автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование условий выделения лещадных зерен щебня с целью создания установки для осуществления процесса

РГО ОД

.. = ■ . V ' О

На правах рукописи

ПРЯЛУХИН Алексей Федорович

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВЫДЕЛЕНИЯ ЛЕЩАДНЫХ ЗЕРЕН ЩЕБНЯ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена , в I Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Ю.Д.Тарасов

I

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Л.А.Вайсберг

кандидат технических наук, доцент

С.А.Сизиков

Ведущее предприятие - ОАО «ГИПРОНЕРУД»

Защита диссертации состоится 28 декабря 2000 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 1203 .

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

Автореферат разослан 28 ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

И.П.ТИМОФЕЕВ

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

С развитием строительной отрасли растут требования к качеству нерудных строительных материалов, в частности, крупных заполнителей бетона. Это связано с непрерывным повышением средневзвешенной марки бетона в изделиях и конструкциях, а так же возрастающими требованиями к однородности и долговечности бетона. Важным условием повышения качества железобетонных изделий и верхних слоев дорожных покрытий является производство щебня с кубообразной формой зёрен. Форма зёрен крупного заполнителя непосредственно влияет на удобоукладываемость бетонной смеси, её однородность. Применение щебня с кубообразной формой зёрен в верхних слоях дорожных одежд позволяет создать более устойчивую структуру материала, обеспечивает необходимую шероховатость и сдвигоустойчивость покрытия, повышает его долговечность. Кроме того, щебень с зёрнами лещадной и игловатой формы имеет значительно большую пустотность и удельную поверхность, что увеличивает расход цемента.

Вопросами влияния формы зёрен щебня на качественные показатели бетона и разработки оборудования для производства кубообразного щебня занимались такие учёные, как M.JI. Нисневич, Б.И. Курденков, В.И. Галактионов, Б.В. Михайлов, JI.O. Сивуда, A.A. Дудко, В.А. Дубов, B.C. Харьков, В.А. Ярилин, П.А. Боровский, Б.В. Клушанцев, Ю.А. Муйземнек и другие.

К сожалению, разработанное ранее оборудование не позволяет получать кубообразный щебень из абразивных прочных и высокопрочных пород без обогащения по форме.

В последние годы значительный вклад в развитие технических средств для производства щебня улучшенной формы и методов их расчета сделан группой ученых под

руководством д.т.н. Л.А. Вайсберга (АО «МЕХАНОБР-ТЕХНИКА »).

Что касается разработанных до настоящего времени технологий выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, то они малоэффективны.

Значительно повысить эффективность выделения лещадных и игловатых зёрен щебня позволит разработанный в СПГГИ(ТУ) способ. Предлагаемый способ позволит также осуществлять экспресс анализ производимого щебня на дробильно-сортировочных заводах, заменив трудоёмкую ручную разборку подвергаемой анализу пробы.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю проф. Ю.Д. Тарасову, учебному мастеру О.Д. Серебренникову, преподавателям и сотрудникам кафедры ГТМ, директору по стройиндустрии АО «МЕХАНОБР-ТЕХНИКА» к.т.н. А.Д. Шулоякову за внимание и помощь, оказанную при работе над диссертацией.

Цель работы

Целью исследований является установление закономерностей выделения лещадных и игловатых зёрен для выбора параметров оборудования, что позволит повысить потребительские свойства щебня и производить экспресс анализ фракционированного щебня на дробильно-сортировочных заводах.

Задачи исследования:

• разработать математическую модель процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня;

• создать компьютерную программу для моделирования процесса;

• установить закономерности движения отдельных зёрен в зоне выделения;

• получить экспериментальные данные на стенде и подтвердить адекватность разработанной математической модели реальному процессу;

• разработать методику выбора параметров оборудования для выделения лещадных и игловатых зёрен из фракционированного щебня.

Методика исследования включает теоретическую и экспериментальную части. В теоретическую часть входит разработка математической модели процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, компьютерное моделирование процесса на ПЭВМ типа Pentium с использованием созданной на языке Pascal программы, разработка методики выбора параметров оборудования. В экспериментальную часть входят исследования на натурном стенде, изготовленном в лаборатории кафедры ГТМ СПГГИ(ТУ), обработка результатов, полученных на стенде, сравнение их с теоретическими на основе теории обработки экспериментальных данных.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

« обоснована необходимость использования предлагаемого способа выделения лещадных и игловатых зёрен щебня;

• получены и проанализированы расчётные и экспериментальные данные движения отдельных зёрен щебня в зоне разделения;

• выявлены зависимости траектории движения зёрен щебня в зоне разделения от отношения максимального размера зерна к минимальному;

• на основании сравнения результатов исследования на экспериментальном стенде и результатов, полученных при помощи расчетов по математической модели, определены оптимальные параметры оборудования;

• разработана методика расчета параметров оборудования для различных условий работы.

Научная новизна

На основе гипотезы о различной траектории движения зерен стандартной и неправильной формы при ориентации их продольной оси в направлении движения устанавливаются закономерности движения отдельных зерен при прохождении через щелевой ступенчатый просвет в зависимости от отношения наибольшего размера зерна к наименьшему, скорости зерен, угла наклона направляющих желобов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем теоретических и достаточным количеством

экспериментальных исследований, применением при обработке полученных данных теории планирования эксперимента, адекватностью разработанной математической модели натурному лабораторному стенду для исследования процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, воспроизводимостью полученных результатов при повторных измерениях.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• на основе теоретических исследований создана компьютерная программа, позволяющая выбрать параметры оборудования;

• определено влияние скорости движения зёрен, угла наклона жёлоба на эффективность процесса разделения зёрен стандартной (кубообразной) и неправильной (лещадной и игловатой) формы;

• разработана методика выбора параметров разделителя для различных режимов работы установки.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на конференциях молодых учёных и студентов в 1997, 1998, 1999 годах, на конференции «Обогащение 2000», посвящённой восьмидесятилетию института «МЕХАНОБР» в 2000 году.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 5 печатных работ в научно-технических журналах, сборниках научных трудов и сборниках тезисов докладов конференций.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 62 наименования, 1 приложения, изложена на 103 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, исходя из необходимости разработки оборудования для производства высококачественного щебня -в целом, и создания оборудования для эффективного выделения зерен лещадной и игловатой формы в частности.

В первой главе выполнен аналитический обзор основных работ, посвященных оценке влияния формы зёрен щебня на его физико-механические свойства, качественные показатели железобетонных изделий и конструкций, верхних слоёв дорожных покрытий; изучены возможности современного оборудования, определены основные достоинства и недостатки; рассмотрены возможные пути повышения качества щебня по форме.

На основе выполненного аналитического обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрена конструктивная схема установки для выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, дано обоснование принятых ограничений и допущений, разработана математическая модель процесса, описывающая траекторию движения зерна щебня в зоне разделения, исследовано влияние скорости движения зёрен и угла наклона жёлоба на конструктивные параметры оборудования в зоне разделения, приведена и описана программа и её блок-схема для расчета траектории движения зерна в зоне разделения.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований на лабораторном натурном стенде, доказана адекватность разработанной во второй главе математической модели реальному процессу, определено влияние геометрических параметров разделителя на эффективность процесса разделения.

В четвёртой главе разработана методика и даны рекомендации по выбору параметров оборудования на стадии проектирования.

Основные выводы отражают обобщённые результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение автором цели диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Математическая модель процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, основанная на предварительном разделении стандартной фракции на более узкие и ориентации продольных осей зёрен на жёлобе в направлении движения с их пропуском через поперечные щелевые просветы со ступенчатым продольным профилем, движение лещадных и игловатых зёрен в щелевом просвете

8

описывается дифференциальным уравнением второго порядка с неразделяемыми переменными, в соответствии с которым зёрна с большим отношением максимального размера к минимальному имеют более пологую траекторию.

Предлагаемый способ выделения лещадных и игловатых зёрен щебня заключается в следующем. Стандартная фракция щебня через загрузочное устройство 7 (рис. 1.) подаётся на многоситный виброгрохот 5, оборудованный щелевидными ситами 6, где разделяется на более узкие классы. Днище 8 грохота выполнено в виде сплошного листа. При разгрузке с виброгрохота зёрна щебня монослойно распределены по поверхности сит, ввиду малой нагрузки на каждое сито. Далее щебень поступает на желоба 3 с волнистым поперечным профилем (разрез А - А на рисунке), где зёрна, стремясь занять положение с минимумом потенциальной энергии, ориентируются таким образом, чтобы их продольные оси совпадали с направлением движения. Разгружаясь с желобов 3,

выделения лещадных и игловатых зёрен щебня 9

зёрна щебня проходят через поперечные щелевые просветы 4. При этом зёрна кубообразной формы проваливаются в поперечные наклонные желоба 2 и разгружаются в приёмное устройство 10, а лещадные и игловатые зёрна отклоняются разделителями 9, и по желобам 1 разгружаются в приёмное устройство 11. Величина поперечного щелевого просвета Ьщ и высота ступени Я выбираются в зависимости от средней крупности зёрен узкого класса, скорости их движения и угла наклона жёлоба.

Предлагаемый способ основывается на том, что траектория движения лещадных и игловатых зёрен при разгрузке с ориентирующего жёлоба будет более пологой, чем у кубообразных, вследствие большего расстояния от передней кромки зерна до его центра масс. Если принять допущение, что зерно имеет форму прямоугольного параллелепипеда, то для выделения лещадных и игловатых зёрен параметры Ьщ и Н должны выбираться таким образом, чтобы передняя грань разделителя 9 (рис.1.) находилась на линии траектории передней нижней кромки зерна с граничным отношением максимального размера к минимальному.

Для нахождения траектории движения передней нижней кромки зерна щебня определим предварительно траекторию движения его центра масс.

При прохождении через щелевой ступенчатый просвет зерно щебня движется поступательно до момента, когда центр масс зерна окажется в одной вертикальной плоскости с разгрузочной кромкой жёлоба (рис. 2.).

Положение центра масс в этот момент примем за точку О отсчета Скорость движения зерна в данный момент обозначим у0. При движении самотёком она может быть найдена из уравнения движения груза по днищу жёлоба.

где у„ - скорость подачи груза на жёлоб, g - ускорение свободного падения, Ь0 - длина транспортирования, а - угол

(1)

наклона жёлоба,/- коэффициент трения зерна о поверхность жёлоба.

Далее движение зерна щебня можно охарактеризовать как плоское, состоящее из поступательного, вдоль оси х (рис.3), и вращательного, вокруг мгновенного центра скоростей (МЦС) т. </, под действием веса зерна, до момента его разгрузки с жёлоба.

Поступательная составляющая движения центра масс зерна описывается уравнением

х = V/, (2)

где х - перемещение центра масс зерна, V - скорость, / -мгновенная координата времени.

Вращательная составляющая описывается уравнением

с12(р _ М _ gr

где (р - угловая координата, М— крутящий момент, / -момент инерции, g - ускорение свободного падения, г - плечо действия силы тяжести, гх - расстояние от МЦС до центра масс зерна.

Рнс. 3. Расчётная схема к выводу уравнения движения зерна в зоне разделения

Плечо действия силы тяжести и расстояние от МЦС до центра масс зерна находим путём геометрических построений (рис. 3.):

г = соб^? + а) ■ | —^-— + — ^соэ (р 2

eos (<р + а)

cosa

(4)

1

Г, -

cos^> cosor J

■ sin(<p + a)

2l cosa

2 cosa cos(^ + a)

+

(5)

где а - толщина зерна щебня.

После подстановки в уравнение (3) функций аргументов г (4), Г] (5), л: (2) и упрощения получим

с/У Л2

8

vicos (а + <р) + ^(cosa - cos(a + <pj)tga

• (6)

cos^

vi a

-+ —

cos^ 2

/

cosa

cos(ar + <p)

•1

eos <p 2

Дифференциальное уравнение (6) второго порядка с неразделяемыми переменными, функционально связывающее параметры V, /, а, <р, а, сводится к системе двух дифференциальных уравнений первого порядка и решается методом Рунге - Кутта четвёртого порядка точности.

Уравнение (6) описывает траекторию движения центра масс зерна до момента схода его задней кромки с ориентирующего желоба, т.е. при

х е (0; (£/ + ^ tg(<p + a)) eos <р + tga):

(7)

где £ - коэффициент, определяющий положение центра масс (0<£<■!); I - длина зерна.

а

Далее зерно щебня движется по баллистической траектории. Траектория центра масс зерна описывается уравнением

У\

(В)

где

По

координаты центра масс зерна в момент времени найденной траектории движения центра масс определяем графически траекторию движения передней нижней кромки зерна щебня.

Для реализации процесса вычисления на основе приведённой выше математической модели была создана компьютерная программа на языке программирования ТигЬоРаБка!.

В результате проведения моделирования и сравнения полученных данных с экспериментальными установлено, что траектория движения центра масс зерна, с ростом отношения

£ - область возможного выделения лещадных и игловатых зёрен щебня траектория движения передней нижней кромки зерна с отношением 1/а=1 2 - траектория движения передней нижней кромки зерна с отношением ¡/а-4

Рис. 4. Траектории движения зёрен щебня в зоне разделения в зависимости от отношения максимального размера к минимальному

ч

/

максимального размера к минимальному, имеет более крутую траекторию, однако, существует область, в пределах которой, ввиду большего расстояния до центра масс, передняя кромка зерна щебня, с ростом отношения максимального размера зерна к минимальному, имеет более пологую траекторию движения (рис. 4).

2. Ширину щелевого просвета и высоту ступени необходимо выбирать из условия равенства суммы квадратов ширины щелевого просвета и высоты ступени квадрату длины зерна с граничным отношением максимального размера к минимальному при расположении передней грани разделителя на линии траектории движения передней нижней кромки данного зерна.

Ширину щелевого просвета Ьщ и высоту ступени Н необходимо выбирать таким образом, чтобы кубообразные зёрна при прохождении через щелевые просветы свободно проваливались, не застревая, и при этом достигалась максимальная точность разделения.

В результате математического моделирования и проведения экспериментальных исследований на натурном стенде в лаборатории кафедры ГТМ установлено, что наибольшая эффективность процесса выделения лещадных и игловатых зёрен, при неизменных скорости движения зёрен и угле наклона ориентирующего жёлоба, достигается в случае выполнения соотношения

^1,+Н2 =1гр, (7)

где 1гр - длина зерна щебня с граничным отношением максимального размера к минимальному.

С уменьшением параметров Ьщ и Н значительно возрастает вероятность застревания кубообразных зёрен при прохождении через щелевой ступенчатый просвет, что ведёт к образованию заторов и резкому снижению эффективности процесса разделения. Кроме того, при уменьшении данных

параметров разница в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, уменьшается, что видно из рис. 4.

При выборе параметров поперечного щелевого просвета более указанных в соотношении (7) эффективность выделения лещадных и игловатых зёрен также снижается ввиду уменьшения разницы в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, а также увеличения разлёта зёрен из-за некоторого различия скоростей их движения.

3. Разница в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, имеет максимум при скорости движения зерна в зоне разделения 0,6 м/с и горизонтальном положении ориентирующего жёлоба, что соответствует максимальной эффективности процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня.

На основе предложенной математической модели и специально разработанной программы на ПЭВМ проведены исследования, подтверждённые результатами натурного эксперимента, в результате которых установлены следующие зависимости.

Разница в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен ¿4. при пересечении нормали к линии,

16

Рис. 5. Зависимость параметра А от скорости движения зёрен и угла наклона ориентирующего жёлоба

проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, имеет экстремум в функции скорости их движения (рис. 5) и обратно пропорциональна углу наклона ориентирующего жёлоба (рис. 6).

Очевидно, что с ростом параметра увеличивается точность разделения зёрен и, следовательно, эффективность процесса. Как видно из рис. 5, максимальная эффективность процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня достигается при скорости их движения в зоне разделения 0,6 м/с и горизонтальном положении ориентирующего жёлоба.

Рис.6. Зависимость параметра А от угла наклона ориентирующего жёлоба при оптимальных значениях скорости движения зёрен

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Для улучшения качества щебня путём выделения зёрен лещадной и игловатой формы, а также определения содержания таких зёрен в производимом щебне на дробильно-сортировочных заводах наиболее

целесообразным является применение способа, основанного на различии траектории движения зёрен стандартной и неправильной формы, ориентированных продольной осью в направлении движения, при прохождении через щелевой ступенчатый просвет в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, что позволит значительно повысить

эффективность выделения лещадных и игловатых зёрен и удовлетворить потребность в высококачественном щебне.

2. Созданная математическая модель, описывающая траекторию движения зерна щебня в зоне разделения, позволяет исследовать влияние скорости движения зерна и угла наклона жёлоба на осуществление процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня.

3. Проведённые исследования позволили подтвердить адекватность разработанной математической модели реальному процессу. Расхождения значений траектории движения зёрен щебня в зоне разделения, полученные расчётным и экспериментальным путём, не превышают 15%.

4. Существует область возможного выделения лещадных и игловатых зёрен, в пределах которой траектория движения передней кромки зерна щебня с ростом отношения максимального размера к минимальному более пологая.

5. Ширину щелевого просвета и высоту ступени необходимо выбирать из условия равенства суммы квадратов ширины щелевого просвета и высоты ступени квадрату длины зерна с граничным отношением максимального размера к минимальному при расположении передней грани разделителя на линии траектории движения передней нижней кромки данного зерна; с уменьшением параметров Ьщ и Н возрастает

вероятность застревания кубообразных зёрен, что приводит к образованию заторов и резкому снижению эффективности процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, в тоже время, при превышении вышеописанного соотношения, эффективность процесса снижается вследствие уменьшения разницы в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку

ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера к минимальному, а также увеличения разлёта зёрен из-за возрастающего влияния некоторого различия скоростей их движения.

6. Угол наклона ориентирующего жёлоба следует принимать менее угла трения качения кубообразных зёрен щебня; при большем угле наклона к моменту разгрузки с ориентирующего жёлоба кубообразные зёрна щебня набирают большую скорость по сравнению с лещадными и игловатыми, преодолевают поперечные щелевые просветы и разгружаются вместе с последними, причем разница в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, обратно пропорциональна углу наклона жёлоба, уменьшаясь от максимума при СЙдо нуля при угле наклона жёлоба 9(И.

7. Разница в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, имеет максимум при скорости движения зерна в зоне разделения 0,6 м/с

8. Угол наклона разделителя следует принимать таким, чтобы поверхность разделителя находилась в плоскости, проходящей через его переднюю грань и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, но не менее угла трения.

9. Созданная методика позволяет выбрать основные параметры оборудования для выделения лещадных и игловатых зёрен щебня.

10. В результате проведенных исследований следует признать перспективной разработку способа исправления

20

формы зёрен щебня путём излома нестандартных зёрен, что позволит значительно уменьшить переход крупной фракции в мелкую и снизить количество отходов (фракция 0-^5 мм) по сравнению с применяемым в настоящее время вторичным дроблением щебня.

Основные положения диссертации опубликованы в

работах:

1. Тарасов Ю.Д., Прялухин А.Ф., Энкин Ю.М., Бальков В.Г. Повышение качества щебня исправлением зёрен лещадной формы // Строительные материалы, 1999, № 1, с. 12 - 13.

2. Прялухин А.Ф. Расчёт и выбор параметров установки для выделения лещадных зёрен щебня // Проблемы машиноведения и машиностроения : Межвуз. сб. вып. 22. -С.-Пб.: СЗПИ, 2000.

3. Прялухин А.Ф. Оптимизация процесса разрушения зёрен при исправлении их формы // Сборник трудов молодых учёных, СПГГИ(ТУ), вып. 4, С.-Пб, 1999.

4. Прялухин А.Ф. Разработка установки для определения содержания пластинчатых (лещадных) и игловатых зёрен в пробе щебня // тезисы докладов Ежегодной научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение», СПГГИ(ТУ), стр.86, С.-Пб, 1997.

5. Прялухин А.Ф. Анализ состояния проблемы улучшения качества щебня по форме // тезисы докладов Ежегодной научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение», СПГТИ(ТУ), стр.106, С.-Пб, 1998.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

1Л Влияние формы зёрен щебня на качественные показатели асфальто- и цементобетона, железобетонных конструкций и дорожных одежд.—

1.2 Степень решения изучаемой проблемы.

1.3 Цель, задачи и общая методика исследований.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ ЛЕЩАДНЫХ И

ИГЛОВАТЫХ ЗЁРЕН ЩЕБНЯ.

2.1 Сущность предлагаемого метода и обоснование принципов построения модели.

2.2 Разработка математической модели.--------------------------------------------.

2.3 Исследование влияния угла наклона жёлоба, скорости движения зерна, отношения максимального размера зерна к минимальному на траекторию его движения в зоне разделения..—.—-------------.-----------—.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Исследование влияния угла наклона ориентирующего жёлоба и скорости зёрен на траекторию их движения в зоне разделения и выбор параметров щелевого просвета.

3.2 Оценка адекватности разработанной математической модели.

3.3 Выводы по главе.—.

ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ

ОБОРУДОВАНИЯ.

4.1 Область применения установки для выделения лещадных и игловатых зёрен щебня.

4.2 Выбор основных конструктивных параметров установки для выделения лещадных и игловатых зёрен щебня.—.—.

4.3 Экономический эффект.

4.4 Выводы по главе.

С развитием строительной отрасли растут требования к качеству нерудных строительных материалов, в частности, крупных заполнителей бетона. Это связано с непрерывным повышением средневзвешенной марки бетона в изделиях и конструкциях, а так же возрастающими требованиями к однородности и долговечности бетона. Важным условием повышения качества железобетонных изделий и верхних слоев дорожных покрытий является производство щебня с кубообразной формой зёрен. Форма зёрен крупного заполнителя непосредственно влияет на удобоукладываемость бетонной смеси, её однородность. Применение щебня с кубообразной формой зёрен в верхних слоях дорожных одежд позволяет создать более устойчивую структуру материала, обеспечивает необходимую шероховатость и сдвигоустойчивость покрытия, повышает его долговечность. Кроме того, щебень с зёрнами лещадной и игловатой формы имеет значительно большую пустотность и удельную поверхность, что увеличивает расход цемента.

Вопросами влияния формы зёрен щебня на качественные показатели бетона и разработки оборудования для производства кубообразного щебня занимались такие учёные, как M.JI. Нисневич, Б.И. Курденков, В.И. Галактионов, Б.В. Михайлов, JI.O. Сивуда, A.A. Дудко, В.А. Дубов, B.C. Харьков, В.А. Ярилин, П.А. Боровский, Б.В. Клушанцев, Ю.А. Муйземнек и другие.

К сожалению, разработанное ранее оборудование не позволяет получать кубообразный щебень из абразивных прочных и высокопрочных пород без обогащения по форме.

В последние годы значительный вклад в развитие технических средств для производства щебня улучшенной формы и методов их расчета сделан группой ученых под руководством д.т.н. Л.А. Вайсберга (АО «МЕХАНОБР ТЕХНИКА»).

Что касается разработанных до настоящего времени технологий выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, то они малоэффективны.

Таким образом, разработка технологии и оборудования для производства щебня с кубообразной формой зёрен, в частности технологии и оборудования для выделения лещадных и игловатых зёрен, является актуальной и экономически значимой задачей.

Повысить эффективность выделения лещадных и игловатых зёрен щебня позволит разработанный в СПГГИ(ТУ) способ. Предлагаемый способ позволит также осуществлять экспресс анализ производимого щебня на дробильно-сортировочных заводах, заменив трудоёмкую ручную разборку подвергаемой анализу пробы.

Работа выполнена на кафедре горных транспортных машин под руководством доктора технических наук, профессора Ю. Д. Тарасова

Целью исследований явилось установление закономерностей выделения лещадных и игловатых зёрен для выбора параметров оборудования, что позволит повысить потребительские свойства щебня и производить экспресс анализ фракционированного щебня на дробильно-сортировочных заводах. При этом перед автором стоял следующий ряд задач: разработать математическую модель процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня; создать компьютерную программу для моделирования процесса; установить закономерности движения отдельных зёрен в зоне выделения; получить экспериментальные данные на стенде и подтвердить адекватность разработанной математической модели реальному процессу; разработать методику выбора параметров оборудования для выделения лещадных и игловатых зёрен из фракционированного щебня.

При помощи проведенных теоретических и экспериментальных исследований удалось установить закономерности движения отдельных зёрен в зоне выделения в зависимости от их скорости и угла наклона ориентирующего жёлоба.

В работе автором получены следующие научные результаты: обоснована необходимость использования предлагаемого способа выделения лещадных и игловатых зёрен щебня; получены и проанализированы расчётные и экспериментальные данные движения отдельных зёрен щебня в зоне разделения; выявлены зависимости траектории движения зёрен щебня в зоне разделения от отношения максимального размера зерна к минимальному; на основании сравнения результатов исследования на экспериментальном стенде и результатов, полученных при помощи расчетов по математической модели, определены оптимальные параметры оборудования; разработана методика расчета параметров оборудования для различных условий работы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем теоретических и достаточным количеством экспериментальных исследований, применением при обработке полученных данных теории планирования эксперимента, адекватностью разработанной математической модели натурному лабораторному стенду для исследования процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, воспроизводимостью полученных результатов при повторных измерениях.

Практическая значимость работы заключается в следующем: на основе теоретических исследований создана компьютерная программа, позволяющая выбрать параметры оборудования; определено влияние скорости движения зёрен, угла наклона жёлоба на эффективность процесса разделения зёрен стандартной (кубообразной) и неправильной (лещадной и игловатой) формы; разработана методика выбора параметров разделителя для различных режимов работы установки.

Основные положения диссертации и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на конференциях молодых учёных и студентов в 1997, 1998, 1999 годах, на конференции «Обогащение 2000», посвящённой восьмидесятилетию института «МЕХАНОБР» в 2000 году. 7

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 62 наименования, 1 приложения, изложена на 103 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований обоснована необходимость использования .предлагаемого способа выделения лещадных и игловатых зёрен щебня, получены и проанализированы расчётные и экспериментальные данные движения отдельных зёрен щебня в зоне разделения, выявлены зависимости траектории движения зёрен щебня в зоне разделения от отношения максимального размера зерна к минимальному, на основании сравнения результатов исследования на экспериментальном стенде и результатов, полученных при помощи расчетов по математической модели, определены оптимальные параметры оборудования, разработана методика выбора параметров оборудования для различных условий работы.

Это позволяет сделать следующие выводы.

• Созданная математическая модель, описывающая траекторию движения зерна щебня в зоне разделения, позволяет исследовать влияние скорости движения зерна и угла наклона жёлоба на осуществление процесса выделения лещадных и игловатых зёрен щебня.

• Существует область возможного выделения лещадных и игловатых зёрен, в пределах которой траектория движения передней кромки зерна щебня с ростом отношения максимального размера к минимальному более пологая.

• Ширину щелевого просвета и высоту ступени необходимо выбирать из условия равенства суммы квадратов ширины щелевого просвета и высоты ступени квадрату длины зерна с граничным отношением максимального размера к минимальному при расположении передней грани разделителя на линии траектории движения передней нижней кромки данного зерна. С уменьшением параметров Ьщ и Н появляется вероятность застревания кубообразных зёрен, что приводит к образованию заторов и резкому снижению эффективности процесса разделения. В тоже время, при превышении вышеописанного соотношения, эффективность процесса снижается вследствие уменьшения разницы в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, а также увеличения разлёта зёрен вследствие некоторого различия скоростей их движения.

Угол наклона ориентирующего жёлоба следует принимать менее угла трения качения кубообразных зёрен щебня. При большем угле наклона к моменту разгрузки с ориентирующего жёлоба кубообразные зёрна щебня набирают большую скорость по сравнению с лещадными и игловатыми, преодолевают поперечные щелевые просветы и разгружаются вместе с последними.

Разница в положениях передних нижних кромок разделяемых зёрен при пересечении нормали к линии, проходящей через переднюю грань разделителя и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба, в зависимости от отношения максимального размера зерна к минимальному, имеет максимум при скорости движения зерна 0,6 м/с и горизонтальном положении ориентирующего жёлоба.

Угол наклона разделителя следует принимать таким, чтобы поверхность разделителя находилась в плоскости, проходящей через его переднюю грань и разгрузочную кромку ориентирующего жёлоба.

Эффективность процесса разделения обратно пропорциональна амплитуде колебаний.

Разработанная математическая модель адекватна реальному процессу при скоростях движения зерен в зоне разделения 0,35 м/с и более. Максимальное относительное отклонение наблюдается при скорости 0,35 м/с и угле наклона ориентирующего желоба 20°. Относительное отклонение

89

1. Анахин В.Д., Плисс Д.А. К теории вибросепараторов. Новосибирск: Изд. Новосибирского университета, 1992.

2. Ассовский И.В. Новое в добыче и переработке нерудных строительных материалов на карьерах Ленинградской области. Л.: Стройиздат, 1967.

3. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: «Наука», 1987. С. 360.

4. Березин Д.В., Галактионов В.И. Влияние формы заполнителей на прочность бетонов и растворов // Строительные материалы, 1963, № 7.

5. Беркович В.А. Применение дробилок ударного действия для повышения качества щебня // Качественные заполнители бетона (технология получения). М., МДНТП, 1967, с. 78.

6. Боровский П.А. Об улучшении форм щебня // Труды СОЮЗДОРНИИ. Балашиха Московской обл., 1970, вып. 41, с. 100.

7. Вайсберг Л.А., Шулояков А.Д. Технологические возможности конусных инерционных дробилок при производстве кубовидного щебня // Строительные материалы, 2000, № 1, с.8.

8. Васильков Б.В., Волкова Н.Б., Кремер Е.Б., Титова Л.Г., Якимова К.С., Лавров Б.П., Блехман Л.И. Аппарат для разделения частиц по форме и его использование для улучшения качества щебня // Обогащение руд, 1999, №5.

9. Виноградов Б.Н. Влияние заполнителя на свойства бетона. М.: Стройиздат, 1979.

10. Гордон С.С. Выбор оптимальной формы щебня // Строительные материалы, 1958, № 2.11. ГОСТ8267-93

11. ГОСТ8269 97 Методы физико-механических испытаний щебня

12. Длин A.M. Факторный анализ в производстве. М.: Статистика, 1975.

13. Дубов В.А., Ларина В.Ф., Кузина В.А. Производство высокомарочного кубовидного щебня// Строительные материалы, 1980, №11, с. 14.

14. Дубов В.А., Чулок В.Р. Совершенствование производства высокомарочного щебня и дроблёного песка. -М.: ВНИИЭСМ, 1985.

15. Дудко A.A. Дробшжи-грануляторы для высокопрочных пород // Строительные и дорожные машины, М., 1966, № 7.

16. Дудко A.A. О форме щебня, полученного с помощью щековых дробилок / Науч.-техн. конф. о развитии дорожного строительства с использованием укреплённых каменных материалов, Доклад, М., 1969.

17. Дудко A.A. Получение щебня кубовой формы в щековых и конусных дробилках / Качественные заполнители бетона (технология получения). М.,МДНТП, 1967, с. 110.

18. Дудко A.A. Увеличение кубообразных зёрен в продукте дробления конусных дробилок// Строительные материалы, 1965, № 10.

19. Дудко A.A. Уменьшение количества лещадок при дроблении камня // Автомобильные дороги, 1966, № 7.

20. Дудко A.A. Уменьшение количества сверхмерного материала в продукте дробления щековых дробилок // Строительные материалы, 1966, №2.

21. Дудко A.A., Клушанцев Б.В. Дробилки-грануляторы для приготовления мелкого щебня кубообразной формы. М., 1967

22. Дудко A.A., Клушанцев Б.В. Щековые дробилки- грануляторы // Оборудование для промышленности строительных материалов, М., НИИИНФСДКМ, 1966, № 2.

23. Зажигаев Л.С., Кишьян A.A., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., Атомиздат, 1978.

24. Клушанцев Б.В. Состояние и перспективы развития отечественного и зарубежного дробильно-сортировочного оборудования // Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение, М., ЦНИИТЭстроймаш, 1979, вып. 3.

25. Клушанцев Б.В. Щековые дробилки. ЦИНТИАМ, 1962.

26. Курденков Б.И. Методы улучшения формы щебня для дорожных одежд // Труды Союздорнии, М., 1964, вып. 4.

27. Лебедев В.П. Разработка технологии заполнителей для изготовления железобетонных напорных труб // Строительные материалы, 1962, № 2.

28. Лемехов В.Н., Харьков B.C. Исследование методики испытания щебня (гравия) сжатием (раздавливанием) в цилиндре // Нерудные строительные материалы. Научно-технические сообщения I ВНИИНЕРУД, Ставрополь на Волге, 1964, №13

29. Михайлов Б.В. Основные направления совершенствования методов испытания нерудных строительных материалов // Нерудные строительные материалы. Научно-технические сообщения / ВНИИНЕРУД, Ставрополь на Волге, 1964, №12.

30. Михайлов Б.В., Галактионов В.И., Харьков B.C., Ярилин В.А. Влияние формы зёрен щебня на технологические свойства бетонной смеси и расход цемента // Сборник трудов ВНИИНЕРУД, Тольятти, 1973, вып. 34.

31. Михайлов Б.В., Лебедев В.П. Влияние на свойства бетона формы зёрен щебня и способы её улучшения // Строительные материалы, 1964, № 12.

32. Музеймнек Ю.А. Конусные дробилки среднего и мелкого дробления в СССР и за рубежом. НИИИнфтяжмаш, М., 1965.

33. Никольский В.В. Опыт обогащения песка и производства щебня кубообразной формы на Дмитровском заводе МЖБК / Качественные заполнители бетона (технология получения). М., МДНТП, 1967, с.154.

34. Нисневич М.Л. Требования к заполнителям и технология обогащения щебня (гравия) по прочности // Качественные заполнители бетона (технология получения). М., МДНТП, 1967, с. 3.

35. Нисневич М.Л., Левкова Н.С., Торлопова Г.В. Анализ критериев оценки формы зёрен и требований к ней по отечественным и зарубежнымстандартам // Нерудные строительные материалы, Сб. тр. ВНИИжелезобетон, М., 1975, вып. 21.

36. Нисневич М.Л., Левкова Н.С. Требования отечественных и зарубежных стандартов к нерудным строительным материалам заполнителям бетона. М., ВНИИЭСМ, 1990.

37. Патент РФ 2118918 Способ определения содержания лещадных зёрен в щебне и устройство для его осуществления. / Ю.Д. Тарасов, Ю.М. Энкин,

38. B.Г. Бальков. Заявл. 20.09.98 №97105356/12, опубл. 1998; МПК В07С 5/02, В07В 1/12 Бюл. №26

39. Петров А.М. Особенности технологических схем переработки гравийно-песчаной массы / Качественные заполнители бетона (технология получения). М., МДНТП, 1967, с. 159.

40. Петров A.M., Лукашева Г.Г. Зерновой состав продуктов дробления щековых, конусных, короткоконусных и роторных дробилок при переработке карбонатных пород // Сборник трудов НИИжелезобетон, 1963, вып. 8.

41. Петров AJVL, Ляпин М.Я., Правоторов Ю.А. и др. Исследование процессов дробления карбонатных пород в роторной дробилке С-643 икороткоконусной Саймоне 5~ дробилках // Сборник трудов

42. НИИжелезобетон, 1965, вып. И.

43. Прялухин А.Ф. Анализ состояния проблемы улучшения качества щебня по форме // тезисы докладов Ежегодной научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение», СПГТИ(ТУ),1. C.-Пб, 1998 с.106.

44. Прялухин А.Ф. Оптимизация процесса разрушения зёрен при исправлении их формы // Сборник трудов молодых учёных, СПГТИ(ТУ), вып. 4, С.-Пб, 1999.

45. Прялухин А.Ф. Расчёт и выбор параметров установки для выделения лещадных зёрен щебня // Проблемы машиноведения и машиностроения : Межвуз. сб. вып. 22. С.-Пб.: СЗПИ, 2000.

46. Рекламные проспекты фирм-производителей.

47. Рекомендации по технологии производства щебня улучшенной формы для строительства дорог. М., СОЮЗДОРНИИ, 1966.

48. Рекомендации по технологии производства щебня улучшенной формы из гравия. М., СОЮЗДОРНИИ, 1971.

49. Садовенко Д.И. Пути улучшения качества щебня // Автомобильные дороги, 1965, №4.

50. Сивуда Л.О. Производство кубовидного щебня / Научно-техническая конференция о развитии дорожного строительства с использованием укреплённых каменных материалов, М., 1969.

51. Сивуда Л.О. Технология производства кубообразного щебня / Качественные заполнители бетона (технология получения). М., МДНТП, 1967, с. 101.

52. Справочник по обогащению углей. М., Недра, 1974.

53. Спрысков Ю.К. Исследование сдвигоустойчивости оптимальных гравийных смесей // Труды Союздорнии / Балашиха Московской обл., 1970, вып. 41.

54. Судиловский Г.Н., Кирши на КВ. К вопросу о влиянии способа дробления на качество щебня // Сборник трудов. Уральский ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ, М., 1968.

55. Тарасов Ю.Д. Загрузка ленточных конвейеров. С.-Пб., СПГГИ(ТУ), 1996.

56. Тарасов Ю.Д. Разгрузка ленточных конвейеров. С.-Пб., СПГТИ(ТУ), 1997.103

57. Тарасов Ю.Д., Прялухин А.Ф., Энкин Ю.М., Бальков В.Г. Повышение качества щебня исправлением зёрен лещадной формы // Строительные материалы, 1999, № 1, С. 12.

58. Техническая документация выпускаемой продукции ОАО «Дробмаш», г. Выкса.

59. Тихонов Н.В. Транспортные машины горнорудных предприятий. М: Недра, 1985.

60. Фридман С.Э., Щербаков O.K., Ерёмин Н.Я. Основы обогащения руд и окускования концентратов. М., Недра, 1991.

61. Харьков B.C., Ярилин В.А. К вопросу оценки формы зёрен крупного заполнителя бетона // Сборник трудов ВНИИНЕРУД, Тольятти, 1976, вып. 41.