Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы грохочения сыпучих материалов, его моделирования, расчета и оптимизации 15
1.1. Общая характеристика процессов грохочения 19
1.2. Анализ конструктивных схем и основные направления развития классифицирующего оборудования 23
1.3. Методы моделирования процессов грохочения 38
1.4. Выбор технологических параметров процесса грохочения 52
1.5. Анализ исследований транспортирования сыпучего материала по просеивающей поверхности виброгрохота 57
1.6. Выводы по главе 1. Постановка задач исследований 63
2. Моделирование процесса периодического грохочения 66
2.1. Моделирование процесса грохочения на основе теории марковских процессов 70
2.1.1. Стохастическая модель кинетики процесса грохочения (общий случай) 70
2.1.2. Влияние диффузионного и сегрегационного механизмов на движение проходовых частиц по высоте виброожиженного слоя 75
2.1.3. Моделирование процесса грохочения полидисперсной смеси 80
2.2. Описание поведения ансамбля частиц в виброожижженном слое с помощью теории цепей Маркова 82
2.2.1. Моделирование периодического грохочения с помощью одномерных цепей Маркова 82
2.2.2. Моделирование кинетики пофракционного извлечения подрешетного продукта при грохочении 92
2.2.3. Вибрационный грохот как многопродуктовый классификатор: кинетика извлечения фракций 99
2.3. Выводы по главе 2 104
3. Модели процессов движения частиц над вибрирующей поверхностью грохота и проникновения проходовых частиц через отверстия сита 106
3.1. Общие динамические уравнения движения частиц над вибрирующей поверхностью 108
3.2. Вертикальные колебания горизонтальной поверхности сита 113
3.3. Движения частицы по продольно колеблющейся поверхности грохота 117
3.4. Движение частиц при круговых колебаниях наклонной поверхности виброгрохота 121
3.5. Движение частиц при независимом ввозбуждении колебаний: общий случай движения 127
3.6. Определение вероятности проникновения проходовых частиц через отверстия сита при периодическом грохочении 134
3.7. Определение вероятности проникновения проходовых частиц через отверстия сита при непрерывном грохочении 137
3.6. Выводы по главе 3 140
4. Моделирование процесса непрерывного грохочения на основе теории цепей маркова 142
4.1. Двухмерная стохастическая модель кинетики грохочения 143
4.2. Идентификация параметров модели для формирования количественного метода расчета реальных процессов грохочения 150
4.3. Оптимизация геометрических характеристик виброгрохота 154
4.4. Выводы по главе 4 160
5. Расчетно-экспериментальное исследование процесса грохочения сыпучих материалов 161
5.1. Расчетно-эксперименталыюе исследование процесса периодического грохочения сыпучих материалов 163
5.1.1. Описание стендовых установок, реализующих процесс периодического грохочения. Методика проведения экспериментов 163
5.1.2. Исследование изменения высоты сыпучего слоя на просеивающей поверхности грохота 168
5.1.3. Исследование кинетики периодического грохочения и
эволюции состояний проходовых частиц в виброожиженном слое 171
5.1.4. Исследование влияния основных параметров процесса периодического грохочения на стохастические коэффициенты 180
5.2. Расчетно-экспериментальное исследование процесса непрерывного грохочения сыпучих материалов 187
5.2.1. Описание установки; реализующей процесс непрерывного грохочения. Методика проведения экспериментов 187
5.2.2. Расчетно-экспериментальное исследование процесса транспортирования сыпучих материалов по просеивающей поверхности грохота 189
5.2.3. Расчетно-экспериментальное исследование влияния динамических параметров вибрации сита на производительность установки и эффективность процесса грохочения 192
5.3. Выводы по главе 5 201
6. Расчет режимных параметров вибрационных грохотов 203
6.1. Стратегия структурно-параметрической оптимизации процесса виброгрохочения сыпучих материалов 205
6.2. Практическая реализация результатов работы в промышленности 211
6.3. Выводы по главе 6 226
Заключение 228
Библиографический список 231
Приложения 265
- Анализ конструктивных схем и основные направления развития классифицирующего оборудования
- Влияние диффузионного и сегрегационного механизмов на движение проходовых частиц по высоте виброожиженного слоя
- Движение частиц при круговых колебаниях наклонной поверхности виброгрохота
- Идентификация параметров модели для формирования количественного метода расчета реальных процессов грохочения
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Процессы грохоченияния сыпучих материалов широко распространены в строительной, горно-обогатительной, химической, пищевой и других отраслях промышленности. В одних случаях возникает необходимость отсева достаточно крупных кусков материала (300 – 400 мм) из сыпучей среды, в других граница разделения может составлять десятые доли миллиметра. От эффективности процесса в значительной степени зависят потребительские характеристики продуктов классификации. Процесс вибрационного грохочения сыпучих материалов использовался еще 250 лет назад, но научные основы этой технологии стали предметом исследования лишь в предыдущее столетие. Резкий рост объемов перерабатываемых материалов, разнообразие их видов, требований к оборудованию привели к тому, что наработанный в течение столетий эксплуатационный опыт, полученный методом проб, перестал удовлетворять запросам развивающихся производств. Однако теоретические модели, описывающие закономерности процесса грохочения, не могут ответить на многие вопросы, которые возникают при эксплуатации и проектировании виброгрохотов. Поэтому в настоящее время в условиях промышленного производства технологические параметры определяются эмпирически. При выборе оборудования лишь в общих чертах учитывается то обстоятельство, что грохочение конкретного сыпучего материала на определенном типе аппарата имеет свои особенности. Сложность физико-механических свойств сыпучих материалов и разнообразие режимов вибровоздействия просеивающих поверхностей на слой материала привели к тому, что строгие уравнения движения частиц сыпучей среды в общепризнанном виде до настоящего времени не сформулированы. Поэтому обобщение экспериментальных данных эксплуатации промышленных машин во многих случаях остается единственной основой методов их расчета и проектирования. Однако даже незначительные изменения технологического режима требуют повторения всего объема экспериментальных исследований. Создание математических моделей, которые могут спрогнозировать изменение протекания процесса грохочения сыпучих сред при внесении режимных или конструктивных изменений, позволит вести целенаправленный поиск эффективных решений в практике эксплуатации и проектирования оборудования для грохочения.
Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках основных научных направлений ИГАСУ «Повышение надежности, экономичности и технологичности строительных конструкций зданий, сооружений, машин и оборудования» (шифр по ГРНТИ 67.11; 67.13; 67.17).
Цель работы – разработка новых подходов к моделированию, расчету и оптимизации процессов грохочения сыпучих материалов для их использования в технологических и проектных мероприятиях по повышению эффективности и производительности виброгрохотов.
Объектом исследования в работе являлись процессы непрерывного и периодического вибрационного грохочения сыпучих материалов.
Предмет исследования – формирование фракционного состава продуктов грохочения сыпучих материалов и поиск возможностей управления его формированием с целью повышения эффективности и/или производительности вибрационных грохотов.
Научная новизна:
1.На основе теории цепей Маркова разработана универсальная математическая модель кинетики классификации сыпучих материалов на вибрационных грохотах периодического и непрерывного действия различных модификаций и типов, учитывающая влияние режимных и конструктивных факторов процесса грохочения на его характеристики.
2.На основе динамической модели движения одиночной частицы разработан метод расчета скорости транспортирования сыпучей среды по просеивающей поверхности. Впервые рассмотрен случай определения скорости транспортирования, когда сито грохота совершает циркуляционное движение, представляющее собой сумму двух независимых колебаний с разными амплитудами и частотами.
3.Разработан метод расчета вероятности проникновения проходовых частиц различной крупности через отверстия сита, учитывающий динамические параметры вибровоздействия просеивающей поверхности на сыпучий слой при периодическом и непрерывном грохочении.
4.Совместное использование стохастических моделей кинетики грохочения и детерминированных моделей транспортирования сыпучей среды по поверхности грохота и проникновения частиц через отверстия сита позволило создать принципиально новый метод расчета показателей процесса с учетом технологических параметров виброгрохочения.
5.Теоретически описана и экспериментально подтверждена возможность использования результатов тестовых экспериментов по периодической классификации натурных сыпучих материалов для расчета основных показателей работы промышленных виброгрохотов.
6.Предложена модель расчета эволюции содержания частиц узкого класса крупности подситового продукта по высоте слоя при периодической и непрерывной классификации, учитывающая эффект его «разбухания» под действием вибрации сита, позволившая рассчитывать кинетику грохочения полидисперсных сыпучих смесей, оптимизировать геометрические характеристики грохота, рассчитывать процесс грохочения на односитовых и многоситовых грохотах.
Автор защищает:
1. Обобщенную модель грохочения, учитывающую технологические параметры процесса.
2. Ячеечные одномерные и двухмерные математические модели кинетики периодической и непрерывной классификации полидисперсной сыпучей среды на односитовых и многоситовых грохотах.
3. Модель транспортирования сыпучего материала по просеивающей поверхности.
4. Метод определения вероятности проникновения частиц различной крупности через отверстия сита.
5. Результаты тестовых экспериментов периодического грохочения сыпучих материалов, позволивших определить скорости сегрегации и коэффициенты макродиффузии частиц проходовых фракций при различных параметрах вибровоздействия сита на сыпучий материал, которые использовались для расчета эффективности и гранулометрического состава продуктов непрерывного грохочения в промышленных аппаратах.
6. Методику определения оптимальных технологических параметров промышленных виброгрохотов, обеспечивающих повышение степени извлечения проходовых фракций и снижение засоренности продуктов классификации.
7. Новые конструкции вибрационных грохотов.
Практическая ценность полученных результатов.
1.Предложенная стратегия моделирования процессов и ее программно-алгоритмическое обеспечение может быть использована при расчете режимных параметров как при модернизации работающих промышленных грохотов, так и при их проектировании. Разработанные модели позволяют значительно снизить объемы экспериментальной информации, необходимой для их идентификации, и достоверно прогнозировать характеристики грохочения при различных динамических и технологических режимах работы грохотов. Впервые предложена обобщенная методика расчета и оптимизации технологических, динамических и конструктивных параметров процесса грохочения.
2.На основе разработанных моделей и тестовой диагностики, полученной на лабораторных стендах периодического грохочения натурных сыпучих сред, предложены компьютерные методы расчета процесса на грохотах различных модификаций и типов, в том числе последних поколений различных технологических назначений, позволяющие выявлять режимные и конструктивные направления совершенствования процесса.
3.Предложен новый способ интенсификации процесса грохочения, реализованный в новой конструкции вибрационного грохота, создающего траектории колебаний просеивающей поверхности различных форм и сложности.
4.Разработанные модели, а так же их программно-алгоритмическое обеспечение могут быть использованы для расчета смежных процессов переработки сыпучих сред (смешивание, дезинтеграция, псевдоожижение и др.).
5.Разработанные подходы к построению математических моделей процессов в дисперсных средах и их программно-алгоритмическое обеспечение использовались для совершенствования процессов грохочения в ОАО «Хромцовский карьер» (Ивановская область), ЗАО «Ярославль-Резинотехника», ООО «Полимерпластбетон» (г. Ярославль), ООО «Спецтехника» (г. Кострома) с реальными техническими и экономическими эффектами; нашли применение в практике выполнения промышленных и исследовательских проектов в ООО «Инженерный центр» (г. Ярославль), Ченстоховском политехническом институте (Польша) и исследовательском центре Tel-Tek (Норвегия).
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на следующих отечественных и международных конференциях: 2-е Всесоюзное совещание – семинар «Оптимизация динамических систем», Минск, 1980; 2-я Всесоюзная НК «Современные машины и аппараты химических производств», Чимкент, 1980; Юбилейная НТК ИЭИ, Иваново, 1980; Всесоюзная НТК, посвященная 100-летию изобретения электродуговой сварки Н.Н. Бенардосом, Иваново, 1981; Всесоюзная НК по вибрационной механике, Тбилиси, 1981; Всесоюзная НК «Проблемы тонкого измельчения, классификации и дозирования», Иваново, 1982; 1-я областная НК «Строители – Нечерноземью», Иваново, 1982; НК ИИСИ, Иваново, 1984 – 1989; Всесоюзное совещание «Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии», Сумы, 1986; Всесоюзная НК «3-и Бенардосовские чтения», Иваново, 1987; Юбилейная НК ИГАСА, Иваново, 1996; III-я Международная НК «Теоретические и экспериментальные основы по созданию нового оборудования», Иваново, 1997; Международная НК «Состояние и перспективы развития энерготехнологий (Бенардосовские чтения)», Иваново, 2006; XVII Международная НК «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ2006, Воронеж, 2006; XIV-я Международная НК «Состояние и перспективы развития энерготехнологий (Бенардосовские чтения)», Иваново, 2007; ХХ Международная НК «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ2007, Ярославль, 2007; Международная НК «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» ИГХТУ, Иваново, 2007; ХХI Международная НК «Информатизация технических систем и процессов», Саратов, 2008; Международная НК «Информационная среда вуза», Иваново, 2008-2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 печатные работы, в том числе, 9 работ в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, 1 авторское свидетельство, 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ, 5 патентов на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6-и глав, основных выводов, списка использованных источников (307 наименований) и приложений. Работа содержит 303 страницы, в том числе 264 страницы основного текста и приложения.
Анализ конструктивных схем и основные направления развития классифицирующего оборудования
Для обеспечения выполнения президентских и государственных программ в строительной индустрии в настоящее время сформировались условия, когда необходимо обратить внимание на вопросы повышения качества выпускаемых строительных материалов, среди которых нерудные строительные материалы наиболее востребованы [1]. Сырьем для производства нерудных строительных материалов служат различные горные породы: изверженные (гранит, базальт, диорит, диабаз, сиенит и др.), осадочные (песчаники, известняки, гравийно-песчаные смеси и др.) и метаморфические. Сыпучие материалы из карьеров перерабатывается на дробильно-сортировочных заводах, сборно-разборных автоматизированных линиях (САДЛ), передвижных и транспортируемых установках и узлах (ПДСУ, ТДСУ), товарной продукцией которых являются щебень, гравий и песок. Использование этих материалов на предприятиях стройиндустрии требует их однородного по крупности состава.
В настоящее время приходится констатировать, что затраты электроэнергии на единицу продукции нерудных строительных материалов в России превышают уровень передовых мировых производителей. Поэтому высокие цены на основные виды продукции, обусловленные не только темпами инфляции и особенностями российского рынка, оказывают негативное влияние на развитие всей строительной отрасли. Часто потребителям приходится мириться с поставкой продукции с дробильно-сортировочных предприятий, характеристики крупности которой отклоняются от российских и мировых стандартов. Другим болезненным моментом для развития промышленности нерудных строительных материалов является тот факт, что износ активной части основных фондов предприятий страны, построенных еще в СССР, достиг 80% [2]. Изношенность оборудования, использование неэф- \
фективных технологий на работающих предприятиях приводит к неоправданным затратам, а также к возникновению огромного количества отходов, направляемых в отвалы, что создает помимо экономических и экологические проблемы. При переработке изверженных пород отсевы составляют более 25%, и при постоянно растущей потребности в кубовидном щебне эта цифра растет. Отсевы карбонатных пород в России по отрасли превышают 40%: Таким образом, ежегодные объемы отвалов изверженных и карбонатных пород составляют десятки миллионов кубических метров. В настоящее время с большим трудом используются не более 25% отсевов изверженных пород, карбонатные отсевы не используются вообще. Вынужденное производство отходов увеличивает себестоимость основной продукции на 15 — 30%, а также требует дополнительных расходов на перевозку отсевов и оплату налога за земли, занятые отвалами [3].
Решение этих проблем напрямую зависит от использования рациональных технологий и выбора оптимального состава оборудования на вновь создаваемых и работающих дробильно-сортировочных заводах и передвижных агрегатах. Качество продукции этих предприятий зависит от эффективной работы как дробильного, так и сортировочного оборудования.
В настоящее время в мире на предприятиях по добыче, переработке и подготовке нерудных материалов используются десятки тысяч вибрационных грохотов, работающих на различных стадиях технологических схем перерабатывающих комплексов.
Работа виброгрохота тесно связана с работой дробилки. Неэффективная работа грохота как классификатора, увеличивает содержание мелких фракций в возврате в дробилку, что приводит к перерасходу энергии на измельчение и к увеличению объемов отсевов. Рассмотрение опыта работы» дробильно- сортировочных предприятий показывает наличие резервов повышения эффективности их работы, и, в частности, за счет совершенствования процесса грохочения.
Большой вклад в развитие теории и практики грохочения внесли отечественные и зарубежные исследователи: Д.Н. Лифлянд, И.М. Абрамович, К.К. Лиандов, В.А. Олевский, И.И. Блехман, Л.А. Вайсберг, В.А. Бауман, В.А. Перов, П.С. Ермолаев, И.В. Пономарев, И.Ф. Гончаревич, О.Н. Тихонов., Е.А. Непомнящий, В.В. Гортинский, В.Я. Хайнман, В.Н. Потураев, А.Г. Червоненко, В.П. Надутый, Н.Г. Картавый, Р. Уорнер, Ф.. Прокат, Э. Рамлер, О. Молерус, А. Майнель, X. Шуберт, Ж. Феррера, У. Прети и многие другие [4 - 13, 18, 19, 25 - 30, 35 - 53, 59 - 61, 64 - 66, 84 - 92, 120 - 123, 149 - 163].
Несмотря на многолетнее постоянное внимание к проблемам процесса грохочения их нельзя считать полностью решенными с точки зрения обеспечения современных требований к качеству нерудных строительных материалов. Решение этих проблем связано как с совершенствованием конструкций грохотов, так и с повышением уровня их технической эксплуатации.
Анализ исследований, посвященных проблеме грохочения, показал, что развитию технологии, и особенно теории процесса, уделяется незаслуженно малое внимание. Грохочение является совокупностью трех одновременно протекающих процессов: движение мелких частиц по высоте слоя, подверженного вибровоздействию, к поверхности сита; транспортирование материала по просеивающей поверхности; проникновение мелких частиц через отверстия сита [4, 15, 25, 132, 136]. Сложность рассмотрения одновременно всех трех процессов, среди которых закономерности движения проходовых частиц по виброожиженному слою являются наименее изученными, и определила тот факт, что проблема создания модели процесса, которая позволила бы найти эффективные технологические режимы грохочения, остается актуальной [4, 5, 9, 11, 15, 25].
Грохочение каждого конкретного материала имеет свои особенности. Эффективность процесса определяется динамическими параметрами вибровоздействия сита на сыпучий материал. Однако, как показывает практика эксплуатации грохотов различных типов, ускорения колебаний просеивающих поверхностей грохотов лежат в пределах (4 ... 5) g, где g - ускорение свободного падения. При этом амплитуды колебаний сит лежат в пределах 1 — 4.5 мм (для некоторых типов грохотов до 10 мм), а частоты - 10 - 25 Гц [5, 6 , 9, 21, 22 и др.]. Эти параметры и определяют динамику протекания всего многообразия процессов, происходящих при грохочении. Параметры вибрации просеивающих поверхностей ограниченны пределами прочности грохотов. Допустимые значения ускорений колебаний грохотов 50-60 м/с2 [6], 80 м/с2 [26]. Однако в настоящее время появляются конструкции грохотов, у которых ускорения сита составляют 10, 16, 20 g [9], а в машинах Ultimate Screener (благодаря особенностям конструкции) 500, 1000 g и более [21, 22].
Влияние диффузионного и сегрегационного механизмов на движение проходовых частиц по высоте виброожиженного слоя
За последние годы в России разработан широкий типоразмерный ряд вибрационных грохотов нового поколения с прямолинейными траекториями колебаний, для возбуждения которых используется явление самосинхронизации. В настоящее время изготовляются и поставляются грохоты типа ГСЛ — 052, ГСЛ - 12, ГСТ - 31, ГСТ - 41, ГИСЛ - 61 и др. НПК «Механобр - техника» выпускает грохот ГПКТ — 72У, самый крупный в России и странах СНГ, который может использоваться на предприятиях нерудных строительных материалов при производстве кубовидного щебня [14]. Грохоты оснащены эффективными износостойкими ситами, обеспечивающими высокое качество грохочения, современными и надежными конструкциями короба.
Идея аккумулировать энергию возвратно-поступательного движения короба в упругих связях реализуется в резонансных вибрационных грохотах (ГРЛ) (рис 1.8). Резонансный грохот представляет собой колебательную истему из двух масс — короба и рамы, связанных упругими амортизаторами. Эксцентриковый приводной механизм с помощью упругого шатуна передает качания коробу и через упругие элементы раме. Рабочая частота вынужденных колебаний назначается близкой к частоте собственных колебаний системы. Так как рама установлена на эластичных опорах, а привод находится на раме, то получается система из двух масс, свободно колеблющаяся под действием только внутренних сил. Поэтому центр масс системы остается неподвижным в пространстве, а амплитуда колебаний короба и рамы определяется соотношением их масс. Резонансный режим дает возможность с помощью простого привода малой мощности осуществлять движение больших по площади коробов грохота. В качестве привода резонансных грохотов может использоваться электромагнитный вибратор. Главные недостатки резонансных грохотов - сложность конструкции (много шарниров, пружин, резиновых упругих элементов) и большая металлоемкость. Например, грохоты ГРЛ имеют металлоемкость 1400 - 1700 кг/м , а самобалансные грохоты - 600 — 900 кг/м [5]. Поэтому резонансные грохоты не имеют широкого распространения в России.
Опыт эксплуатации грохотов показывает, что существуют сложные технологические проблемы, которые еще не нашли решения и негативно влияют на показатели процесса грохочения. Одной из таких проблем является грохочение влажного материала. Повышенная влажность приводит к за- липанию отверстий сита, а в итоге — к снижению эффективности рассева. Вторая проблема — классификация трудногрохотимых материалов, когда процентное содержание зерен граничной крупности значительное. Попадая в ячейку сита, они испытывают сильное трение со стороны стенок отверстия и заклинивают его.
Для решения этих проблем используются следующие способы: сообщение просеивающей поверхности больших ускорений, механическое воздействие на них, применение динамически активных просеивающих поверхностей, которые могут совершать дополнительные колебания относительно короба грохота. В Институте геотехнической механики Национальной академии наук Украины создана конструкция грохота ГНВС (грохот с непосредственным возбуждением сита) [19]. Металлическое классифицирующее сито без натяжения уложено на поддерживающее динамически активное нижнее сито. Ячейки последнего в 5 — 10 раз крупнее ячеек верхнего сита. При работе вибровозбудителя грохота ленточно- струнные элементы нижнего поддерживающего сита, резонируя, ударяют по верхнему, сообщая при этом дополнительное ускорение частицам сыпучего материала на верхнем сите и интенсифицируя процесс грохочения [9].
Непосредственное виброударное возбуждение просеивающей поверхности применено в многочастотных вибрационных грохотах Ultimate Screener, в которых реализована технология фирмы Kroosh Technologies Ltd. (Израиль). При работе этих грохотов каждая частица на сетке получает свою собственную резонансную частоту возбуждения, так как на сетку передают колебания резонирующие била (у прямоугольных сит) или кольца (у круглых сит) многочастотной механической системы «Kroosher» - устройства, которые являются ноу-хау производителя [21, 22]. В отличие от традиционных грохотов, у которых амплитуда колебаний просеивающей поверхности и у короба грохота одинаковая, в грохоте Ultimate Screener амплитуда корпуса минимальная (0,8 - 1 мм), тогда как амплитуда самой сетки максимальная (10 мм). При этом ускорения, передаваемые на сетку, составляют до 1000 g (и более). В качестве просеивающих поверхностей используются металлические, нейлоновые, полиэстеровые, полиуретановые и другие сетки с размером ячейки от 2 мкм до 30 мм и более грубые сетки. Рекламируемые фирмой возможности многочастотных вибрационных грохотов, которые позволяют в несколько раз увеличить производительность, приходящуюся на квадратный метр площади просеивания, при одновременном повышении эффективности грохочения до максимально возможного значения (до 99%), по мнению специалистов, слишком оптимистичны [9]. Известны типы грохотов, в которых применяются специальные конструкции сит с полиуретановыми шарами для создания дополнительных колебаний просеивающей поверхности и ее очистки [24]. Шары прикреплены на полиуретановых упругих нитях снизу просеивающей поверхности и при работе грохота, колеблясь, наносят по ней удары. Такая конструкция получила название Clip Clean. Ускорения просеивающей могут достигать 30 g в зависимости от амплитуды и частоты колебаний короба грохота. Просеивающая поверхность не забивается проходовыми частицами и не изнашивается в точках контакта сита и чистящего шара.
В мире известны конструкции аппаратов, разработанные в 60-е годы прошлого века немецким изобретателем А. Венером [9], у которых просеивающие поверхности совершают волнообразное движение. Такие поверхности получили название Liwell. Принцип действия основан на непосредственном воздействии на просеивающую поверхность, которой подвижными рычагами придается волнообразное движение. Создается , так называемый «эффект полоскания». Просеивающие поверхности с таким» принципом работы совершают колебания с ускорением до 50 g. Материал сита - полиуретан или резина.
Движение частиц при круговых колебаниях наклонной поверхности виброгрохота
Л.А. Вайсберг, обобщая многолетний опыт проектирования и эксплуатации вибрационных грохотов в различных отраслях промышленности, показывает [4], что для- обеспечения достаточной скорости перемещения материала по просеивающей поверхности и достижения приемлемой эффктивно- сти грохочения необходим диапазон амплитуд от 3 до 10 мм и частот колебаний от 10 до 25 Гц (600 - 1500 кол/мин). Сочетание этих параметров должно
выбираться таким образом, чтобы а = Асо2 3g. Наилучшие показатели грохочения достигаются при а = 4g -i- 5g, что, однако, трудно достижимо для достаточно крупных грохотов по условиям долговечности отечественных подшипников. Сочетание минимальной амплитуды колебаний и максимальной частоты колебаний соответствует оптимальным условиям грохочения для сравнительно небольшой крупности разделения (до 3 мм), и наоборот, максимальную амплитуду и минимальную частоту колебаний целесообразно принимать при разделении по крупности более 50 мм [4].
Влияние этих параметров на основные характеристики процессов грохочения отмечались многими исследователями, однако конкретных данных, уточняющих это влияние и позволяющих обоснованно выбрать эти параметры для различных случаев грохочения, нет [4].
Задача оптимизации процесса грохочения, то есть определения динамически х параметров вибровоздействия сита на сыпучий слой, при которых достигается максимальная степень извлечения проходовых фракций, привлекала многих исследователей [26, 46, 47,80 - 87 и др.].
В.А. Бауман приводит следующие формулы для определения оптимальных параметров колебаний [26]: — для грохотов с прямолинейными колебаниями где к — целое число (обычно принимается равным I); Т— шаг отверстий сита (мм); (р vi у/ - коэффициенты, зависящие от а, значения которых определяются по номограмме Шмидта [26]. Для грохота с круговыми колебаниями а означает угол наклона сита, а для грохота с прямолинейными колебаниями - угол, образованный вертикалью и направлением колебаний. По номограмме Гарботца определяют значения амплитуд и частот колебаний, производительность и угол наклона просеивающей поверхности виброгрохота в зависимости от размеров отверстий сита [26]. Для определения оптимального угла наклона по предлагаемым номограммам необходимо найти эффективность грохочения (метод удельной производительности) по эмпирической формуле (1.1).
В.А. Олевский унифицировал технологический расчет грохотов по методу удельной производительности, используя многочисленные данные различных отраслей отечественной и зарубежной промышленности [25, 84 — 87]. Для определения оптимальных параметров режима работы грохота предлагается применять графоаналитический метод. Строится номограмма, связывающая скорость подачи материала на сито и удельную пропускную способность грохота при различных зависимостях точности отсева от основных параметров грохочения, полученных экспериментально. По номограмме можно найти оптимальную скорость подачи материала на грохот и оптимальный угол наклона сита, обеспечивающие максимальную пропускную способность грохота при заданной точности отсева. Оптимальный режим работы грохота может иметь два варианта: с малой скоростью подачи и большой толщиной слоя (при малых углах наклона грохота) или с большой скоростью, но малой толщиной (при больших углах наклона грохота).
В промышленных условиях изменением угла наклона наиболее просто можно изменить условия грохочения. Тем не менее, однозначной зависимости эффективности грохочения от угла наклона просеивающей поверхности к горизонту не существует. Большинство зарубежных фирм рекомендуют выбирать угол наклона грохота в пределах 15 — 20. Некоторые фирмы выпускают грохоты с постоянным углом наклона. Например, фирма ЖЕБАО (Германия) выпускает серию инерционных виброгрохотов с постоянным углом , наклона, равным 18 [26]. Отечественные производители грохотов типа ГИЛ, ГИС и ГИТ, приводя технические характеристики производимых аппаратов, указывают в рекламных материалах угол наклона сита в весьма широких пределах от 10 до 25. В работе [9] приводится пример эффективной эксплуатации грохота ГИЛ — 52 с резонирующими ленточно-струнными ситами, где угол наклона просеивающей поверхности к горизонту составлял 11, хотя в технической характеристике данного грохота указываются пределы от 15 до 25.
Влияние параметров вибрации сита и угла его наклона на эффективность процесса грохочения абсолютно не изучено при обратном направлении вращения вала вибратора (реверсивный ход). В работе [5] дается лишь общая рекомендация уменьшить производительность и скорость подачи материала на грохот на 10 %.
Из анализа работ, посвященных технологическим проблемам грохочения, можно сделать следующий вывод. Рекомендации по определению оптимальных параметров грохочения носят расплывчатый, а иногда и противоречивый характер. Поэтому в условиях производства эффективная работа виброгрохотов чаще всего зависит от опыта технологов, занимающихся их эксплуатацией. Скорость транспортирования сыпучего материала является одним из определяющих факторов процесса грохочения. Явлению вибрационного перемещения отдельных тел или сыпучей среды по вибрирующей поверхностии посвящено множество исследований [11, 34, 88, 89, 91 - 93 и др.]. Задачи теории виброперемещения сводятся к изучению движений существенно нелинейных механических систем, нелинейность которых обусловлена наличием сил типа сухого трения и неудерживающих связей. Решению этих задач посвящены фундаментальные труды отечественных и зарубежных исследователей И.И. Блехмана, Г.Ю. Джанелидзе, Р.Ф. Нагаева, Л.Б. Левенсона, В.А. Баумана, В.А. Олевского, И.Ю. Гончаревича, Г.Д. Терскова, Н.Р. Малкина, Г. Линдера, Р. Юнга, В. Клокгауза и многих других.
Несмотря на большое практическое значение, весьма сложная динамическая задача движения сыпучего слоя по вибрирующей поверхности не решена [88]. Поэтому для большинства исследователей, занимающихся виброперемещением, моделью сыпучей среды является изолированная частица. Данное допущение может быть использовано при соблюдении следующих условий: толщина слоя не должна превышать 20-30 кратного среднего размера частиц; параметры колебаний лежат в пределах где атах - наибольшее ускорение колебаний рабочего органа. Погрешность между теоретическими и экспериментальными результатами не превышает 20 -30% [34, 88].
При исследовании нелинейных задач вибротранспортирования используются различные математические методы. Их можно разделить на точные и приближенные. К точным относятся: метод поэтапного интегрирования, обратный метод и метод точечных преобразований. Приближенные методы - гармонического баланса, точечной аппроксимации и численное интегрирование дифференциальных уравнений движения.
Из большого многообразия задач, решаемых теорией вибрационного перемещения [34, 88, 91 —93 и др.], нас интересует задача (соответствующая процессу грохочения) о движении материальной точки по поверхности, совершающей колебания параллельно плоскости наибольшего ската (под плоскостью наибольшего ската понимается плоскость, перпендикулярная к наклонной вибрирующей плоской поверхности).
Идентификация параметров модели для формирования количественного метода расчета реальных процессов грохочения
Полученные в настоящей главе результаты могут быть кратко суммированы в следующих выводах. 1. Разработанная ячеечная модель процесса периодического грохочения сыпучих материалов, основанная на теории цепей Маркова, позволяет эффективно моделировать кинетику грохочения, используя ясный и простой алгоритм построения модели в сравнении с дисперсионной. 2. Ячеечная модель процесса позволяет учитывать условия проникновения частиц различной крупности через отверстия сита, диффузионный и сегрегационный механизмы движения проходовых частиц в виброожиженном слое, полидисперсность исходного сыпучего материала, различные варианты загрузки материала на сито. Предложенная модель наиболее достоверно описывает эволюцию распределения частиц узкого класса крупности подситового продукта по высоте слоя при периодической классификации и позволяет избежать допущений, искажающих физическую картину процесса. 3. На основании разработанной модели впервые рассмотрен вариант представления грохота как многопродуктового классификатора. 4. По разработанной модели выполнены численные эксперименты по выявлению влияния параметров процесса на кинетику грохочения и эволюцию состояния проходовых частиц в сыпучем слое. Показано, что скорость сегрегации и вероятность проникновения проходовых частиц через отверстия сита оказывают существенное влияние на кинетику процесса грохочения и эволюцию состояний концентрации мелких частиц в сыпучем слое. Коэффициент макродиффузии так же влияет на распределение частиц по слою, но в меньшей степени - на кинетику классификации. 5. Выявлена возможность существенного увеличения производительности грохота при незначительной засоренности нижнего продукта грохочения верхним. 6. Предложенные модели кинетики процесса позволяют определить стохастические параметры грохочения, идентифицируя расчетные и экспериментальные данные извлечения проходовых частиц во времени при периодическом грохочении, которые являются основой для создания обобщенного метода расчета грохотов непрерывного действия. Создание модели процесса транспортирования сыпучего материала по просеивающей поверхности вибрационного грохота основано на фундаментальных трудах отечественных и зарубежных исследователей И.И. Блехмана, Г.Ю. Джанелидзе, Р.Ф. Нагаева, Л.Б. Левенсона, В.А. Баумана, В.А. Олевско- го, И.Ю. Гончаревича, Г.Д. Терскова, Н.Р. Малкина, Г. Линдера, Р. Юнга, В. Клокгауза и многих других, внесших большой вклад в развитие теории вибрационного транспортирования. Подавляющее большинство авторов сходятся во мнении, что движение сыпучей среды по вибрирующей плоскости можно моделировать как движение одиночной частицы [11, 34, 88, 89, 91 — 93 и др.]. Исследуя закономерности движения материальной точки, авторы рассматривают прямолинейные, круговые и эллиптические траектории колебаний вибрирующей поверхности в плоскости, параллельной плоскости наибольшего ската. Эти траектории являются типовыми для практики грохочения и входят в область наших исследований.
В работах [34, 88] исследуется случай, когда частица попеременно контактирует с двумя вибрирующими поверхностями, что соответствует грохочению на активных просеивающих поверхностях, представляющих собой взаимно перемещающиеся колосники. Рассматриваются варианты, когда вибрирующая поверхность совершает колебания перпендикулярно плоскости наибольшего ската или плоскость колебаний параллельна вибрирующей поверхности [34, 88, 91]. Эти варианты нами не рассматриваются.
Здесь предлагается модель движения частиц над поверхностью грохота, когда сито совершает циркуляционное движение в плоскости наибольшего ската, представляющее собой сумму двух компланарных колебаний с разными амплитудами и разними частотами. Данный вариант ранее никем не рассматривался. Типовые варианты колебаний грохота являются частными случаями этой модели.
Процесс проникновения проходовых частиц через отверстия сита является определяющим для протекания процесса грохочения в целом. На процесс грохочения оказывает большое влияние вероятность просеивания зерен через отверстия сита. Эта вероятность зависит от процесса транспортирования материала по просеивающей поверхности, то есть от динамических параметров колебаний грохота, а так же от конструкции просеивающей поверхности, формы отверстий сита и размеров проходовых частиц.
Одной из характеристик сита является его живое сечение, то есть сумма площадей отверстий, или коэффициент живого сечения — отношение площади отверстий в свету к общей площади полотна просеивающей поверхности [5, 9, 15, 25]. Величину живого сечения определяют толщина перемычек и форма отверстий, которые могут быть квадратными, круглыми, прямоуголь- « ными, щелевидными, эллиптическими и т.д. Наиболее важные технологические характеристики виброгрохота напрямую связаны с динамическими параметрами его работы: амплитудой и круговой частотой колебаний сита, углом наклона и траекторией его движения. Известные математические модели для описания кинетики грохочения [35 — 42, 43, 44, 46, 48-53 и др.] в принципе не могут учесть влияние этих параметров и используют их в качестве подгоночных, что обедняет прогностические возможности этих моделей. Одним из таких параметров является средняя скорость движения частиц по поверхности сита, определяющая время пребывания частиц на грохоте и, в конечном счете, его производительность и эффективность. Целью настоящей главы является построение динамической модели движения частиц по вибрирующей поверхности, позволяющей получать эту скорость расчетным-путем.
