увеличиваются, а при определенной граничной для этого материала тонкости и способе разрушения дальнейшее измельчение становится невозможным. Наиболее перспективными, в этом отношении, являются помольные агрегаты с повышенными скоростями движения рабочих органов, это установки на базе среднеходных и быстроходных мельниц. Они отличаются более высокой интенсивностью процесса измельчения, а, следовательно, и большей производительностью по отношению к тихоходным мельницам (при соизмеримых габаритах).
В последнее время наиболее перспективным методом среднего и тонкого помола является измельчение путем сжатия слоя материала, между цилиндрическими измельчающими поверхностями, там образуется критическая зона, где развивается сжимающее усилие, превосходящее предел прочности материала. Этот метод измельчения используется в горизонтальной валковой мельнице (ГВМ). Вместе с положительными качествами ГВМ имеет и ряд недостатков, ограничивающих её применение. Это, во-первых, то, что этот тип мельниц предназначен для измельчения материалов низкой и средней прочности, во-вторых, ГВМ боятся возможного попадания недробимых материалов в рабочую область, что может привести к поломке, в-третьих, несовершенство конструктивных элементов, нуждающихся в доработке . Кроме этого, в теории ГВМ имеется ряд вопросов, которые недостаточно раскрыты, существующие теории расчета имеют незавершённый характер, в них не учитываются конструктивные особенности машины.
Вследствие вышесказанного, можно сделать вывод об актуальности данной
проблемы, то есть существует необходимость проведения дополнительных исследований ГВМ: выявление зависимостей между затратами электроэнергии, производительностью, характеристиками измельчителя, процессом измельчения, качеством готового продукта.
Цель диссертационной работы – определение рациональных конструктивно-технологических параметров и режимов процесса измельчения горизонтальной валковой мельницы; разработка методики расчета.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
анализ существ ующих конструкций и направлений развития среднеходных барабанно-валковых мельниц;
разработать методику определения усилия измельчения в ГВМ с учетом прочности материала;
установить кинетическую зависимость процесса измельчения в ГВМ;
разработать методику расчета мощности привода, производительности;
разработать алгоритм расчета основных конструктивно-технологических параметров ГВМ;
создать экспериментальную установку ГВМ, разработать план и методику проведения исследований;
выявить рациональные конструктивные параметры ГВМ и режимы процесса помола.
Научная новизна работы заключается в:
получении уравнения для определения усилия измельчения с учетом прочности измельчаемого материала и его крупности;
получении уравнения кинетики процесса измельчения в ГВМ учитывающего крупность исходного и готового продукта в зависимости от кратности циркуляции частиц измельчаемого материала;
получении уравнений для определения составляющих и суммарной потребляемой мощности привода с учетом физико-механических свойств измельчаемого материала и угла установки мелющего валка;
получении уравнений регрессии по определению рациональных конструктивно-технологических и энергетических параметров ГВМ.
Практическая значимость работы заключается в создании горизонтальной валковой мельницы новой конструкции (защищенной патентом РФ №2497594 на изобретение) на основе расчетов и экспериментальных данных, а также в определении её рациональных конструктивных и технологических параметров; проведении опытно-промышленных испытаний ГВМ на ООО «Боникс» для совместного измельчения компонентов мраморной декоративной штукатурки на основе мраморной крошки.
Положения, выносимые на защиту:
– Аналитические зависимости, определяющие усилия измельчения в горизонтальной валковой мельнице с учетом прочности материала;
– Аналитические зависимости, описывающие кинетику процесса измельчения в горизонтальной валковой мельнице;
– Аналитические зависимости, определяющие мощность, затрачиваемую приводом мельницы; зависимости, определяющие производительность горизонтальной валковой мельницы;
– Алгоритм расчета основных конструктивно-технологических параметров горизонтальной валковой мельницы;
– Результаты экспериментальных исследований в виде уравнений регрессии вида (Q, P, R0071, q) = f(n, Fпр, b1, b2) и графиков, позволяющих определить оптимальные значения факторов n, Fпр, b1, b2;
– Новая конструкция ГВМ.
Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на всероссийских и международных научно-технических конференциях в: Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, г. Белгород, 2010-2015 г.г., в Белорусско-Российском университете, г. Могилев, 2014г., Белорусском национальном техническом университете, г. Минск, 2013-2014г.г., Казанском государственном архитектурно-строительном университете, г. Казань, 2015г., а также на заседаниях кафедры механического оборудования и технологии машиностроения БГТУ имени В.Г. Шухова в 2009 – 2015 г.г.
Личный вклад соискателя. Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результ аты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационные исследования соответствуют паспорту специальности 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы» (строительство и ЖКХ) по областям исследования пп. 1, 5.
Публикации: по результатам исследований опубликовано 10 статей, в том числе 3 статьи в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы и приложений. Диссертация вы полнена на 167 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 17 таблиц, 121 источник литературы, 2 приложения.
Анализ конструкций среднеходных барабанно-валковых мельниц и пути их дальнейшего совершенствования
Качественные и количественные характеристики измельчения в основном зависят от измельчителя, поэтому необходим правильный подбор типа аппарата для механической обработки того или иного материала [98]. К тому же свойства каждого материала (прочность, твердость, хрупкость) отличаются друг от друга, это отражается на выборе оптимальной конструкции измельчителя. Сегодня существует большое разнообразие конструкций измельчителей, работающих во многих отраслях производств и с различными материалами.
Уменьшение размера частиц приводит к увеличению их относительной прочности. Это явление объясняется тем, что с уменьшением размера частиц уменьшается и число участков с нарушенной структурой в результате предварительного измельчения [85]. Вследствие этого возникла необходимост ь повышения интенсивности измельчения материалов. Поставленная цель достигается применением измельчителей раздавливающего и истирающего действия, угловая скорость движения рабочих органов у этих машин достигает 30 рад/с, они характеризуются повышенной скоростью приложения нагрузок и частотой воздействия импульсов сил. В таких машинах измельчение происходит между цилиндрическими, коническими или шарообразными поверхностями роликов или шариков и плоскими или криволинейными поверхностями кольца или стола при их взаимном расположении [13].
Данный тип машин получил название среднеходные мельницы [13], они применяются для тонкого и среднего помола материалов средней и малой прочности (каолин, полевой шпат, магнезит, мел, уголь, известняк, мрамор, клинкер и пр.), исключение составляют бисерные мельницы, в которых возможен и сверхтонкий помол. К данному типу машин относятся вертикальные и горизонтальные валковые, кольцевые роликовые, шарикокольцевые, роликомаятниковые и бисерные мельницы.
Общим преимуществом всех среднеходных мельниц являются: пониженный удельный расход электроэнергии на размол, равный 16 – 19 кВтч/т (что в 1,5 – 2 раза меньше, чем у ШБМ) [43], компактность их установки и малая удельная скорость изнашивания размольных элементов, составляющая 5,0 – 20 г/т (против 100 – 150 г/т у ШБМ) [95], обладают большей эксплуатационной гибкостью.
Недостатком среднеходных мельниц является большая, чем для других видов мельниц, чувствительность к попаданию вместе с измельчаемым материалом посторонних металлических предметов и твердой породы, что ведет к появлению вибрации [43]. При попадании крупных кусков металла может произойти поломка элементов мельницы. Поэтому в установках с среднеходными мельницами необходима дополнительная установка магнитных сепараторов и других устройств для улавливания металла [43].
Основными параметрами среднеходных мельниц, влияющих на процесс помола, являются скорость движения рабочих поверхностей, и усилие их прижатия, а также количество воздействий на материал за один цикл измельчения.
Помол материалов между помольным столом и валками – один из самых древних известных человечеству способов помола [35]. Основы технологии помола материалов в среднеходных мельницах дошли до наших дней из древнего мира, когда на каменном «помольном столе» круглой формы умещались один или несколько валков, приводимые при помощи рычага. Изначально подобные мельницы нашли свое применение в сельском хозяйстве, где они использовались для помола зерновых. Среднеходные мельницы начали интенсивно использовать в мировой практике в 20-х годах, а в СССР в 30-х годах ХХ века.
Все современные среднеходные мельницы изначально разрабатывались, конструировались и поставлялись для производства пылеугольного топлива. Первый прототип современных среднеходных мельниц был разработан в США – мельница Maxecon – так называемая «кольцевая роликовая мельница», она не получила там распространения и дальнейшего развития рисунок 1.1 [35, 83].
В 1906 году Курт фон Грюбер, Германия, приобрел лицензию на производство этих мельниц и создал свою машиностроительную артель Curt von Grueber Maschinenbauanstalt в которой начал производство мельниц под новым названием Kent [35, 53]. Производительность мельницы по углю достигала 5 т/ч. Изначально готовый продукт покидал ее через выходную течку в нижней части корпуса за счет собственного веса, позже мельница начала работать в режи ме воздушного потока, который обеспечивал транспортную функцию.
История появления второй среднеходной мельницы в точности совпадает с первой [35, 116]: лицензия на производство «маятниковой мельницы Раймонд» Raymond-Pendel-Mill рисунок 1.2, разработанной в США, была также приобретена Куртом фон Грюбером совместно с энергетическим концерном BEWAG, Берлин. Производительность мельницы достигала 20 т/ч. Это первая вертикальная мельница, осуществляющая одновременный помол, сушку, а также классификацию материала за счет встроенного статического сепаратора. В дальнейшем с 1930 года лицензию на производство мельниц фирмы Реймонд получила фирма Neuman&Esser, выкупив компанию AachenMehler. Компания Neuman&EsserGmbH и сегодня выпускает мельницы данного типа [116].
Уравнение кинетики процесса измельчения в горизонтальной валковой мельнице
Параметр p для каждого из графиков был рассчитан на основании поисковых экспериментов по двум опытам: при постоянной угловой скорости, изменению подвергается кратность циркуляции, для решения уравнений удобно принять кратность циркуляции первого и второго опыта, т.е. R1 при z1 = 1 и R2 при z2 = 2. Найденное уравнение кинетики измельчения дает возможность обосновать ряд практически важных вопросов, таких как расчет производительности мельницы или определение циркулирующей нагрузки и др.
Мощность привода потребляемой горизонтальной валковой мельницей можно определить, если затраты мощности разбить на составляющие: затраты на помол материала, затраты на трение в подшипниках скольжения валков, затраты на трение в подшипниках колес опор барабана и затраты на трение скребка отбрасывающего устройства о барабан т.е. на преодоление всех сил трений при работе машины:
При захвате валками кусков материала средне суммарные усилия помола FРi и FР2, каждого из валков, вызывают силы трения, равные FТ\ и FТ рисунок 2.7. Произведение этих сил на радиусы валков R\ и R2 представляют собой моменты сил, на преодоление которых расходуется мощность двигателя. Из курса физики нам известно [105], что мощность - это скалярная величина, характеризующая быстроту совершения работы этой силой и равная отношению элементарной работы 4 к промежутку времени dt, за который она совершена: dt dt Рисунок 2.7 Схема к определению мощности расходуемой на помол в ГВМ Мощность силы или системы сил, вызывающих вращательное движение абсолютно твердого тела, равна произведению результирующего момента этих сил относительно оси вращения на угловую скорость вращения [105]:
Зависимости мощности, расходуемой на помол от частоты вращения корпуса мельницы, при измельчении материалов с пределами прочности: 1 = 40МПа; 2 = 60МПа; 3 = 80МПа; 4 = 100МПа. Мощность, необходимая на преодоление сил трения в подшипниках валков, является суммой мощностей, расходуемых на трение на осях [67]: рг=к+к (2.73) Мощность, расходуемая на трение на осях валков можно определить, пользуясь расчетной схемой в соответствии с рисунком 2.9. Рисунок 2.9 Схема расчета мощности, расходуемой на трение в подшипниках валков в ГВМ
Валки обладают массой, а соответственно и силой тяжести G\ =m\g и G2=/W2g, которые вызывают силы трения FТGI и FТG2 на осях валков. Произведение этих сил на радиусы подшипников валков г\ и гг представляют собой моменты сил трения, на преодоление которых расходуется мощность двигателя.
В свою очередь на подшипники валков действуют средне суммарные усилия помола FРВI= FРi и FРВ2= FР2, которые вызывают силы трения, равные FТВI= FТ\ и ТВ2= FТ2- Произведение этих сил на радиусы подшипников валков г\ и гг представляют собой моменты сил трения, на преодоление которых также расходуется мощность двигателя.
Мощность, расходуемая на трение на осях колес можно определить, пользуясь расчетной схемой в соответствии с рисунком 2.10. Рисунок 2.10 Схема расчета мощности, расходуемой на трение в подшипниках опор барабана в ГВМ Барабан мельницы обладает массой, а соответственно и силой тяжести G=mбарg, которая перераспределяясь между опорами вызывает в них силы трения ТGОl и FТGО2- Произведение эти х сил на радиусы подшипников опор ГОї и ГО2 представляют собой моменты сил трения, на преодоление которых расходуется мощность двигателя. В свою очередь на подшипники опор действуют средне суммарные усилия помола FРОi= FРi и FРО2= FР2, которые вызывают силы трения, равные FТОI= ТI и ТО2= FТ2- Произведение этих сил на радиусы подшипников опор ГОї и ГО2 представляют собой моменты сил трения, на преодоление которых также расходуется мощность двигателя.
На основании уравнений 2.72, 2.78, 2.84 и 2.87 были построены составляющие зависимости мощности, расходуемой в ГВМ от частоты вращения корпуса мельницы, на рисунке 2.11 это графики P1-P4 при измельчении материалов пределом прочности = 60 МПа, а также на основании уравнения 2.62 суммарная зависимость P, с учетом к.п.д. привода. корпуса мельницы. Из построенных зависимостей можно увидеть, что самой большой составляющей расхода энергии является расход энергии, затрачиваемый на измельчение материала, в то же время минимальной составляющей является расход энергии, затрачиваемый на скребке отбрасывающего устройства, этой составляющей в расчетах можно пренебречь.
Производительность горизонтальной валковой мельницы зависит от габаритных размеров рабочих элементов мельницы и скорости их вращения, свойств измельчаемого материала, тонкости помола, вида помола (сухой или мокрый), условий эксплуатации машины, равномерности питания и других факторов.
Схема к определению производительности горизонтальной валковой мельницы Если принять, что мельница питается равномерно, готовый продукт отводится непрерывно, и представить процесс помола как движение колец материала вдоль оси вращения корпуса мельницы в соответствии с рисунком 2.12 толщиной равной минимальному расстоянию между валком и барабаном, причем за один оборот выходит одно кольцо материала, объемная производительность рассчитывается по формуле, м3/ч: Q = 60Vkpn, (2.88) где V - объем кольца материала выпадающий из мельницы за один оборот барабана, м3; кр - коэффициент разрыхления материала, равный для прочных материалов 0,2-Ю,3 и для влажных вязких 0,4-Ю,6 [13]; п - частота вращения барабана, об/мин. Объем материала:
Характеристики исследуемого материала
Лента материала, прижатая центробежными силами к поверхности цилиндрического корпуса, попадает в отклоняющее устройство, сдвигается и далее попадает под действие первого валка, затем под второй валок и т.д., цикл повторяется шесть раз. Материал в мельнице движется по спирали. Последняя направляющая выполняет функцию разгрузочного устройства, выводит ленту материала за пределы измельчающей зоны мельницы. Необходимую толщину измельчаемого материала получают, приближая или удаляя подвес 20 болтами 21, что позволяет уменьшить или увеличить зазор между корпусом и валками.
Существует возможность отдельного регулирования зазоров под первым и вторым валками. Также существует возможность отстройки зазоров от большего размера к меньшему по мере прохода материала через мельницу и, наоборот, от меньшего к большему. Конструкция устройства для прижима валков позволяет производить отдельно регулировку зазоров между валками и барабаном, и регулировку усилия прижатия валков к барабану.
Подача материала под валки после каждого его прохода между валком и корпусом, в виде ленты, одинаковой по ее ширине массой, позволяет исключить переменную толщину измельчаемого слоя, то есть исключить пустоты в слое, что создает благоприятные условия для интенсивного измельчения материала и, как следствие, обуславливает повышение эффективности процесса измельчения. При этом конструкции отклоняющего устройства и устройства для прижима валков просты в исполнении.
Ременная передача, в целях безопасности, снабжена кожухом (на рисунке не указан). Рама лабораторной установки имеет подпорки. Также лабораторная установка снабжена колесами и рукояткой для удобства транспортировки.
На корпусе пульта управления установлены кнопочный пускатель 28 содержащий кнопки пуска и остановки, автоматический выключатель 29 служащий для защиты двигателя и проводки от перегрузок и короткого замыкания, гибкий питающий кабель 30, устройство для измерения мощности, тока и напряжения 31, пускатель (установлен внутри корпуса) и кнопка измерений 32. Пускатель служит для вывода из схемы измерителя мощности на время пуска электродвигателя привода экспериментальной установки.
Для измерения мощности потребляемой электродвигателем используется прибор для измерения мощности «Master Kit MT4011» рисунок 3.7. Это устройство предназначено для измерения мощности электроэнергии и контроля количества потребляемой электроэнергии.
Рисунок 3.7 Устройство для измерения мощности «Master Kit MT4011». Устройство для измерения мощности имеет максимальный предел измерения по току 18А, а пусковой ток электродвигателя составляет порядка 70А, поэтому существует необходимость исключения измерителя из цепи электродвигателя на время пуска. Для этого в схему были добавлены трехфазный пускатель и кнопка измерений. Принципиальная электрическая схема представлена на рисунке 3.8. Рисунок 3.8 Схема соединений электрическая принципиальная ХР1, ХР2 - вилка однофазная, SF - автоматический выключатель, КМ - электромагнитный пускатель, SN - кнопка для измерений, XS1 - розетка однофазная, PW - измеритель мощности, SA - кнопочный пускатель, М - электродвигатель Так же для контроля измерений ваттметра производилось снятие вольтамперных характеристик электродвигателя при помощи цифровых измерительных клещей DT/DM226 и мультиметра М838. Измерительные клещи использовались в положении измерения тока на пределе измерения 200А, погрешность на этом пределе составляет ±(2%+5). Мультиметр использовался в положении измерения напряжения переменного тока на пределе измерения 750В, погрешность на этом пределе составляет ± (1,2% + 10).
Остаток на сите №0071 готового продукта определялся на порошковом рассеивателе РП-5, который работает на принципе продувания воздухом [24, 27, 28]. 3.3 Характеристики исследуемого материала
В ходе проведения экспериментальных исследований, на горизонтальной валковой мельнице подвергались измельчению кварцевый песок, мел и мраморная крошка. В качестве исследуемого материала, как наиболее перспективного, была выбрана мраморная крошка.
Основными параметрами, характеризующими работу горизонтальной валковой мельницы, являются: производительность Q и мощность, потребляемая приводом P.
Еще одним важным показателем, характеризующим эффективность процесса измельчения в горизонтал ьной валковой мельнице, является качество готового продукта – гранулометрический состав. Характеристиками качества будут являться: остаток на сите №0071 с размером ячейки 0,071мм [25] – R0071 и удельная поверхность готового продукта.
Параметрами, влияющими на эффективность работы горизонтальной валковой мельницы, являются: габариты рабочих органов мельницы, фракция исходного материала, количество циклов измельчения (кратность циркуляции), частота вращения барабана, коэффициент разрыхления материала, поправочный коэффициент, усилие прижатия валков, зазоры между барабаном и каждым из валков.
Исходя из этого, в качестве варьируемых факторов были выбраны: частота вращения барабана «, усилие в пружинах устройства для прижима валков FПР, зазор между барабаном и первым валком bi, зазор между барабаном и вторым валком b2. В качестве фиксированных (управляющих) воздействий выступают: габариты рабочих органов мельницы (Д di, di)\ кратность циркуляции z; коэффициент разрыхления материала ju и поправочный коэффициент к, которые зависят от свойств измельчаемого материала.
Поисковые эксперименты позволили определить факторы, которые оказывают влияние на характеристики процесса помола, уровни варьирования этих факторов и точность нахождения функций отклика.
Поисковые эксперименты показали, что при тройном повторении экспериментов наибольшее расхождение составило: при измерении потребляемой мощности Р - 4,7 %, при измерении производительности Q - 4,9 %. Можно сделать следующий вывод: выбранная методика проведения экспериментов обеспечивает необходимую точность измерений, повторение каждого из опытов принимаем равным трем.
План проведения многофакторного эксперимента Эксперименты проводились в две стадии: На первой стадии проводились поисковые эксперименты, которые позволили определить факторы, оказывающие влияние на характеристики процесса помола, уровни варьирования этих фактор ов и точность нахождения функций отклика . Также отрабатывалась методика проведения многофакторного эксперимента.
На второй стадии проводились многофакторные эксперименты. На основании априорной информации о процессах, протекающих в ГВМ и результатов поисковых экспериментов, в качестве плана для проведения эксперимента, был выбран центральный композиционный ортогональный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКОП 24.
Основой для выбора этого плана явились его свойства, позволяющие получить одинаковую дисперсию предсказанных значений функции отклика во всех равноудаленных от центра плана эксперимента точках [96, 41, 36]. Важным свойством полного факторного эксперимента, принятым во внимание при выборе плана, является отсутствие смешения линейных эффектов с эффектами взаимодействия, характерного для дробных факторных экспериментов [96].
В качестве функций отклика на воздействие факторов, влияющих на процесс измельчения, выбраны: часовая массовая производительность мельницы Q и удельные затраты электроэнергии q. Они отвечают требованиям, предъявляемым к функциям отклика – это универсальность, возможность представления в количественном виде, возможность выражения одним членом.
Было выявлено, что увеличение кратности циркуляции z 6 не приводит к значительному увеличению тонкости помола измельчаемого материала (рис. 4.31), но приводит к перерасходу электроэнергии на единицу массы готового продукта. Например, изменение кратности циркуляции z от 5 до 6 приводит к уменьшению остатка на сите на 2,45%, при этом изменение кратности циркуляции z от 6 до 7 приводит к уменьшению остатка на сите на 0,88%, а при изменении z от 7 до 8 уменьшение остатка на сите составляет всего 0,64%. Поэтому оптимальным значением кратности циркуляции, при котором измельчение еще эффективно, является кратность равная z = 6.
Анализ результатов исследований зависимости q = f (n, Fпр, Ъ\,Ът)
Например, при равных значениях скорости вращения барабана x1 = -1,414, на рисунке 4.21 при x3 = -1,414 R0071 = 48,47%, а на рисунке 4.22 при x4 = -1,414 R0071 = 39,72%.
Увеличение частоты вращения барабана x1 в обоих случаях приводит к подъему графических зависимостей R0071 = f (x3) и R0071 = f (x4), то есть с увеличением частоты вращения барабана остаток на сите 0071 увеличивается, соответственно помол становиться более грубым. Ранее нами также были сделаны аналогичные выводы при анализе уравнения регрессии 4.3 в отношении влияния зазоров между валками и барабаном. Результаты, полученные при исследовании зависимостей R0071=f(x1), R0071=f(x2), R0071=f(x3), R0071=f(x4) позволяют установить рациональный режим процесса измельчения в ГВМ.
Параметры оптимизации Q, P и R0071 и уравнения регрессии 4.1, 4.2 и 4.3 являются не зависимыми друг от друга.
Удельный расход энергии q, при помоле мраморной крошки в ГВМ, определяется по известной формуле, соотношением q = P/Q, то есть он показывает отношение потребляемой мощности P к производительности Q мельницы, ранее определенные по уравнениям 4.1 и 4.2.
Имея уравнение регрессии вида q = f(x1, x2, x3, x4) мы имеем возможность дополнительно оценить влияние каждого из исследуемых факторов в комплексе, на такой важнейший экономический показатель работы ГВМ как удельный расход энергии, которая затрачивается на помол единицы массы готового продукта.
Уравнение регрессии q = f(x1, x2, x3, x4) в кодированном виде: q = 21,878 - 0,767x1+ 0,566x2 - 0,427x3 - 0,409x4 - 0,086x12 + +0,086x22 + 0,106x32 + 0,042x42 - 0,036x1x2 + 0,017x1x3 + 0,044x1x4 - (4.4) -0,049x2x3 + 0,001x2x4 - 0,002x3x4, В полученном уравнении регрессии можно увидеть, что наибольшее влияние на удельный расход энергии оказывают: частота вращения барабана и величина усилия прижатия валков к барабану, их совместное суммарное влияние на удельный расход энергии составляет 61,5%, влияние величины зазоров между барабаном и валками составляет 38,5%.
Отрицательные знаки перед x1, x3, x4 свидетельствуют о том, что с увеличением частоты вращения барабана и зазоров между барабаном и валками, удельный расход энергии уменьшается, то есть на единицу массы готового продукта энергии затрачивается меньше.
Положительный знак перед фактором x2 свидетельствует о том, что с увеличением величины усилия прижатия валков к барабану, удельный расход энергии увеличивается. Это очевидно, дополнительные пояснения не требуются.
Наиболее типичные результаты экспериментальных исследований представлены на рисунках 4.23 – 4.26: q = f(x1), q = f(x2), q = f(x3), q = f(x4).
Из рисунка 4.23 следует, что зависимости q = f(x1) при всех значениях x2, x3, x4 – линейные убывающие. Например, при усилии в пружина х устройст ва для прижима валков равном FПР = 105 кН и частоте вращения барабана равной n = 91 об/мин удельный расход энергии равен q = 25,44 кВтч/т, а при n = 109 об/мин и том же FПР, q = 22,27 кВтч/т, т.е. уменьшается на 12,46% или на 3,17 кВтч/т. При FПР = 70 кН и n = 91 об/мин q = 22,02 кВтч/т, а при увеличении до n = 109 об/мин и том же FПР, q = 18,95 кВтч/т, т.е. убывает на 13,94% или на 3,07 кВтч/т.
По аналогии с q = f(x3), графические зависимости q = f(x4) на рисунке 4.26 также линейные убывающие. При изменении величины зазора на втором валке от b2 = 2 мм до b2 = 6 мм и частоте вращения барабана равной n = 100 об/мин, удельный расход энергии уменьшается от q = 24,78 кВтч/т до q = 19,86 кВтч/т, на величину q = 4,92 кВтч/т или на 19,85%, что больше на q = 2,66 кВтч/т или на 117,69%, по сравнению с первым валком.
То есть увеличение зазора между барабаном и вторым валком, приводит к более интенсивному сокращению удельного расхода энергии, в сравнении с увеличением зазора на первом валке.
Процесс измельчения в лабораторной установке горизонтальной валковой мельницы описывается полученными ранее в разделе 4.2 уравнениями регрессии, используя которые можно провести оптимизацию этого процесса. Оптимизация подразумевает под собой подбор входных параметров таким образом, чтобы измельчение протекало наиболее эффективно.
Подбор рационального режима работы ГВМ осуществим по совместному рассмотрению графиков зависимостей уравнений регрессии: удельных затрат электроэнергии q = f(n, Fпр, b1, b2) (кВтч/т), тонкости помола по остатку на сите R0071 = f(n, Fпр, b1, b2) (%) и производительности Q = f(n, Fпр, b1, b2) (кг/ч).
Причем к каждой из функций отклика предъявляются определенные требования: для удельной производительности q – минимальное значение, для остатка на сите R0071 – минимальное значение, для производительности Q – максимальное значение.
Исследуя графические зависимости на рисунке 4.27 можно заметить, что при изменении числа оборотов вращения барабана n от 106,4 об/мин до 109 об/мин удельное энергопотребление q принимает минимальное значение 18,95 кВтч/т при n = 109 об/мин, производительность установки Q максимальна также при n = 109 об/мин и составляет 195 кг/ч, но в тоже время, минимальное значение остатка на сите R0071 наблюдается при значении n = 100 об/мин и составляет 73%.
Анализ полученных зависимостей показал, что наиболее рациональным числом оборотов вращения барабана мельницы будет промежуток n = 100 – 106,4 об/мин, исходя из минимального расхода электроэнергии для достижения максимальной производительности установки и качества помола.
На рисунке 4.28 представлена зависимость удельного энергопотребления q, тонкости помола по остатку на сите R0071 и производительности Q от усилия прижатия валков к барабану Fпр.
Исследуя графические зависимости на рисунке 4.28 можно заметить, что при изменении усилия прижатия валков к барабану Fпр от 70 кН до 75 кН удельное энергопотребление q принимает минимальное значение 20,13 кВтч/т при Fпр = 70 кН, производительность установки Q максимальна также при Fпр = 70 кН и составляет 181,5 кг/ч, но в тоже время, минимальное значение остатка на сите R0071 наблюдается при значении Fпр = 105 кН и составляет 59%.