На правах рукописи

САБЛИН Роман Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ВИБРАЦИОННОЙ ЩЕКОВОЙ ДРОБИЛКИ С

НАКЛОННОЙ КАМЕРОЙ ДРОБЛЕНИЯ

Специальность 05.05.06 – Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель – Доктор технических наук, профессор Габов В. В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тарасов Ю.Д.

кандидат физико-математических наук Краснов А.А.

Ведущее предприятие – ОАО «НПК «Механобртехника»

Защита диссертации состоится « » 2009 г.

в ч мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан « » 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета д.т.н., профессор И.П. ТИМОФЕЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы По мере развития промышленности все большую актуальность приобретает проблема повышения эффективности дезинтеграции полезных ископаемых, которая в значительной мере связана с необходимостью совершенствования процессов разрушения материалов различного происхождения. Это вызывает, в свою очередь, необходимость совершенствования дробильных машин и изыскания принципиально новых конструктивных решений, повышающих их производительность и значительно интенсифицирующих процесс дезинтеграции материалов с получением продукта заданного качества.

Вибрационные щековые дробилки являются наиболее эффективными машинами на стадии крупного дробления твердых и сверхтвердых материалов. Многие организации ведут исследования по модернизации конструкции и совершенствованию методик расчета этих машин.

За последнее время значительно вырос интерес исследователей к вибрационным щековым дробилкам с наклонной камерой дробления.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают увеличение производительности вибрационных щековых дробилок (ВЩД) с наклонной камерой дробления по сравнению с дробилками с вертикальной камерой дробления. Однако не ясна причина данного явления, не известны область устойчивого режима работы таких дробилок и изменение технологических показателей с увеличением частоты движения щек.

Поиск теоретически и экспериментально обоснованных рациональных параметров, определяющих эффективный режим работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления, является актуальной научно-технической задачей, решение которой имеет большое практическое значение.

Целью работы является определение рациональных устойчивых режимов работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления в зависимости от частоты вращения дебалансов с учетом свойств динамической системы и влияния на процесс вибротранспортирования для обеспечения повышения эффективности работы.

Основные задачи исследования:

1. Анализ существующих конструкций и направлений развития вибрационных щековых дробилок.

2. Проведение теоретических исследований динамической системы вибрационной щековой дробилки и вибротранспортирования материала в наклонной камере дробления.

3. Разработка методики и проведение экспериментальных исследований для оценки производительности и степени дробления от частоты вращения дебалансов.

4. Обоснование и выбор рациональных параметров режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления.

Метод исследования В работе используется комплексный метод исследований, включающий в себя теоретические исследования динамической системы и процесса вибротранспортирования, а также экспериментальные исследования, проводимые на промышленном полноразмерном образце дробилки с учетом многофакторности и случайности процесса.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Зона устойчивого режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления, которая на холостом ходу находится в межрезонансном диапазоне частот движения щек, а при работе под нагрузкой сужается и ограничивается со стороны высоких частот под воздействием негативного влияния кососимметричного резонанса, а со стороны низких частот – под влиянием неэффективного процесса транспортирования материала в камере дробления.

2. Производительность и степень дробления в устойчивом режиме работы вибрационной щековой дробилки с углом наклона камеры дробления 450 при дроблении материала типа гранит с увеличением частоты движения щек выражаются полиномами второй степени, при этом производительность растет, а степень дробления уменьшается.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Обоснованы и экспериментально подтверждены границы устойчивого режима работы вибрационной щековой дробилки с углом наклона камеры дробления 450.

2. Установлена механическая характеристика режима работы вибрационной щековой дробилки, представляющая собой зависимость производительности и степени дробления от регулируемого параметра – частоты вращения дебалансов.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается применением апробированных современных методов теории нелинейных колебаний, теорий синхронизации и вибротранспортирования, а также достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на промышленной полноразмерной вибрационной щековой дробилке с углом наклона камеры 450, при дроблении характерного для них продукта – гранита (расхождение результатов не превышает 12%, при доверительной вероятности 95%).

Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по выбору частотного режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления при достижении заданной производительности и крупности готового продукта и предложенной методике расчета производительности с учетом процесса вибротранспортирования.

Реализация результатов работы Результаты работы приняты к использованию в ОАО «НПК «Механобр-техника» при проектировании новых конструкций вибрационных щековых дробилок с наклонной камерой дробления для выбора частотных режимов с целью получения заданных технологических показателей.

Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на ежегодной научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПГГИ (ТУ), 2006, 2007), г. Санкт-Петербург; международной конференции «Конгресс обогатителей стран СНГ» (МИСиС, 2007), г. Москва.

Личный вклад автора 1. Теоретически и экспериментально определена область устойчивого режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления.

2. Разработана методика определения расчетной производительности вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления.

3. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования промышленной установки ВЩД 80х300 с изменением частоты вращения дебалансов при работе под завалом.

4. Определены математические модели зависимости производительности и степени дробления от частоты вращения дебалансов в устойчивом режиме работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления.

По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ, из них один патент на полезную модель.

Объем и структура работы Диссертационная работа содержит 100 страниц текста, 37 рисунков, 8 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность генеральному директору – научному руководителю ОАО «НПК «Механобртехника», д.т.н., проф. Л.А. Вайсбергу, главному конструктору к.т.н. В.Я. Туркину, д.т.н., проф. И.И. Блехману за постоянную творческую помощь, научное консультирование и административную поддержку работы, а также всем специалистам ОАО «НПК «Механобр-техника».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ устройства и технологии работы щековых дробилок, дана оценка их применения в промышленности. Рассмотрены перспективные направления исследования вибрационных щековых дробилок.

Во второй главе проведен анализ динамической схемы вибрационной щековой дробилки с нежестким креплением вибровозбудителей и процесса вибротранспортирования материала в камере дробления. Предложен комплексный метод расчета устойчивого режима работы вибрационной щековой дробилки, новый метод расчета и математическая модель зависимости теоретической производительности вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления от частоты вращения дебалансов.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований проведенных на промышленной полноразмерной вибрационной щековой дробилке с углом наклона камеры дробления 450 ВЩД 80х300.

В четвертой главе представлены области эффективного применения и направления дальнейших научных исследований вибрационных щековых дробилок.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Зона устойчивого режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления, которая на холостом ходу находится в межрезонансном диапазоне частот движения щек, а при работе под нагрузкой сужается и ограничивается со стороны высоких частот под воздействием негативного влияния кососимметричного резонанса, а со стороны низких частот – под влиянием неэффективного процесса транспортирования материала в камере дробления.

Необходимым условием эффективной работы вибрационной щековой дробилки является обеспечение синхроннопротивофазного движения щек. В соответствии с теорией, разработанной проф. Р.Ф. Нагаевым, в качестве критерия обеспечения устойчивости синхронно-синфазного режима принимают безразмерный коэффициент:

где m - масса рамы, кг; µ - масса щеки, кг; M = m + 2µ - общая масса несущей рамы, кг; a - расстояние между торсионами, м;

b - расстояние между осью вращения дебаланса и осью его подвески, м; c - расстояние от оси торсионов до центра масс рамы, м; d - расстояние между подвесками щеки и дебаланса, м; l – расстояние до центра масс щеки, м; - расстояние между общим центром масс и осью торсионов, м; – угол на центр масс щеки, град.; – угол на ось вращения дебалансов, град.;

z,z1 - жесткости торсионов, Нм/рад; - частота вращения дебалансов, с-1; i – центральный момент инерции щеки, кгм2. В выражении (1) приняты следующие обозначения:

где I - центральный момент инерции рамы, кг·м2.

Для устойчивого режима необходимо и достаточно, чтобы величина была положительна. Выражение (1) связывает общей зависимостью конструктивные, кинематические и динамические параметры виброщековой дробилки.

Второй показатель оценки устойчивости – стабильность, учитывает влияние электродвигателя на устойчивость работы дробилки:

где Wmax - вибрационный момент; L0 - номинальный момент электродвигателя.

Одним из важных показателей эффективного режима работы дробилки является стабильность амплитуды движения щек, характеризующаяся величиной Р, равной отношению частот собственных колебаний щеки к вынужденным:

При таком комплексном подходе расчета устойчивого режима вибрационной щековой дробилки, кривые,, Р ограничивают диапазон допустимых частот вращения дебалансов (рис. 1).

Как видно из данного графика, устойчивый режим работы вибрационной щековой дробилки находится в широком диапазоне частот движения щек (9-29 Гц) между симметричным и кососимметричным резонансами.

Необходимо отметить, что данный метод не учитывает влияния на динамическую систему и процесс в целом прочности дробимого материала и его селективного разрушения, а также вибротранспортирования и разделения по крупности материала в камере дробления.

Рис. 1 Кривые устойчивости и стабильности динамической Для того чтобы учесть всё выше перечисленное, а также многофакторность и случайность процесса дробления в вибрационной щековой дробилке с наклонной камерой дробления были проведены экспериментальные исследования на промышленном полноразмерном образце ВЩД 80х300. Устойчивость работы определялась по значениям показателей эффективности процесса дробления (производительность и степень дробления).

В результате проведенных исследований были получены кривые производительности, степени дробления, эффективности и удельного расхода электроэнергии в зависимости от частоты движения щек (рис. 2).

Рис. 2 Кривые технологических параметров ВЩД 80х 1 – степень дробления; 2 – расход электроэнергии на тонно-сокращение, кВтч/uт;

I – переходной режим; II – диапазон эффективной работы.

Как показывают экспериментальные исследования, при частотах выше 30 Гц процесс дробления срывается из-за влияния кососимметричного резонанса. При частотах ниже 23 Гц на процесс дробления влияет снижение эффективности процесса вибротранспортирования материала. Происходит переизмельчение, снижение разделения по крупности. В результате чего при частоте ниже 20 Гц работа дробилки нецелесообразна.

Это позволяет сделать вывод, что устойчивый режим работы дробилки, обеспечивающий эффективный процесс дробления при работе под нагрузкой, сужается до частотного диапазона 23-30 Гц и ограничивается негативным влиянием кососимметричного резонанса с высокой стороны частот и неэффективным процессом транспортирования материала со стороны низких частот.

2. Производительность и степень дробления в устойчивом режиме работы вибрационной щековой дробилки с углом наклона камеры дробления 450 и при дроблении материала типа гранит с увеличением частоты движения щек выражаются полиномами второй степени, при этом производительность растет, а степень дробления уменьшается.

В диапазоне установившегося режима работы вибрационной щековой дробилки эффективность оценивается интегральными показателями – производительностью и степенью дробления.

В настоящее время производительность ударновибрационной щековой дробилки принято определять исходя из объема призмы выпадения раздробленного материала за единичный цикл и числа циклов в единицу времени. Суммарный путь, проходимый материалом за время раскрытия щели, или высоту призмы выпадения можно выразить зависимостью:

где t – время раскрытия щеки, с; F – сила, развиваемая вибратором, Н; МДР – масса дробящего механизма, кг; – частота вращения дебалансов, с-1.

Формула (2) справедлива для идеального условия выпадения материала – только за счет сил гравитации, без взаимодействия с бронями при раскрытии щек и без учета наклона камеры дробления.

В вибрационной щековой дробилке с наклонной камерой дробления транспортирование материала совершается по нижней щеке, совершающей простые гармонические колебания во взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковой частотой и сдвигом по фазе. В виду малых амплитуд и высоких частотных режимов процесс вывода материала можно считать вибротранспортированием.

Для оценки процесса вибротранспортирования принят метод разбиения процесса по временной оси на интервалы и подъинтервалы, предложенный И.И. Блехманом. Неравенства, определяющие разбиение временной оси на интервалы и подъинтервалы, приведены в табл. 1.

В интервале II материал находится в полете, т.е. отсутствует реакция опоры материала на щеку; в интервале I материал скользит по поверхности (реакция опоры больше нуля): в сторону разгрузки (подъинтервал I1+), в сторону противоположную разгрузки (подъинтервал I1-), в интервале I10 материал находится в относительном покое.

подъинтервал I1+ подъинтервал I подъинтервал I1В таблице 1 приняты следующие обозначения:

На основе данных неравенств была построена математическая модель режимов движения материала в камере дробления для вибрационной щековой дробилки ВЩД 80х300 на частоте 25 Гц (рис.3).

По графику видно, что материал в начале цикла находится в полете, затем скользит в сторону разгрузки, после этого находится в состоянии относительного покоя, затем опять скользит, но в сторону обратную разгрузке и завершается цикл полетом.

Необходимо отметить, что транспортирование материала происходит только во время раскрытия щек. После чего происходит дробление материала. Поэтому расчет производительности вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления сводиться к вычислению суммарного расстояния, пройденного материалом за один цикл.

В результате зависимость производительности от частоты вращения дебалансов имеет вид:

В данной методике не учтены многофакторность, случайность процессов происходящих в вибрационных щековых дробилках при работе, что сделать теоретически крайне сложно.

Для проверки методики и математической модели зависимости производительности от частоты вращения дебалансов необходимо провести экспериментальные исследования на промышленном полноразмерном образце вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления ВШД 80х300.

Рис. 3 Режимы движения материала в камере дробления Цель проведения экспериментальных исследований заключается в проверке адекватности комплексного метода расчета устойчивости синхронно-противофазного движения щек и в проверке математической модели зависимости производительности от частоты вращения дебалансов для вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления.

Экспериментальные исследования проводились в цеху полупромышленных и стендовых испытаний ОАО «НПК «Механобр-техника» на вибрационной щековой дробилке с углом наклона камеры дробления 450 ВЩД 80х300, которая является первым типоразмером машин данного типа.

Экспериментальная установка стояла из: преобразователя частоты, вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления и двух наборов сит.

Изменяемым параметром при проведении экспериментов была частота вращения дебалансов, которая варьировалась от 20 Гц до 30 Гц с шагом 2,5 Гц.

На каждом шаге частоты материал засыпался в загрузочную воронку дробилки под завалом, измерялось время прохождения материала через камеру дробления, после чего вычислялась производительность. После дробления готовый продукт рассеивался на наборе сит, и вычислялась степень дробления при условии, что все навески имели одинаковую среднюю крупность 49,5мм. Для каждого уровня фактора опыты повторялись по четыре раза.

По результатам обработки экспериментальных исследований методом математической статистики были построены математические модели зависимости производительности и степени дробления материала в вибрационной щековой дробилке с наклонной камерой дробления от частоты вращения дебалансов:

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также на основе полученных математических моделей, были построены графики зависимости теоретической и экспериментальной производительности и степени дробления от частоты вращения дебалансов (рис. 4 и 5).

Сходимость графиков теоретической и экспериментальной производительность достаточно высокая. Поэтому для расчетов, не требующих высокой точности, целесообразна линеаризация кривых производительности и степени дробления.

При этом ошибка не превысит 12%.

Q, т/час Рис. 4 Изменение теоретической и экспериментальной производительности Степень дробления В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• При проектировании вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления необходимо учитывать влияние процессов избирательного разрушения, транспортирования и сегрегации;

• Процесс транспортирования материала в камере дробления следует рассматривать как вибротранспортирование с различным видом перемещения (полет, скольжение, относительный покой);

• При расчете производительности необходимо учитывать расстояние, пройденное материалом под действием вибротранспортирования.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Представленная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований содержится решение важной задачи обоснования области рационального режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления в зависимости от частоты движения щек и комплексной оценки устойчивости работы дробилки, а также установление влияния на производительность и степень дробления частоты вращения дебалансов и эффектов вибротранспортирования, что обеспечивает увеличение производительности при заданной степени дробления и снижение энергоемкости процесса дезинтеграции дробимого материала.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Устойчивый режим работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления под нагрузкой соответствует диапазону частот движения щек 23 – 30 Гц.

2. Экспериментально подтверждено, что область рационального режима работы ограничена по условиям снижения эффективности процесса вибротранспортирования и влияния кососимметричного резонанса.

3. При частоте движения щек ниже 20 Гц работа вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления нецелесообразна из-за низкой эффективности и высокого расхода потребляемой электроэнергии.

4. Разработана методика расчета производительности вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления с учетом угла наклона камеры дробления, амплитуды и частоты движения щек и коэффициента трения.

5. Экспериментально подтверждено, что в установившемся режиме работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления с увеличением частоты движения щек (23-30 Гц) производительность увеличивается, а степень дробления уменьшается.

6. Разработана математическая модель зависимости производительности и степени дробления вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления от частоты движения щек.

7. Получена математическая характеристика режима работы вибрационной щековой дробилки с регулируемым параметром, в качестве которого принята частота движения щек.

8. Даны рекомендации на проектирование вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления, которые применяются специалистами ОАО «НПК «Механобртехника» при расчетах и проектировании вибрационных щековых дробилок существующих и новых конструкций.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Туркин, В.Я. Основные направления совершенствования вибрационных щековых дробилок [Текст] / В.Я. Туркин, М.

Ю. Тягушев, Р.А. Саблин // Записки горного института.- 2007.т.170.- С. 77-79.

2. Бабаев, Р.М. Перспективные направления совершенствования конструкций виброинерционных дробилок [Текст] / Р.М.. Бабаев, М. Ю. Тягушев, С.В. Казаков, Р.А. Саблин // Горное оборудование и электромеханика.- 2008.- № 5.- С. 11-14.

2. Саблин, Р.А. Энергосберегающие щековые дробилки [Текст] / Р.А. Саблин, // Народное хозяйство республики КОМИ.т. 16.- С. 138-140.

2. Саблин, Р.А. Экспериментальные исследования режима работы вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления [Текст] / Р.А. Саблин, // Горное оборудование и электромеханика.- 2008.- № 6.- С. 53-55.

Решение о выдаче патента на полезную модель, МПК В02С 1/02. Вибрационная щековая дробилка [Текст] / Саблин Р.А, Туркин В.Я., Габов В.В.; заявитель и патентообладатель СПГГИ (ТУ). - №2006135403/03, заявл. 06.10.2006.