автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор параметров гироскопических мельниц для эффективного измельчения горных пород

На правах рукописи

БОБИНА Анна Вячеславовна

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ МЕЛЬНИЦ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН 2015

005562630

Тула 2015

005562630

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» на кафедре «Горные машины и оборудование».

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Грабский Александр Адольфович.

Официальные оппоненты:

Захаров Юрий Никитович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МА-МИ)»/ кафедра «Горное и нефтегазовое оборудование» Института инженерной экологии и химического машиностроения, профессор;

Поляков Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, ООО «Экспертно-консультационный центр»/ ведущий инженер.

Ведущая организация:

Научно-производственная корпорация «Механобр-техника» (ЗАО), Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 11 ноября 2015 году в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6-ой уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета и на сайте http://wvyw.tsu.tula.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872) 35-81-81.

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Стась Галина Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задача создания горных машин, позволяющих существенно сократить энерго- и металлозатраты на разрушение горных пород, является важнейшей для горнодобывающей промышленности.

Известные горные машины и устройства по измельчению горных пород и техногенных материалов, такие, как мельницы барабанного типа (самоизмельчения, шаровые, роликовые, стержневые и бисерные), вибрационные, планетарные, центробежные роторные и кольцевые, струйные, молотковые, а также дезинтеграторы и дисковые истиратели, имеют малый КПД и большие энергозатраты. Кроме того, они имеют огромные габариты, что требует при их установке мощных фундаментов, а также высокую металлоемкость, так как при работе возникают большие циклические и вибрационные нагрузки. Система регулировки процесса измельчения в них несовершенна, что обусловливает потерю производительности при недогрузе практически в несколько раз. Конструкция этих мельниц имеет много изнашивающихся деталей и трудоемкую систему их замены.

В настоящее время развитие техники и технологии измельчения горных пород происходит в русле модернизации конструкции известных устройств с целью снижения энергетических затрат на измельчение и уменьшения массы установок, но не затрагивает основополагающих физических принципов создания усилий разрушения, опираясь на традиционные силы тяжести, упругости, газодинамического и гидравлического давления.

Существенно повысить эффективность работы горных машин и устройств по измельчению горных пород возможно, если отказаться от технологии их ударного дробления и раздавливания, которая в основном используется в современных мельницах, и перейти на технику измельчения горной породы с помощью мельниц нового типа, получивших название гироскопических мельниц (ГМ).

Работа таких мельниц основывается на использовании гироскопических сил, которые не только заменяют силу тяжести, но и проявляют себя как основной элемент системы автоматического регулирования, обеспечивающий устойчивость работы всего устройства по разрушению горных пород.

Однако в технической литературе практически не нашли отражения вопросы, связанные с горными машинами и устройствами по дезинтеграции (разрушению) горных пород с помощью мельниц истирания, работа которых основана на гироскопическом принципе. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на обоснование и выбор параметров гироскопических мельниц для эффективного измельчения горных пород, является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госконтракта от 11 октября 2011 года № 16.515.12.5010 Министерства образования и науки Российской Федерации по теме «Разработка метода дезинтеграции горных пород на основе гироскопического эффекта» (шифр «2011-1.5-515-066»).

Целью работы является обоснование и выбор параметров процесса разрушения горных пород в гироскопических мельницах на основе установленных зависимостей истирания при их эксплуатации, обеспечивающих повышение производительности горной машины.

Идея работы заключается в повышении эффективности истирания горной породы за счет использования гироскопических сил, обеспечивающих силовое взаимодействие рабочих органов мельницы - двухстепенных гироскопов и измельчаемой горной породы, достигаемого применением обоснованного расчета параметров рабочего процесса на основе установленных зависимостей истирания при эксплуатации гироскопических мельниц.

Метод исследования - широко апробированные фундаментальные методы разрушения твердых материалов при различных внешних воздействиях; классические методы механики деформируемого твердого тела; математической статистики; теории автоматического регулирования машин и устройств с обратной связью; а также экспериментальные методы исследования эффективности лабораторного образца ГМ.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

- усилие разрушения горных пород в гироскопической мельнице определяется массой цилиндрических маховиков гироскопа, их радиусом и длиной плеча гироскопической силы, действующей на рабочий орган мельницы, а также значениями угловых скоростей вращения маховиков гироскопов и горизонтальной площадки;

- рабочий процесс мельницы описывается математической моделью с учетом гироскопических сил, обеспечивающих силовое взаимодействие рабочих органов мельницы, управляемых гироскопами, и измельчаемой горной породой;

- производительность ГМ зависит от физико-механических свойств измельчаемой горной породы, ее основных конструктивных параметров, а также от динамических параметров, определяющих рабочий процесс разрушения горных пород.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

- в разработке способов регулирования силы разрушения горных пород в гироскопической мельнице за счет изменения массы цилиндрических маховиков гироскопов, их радиусов и длины плеча гироскопической силы, действующей на рабочий орган мельницы, а также изменения значений угловых скоростей вращения ее маховиков гироскопов и горизонтальной площадки;

- в получении зависимости угловой скорости вращения горизонтальной площадки ГМ от значений крутящего момента силовых электродвигателей горизонтальной площадки, а также угловой скорости вращения маховиков гироскопов, их моментов инерции и коэффициента трения горной породы относительного рабочего органа мельницы;

- в получении аналитической зависимости производительности ГМ и ее экспериментальном подтверждении от основных величин, её определяющих, а именно угловой скорости маховиков гироскопов и горизонтальной площадки, а также крепости горной породы и радиуса фракционной частицы.

Научное значение работы заключается в установлении аналитических зависимостей для производительности ГМ, угловой скорости вращения ее горизонтальной площадки, а также силы истирания горных пород в ней, которые определяют и описывают рабочий процесс их разрушения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается корректностью постановки задач исследования; опытом использования основных положений методик расчета и проектирования энергосберегающих горных машин; достаточным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований опытного образца ГМ.

Сопоставление результатов численных расчетов и экспериментальных исследований ГМ полностью подтвердило правильность исходных научных взглядов и основных положений, вынесенных на защиту, причем отличие экспериментальных значений от теоретических не превышает 20 %.

Практическое значение работы:

- разработан и сконструирован экспериментальный образец ГМ;

- разработана методика расчета производительности ГМ в зависимости от физико-механических свойств измельчаемой горной породы, основных конструктивных параметров ГМ, а также параметров технологического процесса измельчения, который позволяет целенаправленно проектировать аналогичные устройства с заданными параметрами;

- разработана расчетная программа производительности гироскопической мельницы.

Реализация выводов и рекомендаций работы. В плановых проектно-конструкторских разработках ООО «НПП Профиль-Т» на 2011 - 2012 гг. по созданию принципиально новых машин и устройств по разрушению горных пород использовались следующие результаты работы:

- техническое задание на опытно-конструкторскую разработку образца гироскопической мельницы для эффективного разрушения горных пород и опытно-технологические разработки по определению природного гранулометрического состава горных пород с использованием ГМ;

- конструкторская документация и изготовленный экспериментальный образец ГМ, защищенный патентами РФ;

- технико-экономическая оценка использования ГМ, доказывающая, что применение ГМ будет способствовать переработке кимберлитовых руд, сконцентрированных в отвалах, для извлечения алмазов с последующим использованием измельченного материала в качестве связующего и освобождением земельных площадей.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и идеи работы; постановке задач и выборе методов исследования; проведении эксперимен-

тальных исследований лабораторного образца ГМ, анализе полученных результатов и разработке рекомендаций.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференции «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» (г. Москва, 2009 г.); на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, МГГУ, 2013 г. и НИТУ «МИСиС», 2014 г.); на 10-й Юбилейной международной выставке «Недра-2013» (г. Москва, 2-4 апреля 2013 г., выдан Диплом за инновационную разработку); на конкурсе «Innostar» с проектом «Исследование и разработка энергосберегающего горного оборудования для извлечения алмазов» (г. Москва, 2013 г.); на Международной научно-технической конференции «Современные инновационные технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Москва, 2015 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, пять из них - в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых журналов, утвержденных ВАК Минобрнауки России. По результатам данной работы и в соавторстве получено 6 патентов РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы, список использованных источников из 111 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В России проблемы технологии процессов дробления и измельчения руд и других твердых материалов решались в работах академиков К.Н.Трубецкого, В.А. Чантурия, М.И. Агошкова, В.В. Ржевского; члена-корреспондента JI.A. Вайсберга; докторов технических наук Л.И. Барона, Л.И. Кантовича, Ю.В. Дмитрака, Н.Г. Картавого, H.A. Артемьева, A.B. Ножкиной, Л.А. Красовского, Н.М. Качурина, Э.М. Соколова, A.C. Воронюка, Л.Ф. Биленко, В.И. Ревнивцева и др.

В своем развитии горные машины и устройства по дезинтеграции различных материалов, в которых использовалась гироскопическая сила, прошли путь от зерновой мельницы сухого измельчения и роликомаятниковой мельницы для помола зерна до мельницы сухого измельчения растиранием.

В ней впервые в технике мельниц, использующих гироскопический принцип создания усилий истирания, преодолен дуализм использования валка в качестве элемента, создающего гироскопическую силу, и одновременно в качестве силового элемента, непосредственно действующего на измельчаемую горную породу.

Это позволило создать ГМ сухой горной породы, эффективно и устойчиво работающей в широком диапазоне всех типов измельчаемых горных пород. Однако специальных научных исследований по обоснованию параметров и по-

казателей работы гироскопических мельниц при измельчении горных пород различной крепости не проводилось.

На основании вышеизложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования:

- определить роль технологических и конструктивных параметров гироскопической силы, изменения которых позволяют регулировать рабочий процесс ГМ в зависимости от конкретных потребностей горного производства;

- разработать математическую модель ГМ, описывающую процесс ее работы с учетом гироскопических сил;

- установить зависимости изменения производительности ГМ от физико-механических свойств горной породы, конструктивных элементов ГМ, а также параметров технологического процесса измельчения;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования истирания горной породы в ГМ.

Экспериментальный образец ГМ, созданный при непосредственном участии автора, работает следующим образом (рисунок 1). Привод, включающий силовые двигатели 3, ведомую 4 и ведущую 5 шестерни редуктора, закрепленные на полом валу вращения 2, раскручивает горизонтальную рабочую площадку 8 с установленными на ней валками (рабочий орган) 11 и рычагом 9 до угловой скорости D. вокруг вертикальной оси вращения. Электродвигатели 7 раскручивают маховики 6 до угловой скорости са, направление вектора которой совпадает с направлением оси вращения электродвигателя 7. В схеме ГМ на рисунке 1 представлены только два гироскопа и рабочих органа, в экспериментальном образце ГМ — их шесть штук, они образуют три симметричных пары, расположенные от оси горизонтальной площадки 8 на расстоянии соответственно 0,03, 0,06 и 0,09 м.

При этом на каждый из шести двухстепенных гироскопов действует гироскопический момент, величина которого определяется формулой

[МЩ)] = J,со ■ Q ■ sina, (1)

где JM = шм • Rm2/2 — момент инерции маховика; шм и RM — соответственно масса и радиус маховика; а - угол между векторами со и Q. При этом непосредственно на каждый из шести валков 11 действует вертикальная гироскопическая сила

Г С 1 — _ Л 1 Й> • Д' «яд

L*гир\ - — - - , (2)

где li - расстояние от шарнира 25 и до центра валка 26 (см. рисунок 1). Направление этой силы определяется знаком тригонометрической функции. При этом значение силы истирания, генерируемой каждым из шести валков, вычисляется согласно следующей формуле

1 - к ■ F1 - K J"a>nsina UVrn/iJ - л. ггир---, (3)

где К - коэффициент трения.

Далее измельчаемая горная порода 13 (см. рисунок 1) через усеченный конус центрального загрузочного устройства 1 попадает через полый вал вращения 2 на рабочий стол 14, по которому она равномерно распределяется с помо-

щью центрального рассекателя 12. При истирании на рабочем столе 14 порода дезинтегрируется и через перфорированные отверстия 15 рабочего стола 14, который закреплен в корпусе 16 фиксатором 17, сначала попадает в разгрузочный усеченный конус 18 и далее в бункер 19.

1 - загрузочный конус; 2 - крышка узла подшипника; 3 — силовой электродвигатель; 4 - ведомая шестерня редуктора; 5 - ведущая шестерня редуктора; 6 - маховик гироскопа; 7 - электродвигатель гироскопа; 8 - горизонтальная рабочая площадка; 9 - рычаг; 10 - шарнир (держатель валка); 11 - валок, рабочий орган;

12 - рассекатель горной породы; 13 - горная порода; 14 - сетка рабочего стола; 15 - основание рабочего стола; 16 - корпус рабочего стола; 17 - фиксирующее кольцо; 18 - разгрузочный конус; 19 - бункер; Мтре„ - момент трения; Ртрен - сила трения; Мкр)т - крутящий момент двигателя; а - схема общего вида; б - схема сил и моментов рабочего процесса в ГМ (главный вид); в - схема сил и моментов рабочего процесса в ГМ (вид сверху)

Рисунок 1 - Схема экспериментального образца ГМ с загрузкой породы через полый вал вращения горизонтальной площадки

Формула (2) показывает, что гироскопическая сила, а вместе с ней и сила истирания горных пород (см. формулу (3)) являются функцией пяти параметров. Масса маховиков, их радиусы и расстояния от центра валка до шарнира являются конструктивными параметрами, а угловые скорости вращения маховиков и горизонтальной площадки - технологическими. Исследование роли конструктивных параметров показало, что за счет их регулирования можно изменять значения гироскопической силы в 16-36 раз.

Схемы сил и моментов, реализующих рабочий процесс разрушения горной породы в ГМ, приведены на рисунках 16,в. Регулировка угловых скоростей вращения осуществляется простой регулировкой угловых скоростей соответствующих электродвигателей за счет изменения подводимого к ним электрического напряжения. Это свойство ГМ позволяет устанавливать режим разрушения в зависимости от физико-механических свойств горных пород, что характеризует ГМ как энергосберегающую горную машину.

Исследование роли технологических параметров показало, что за счет их изменения можно варьировать значение гироскопической силы, силы истирания и производительности ГМ в широком диапазоне величин по сравнению с аналогичными параметрами в экспериментальном образце ГМ.

Основным законом, описывающим динамику движения горизонтальной площадки, является закон динамики вращательного сложного твердого тела, который для описанной выше системы тел имеет вид

т dn ,/

•Л - — = мвн, (4)

где Jc - момент инерции всей вращающейся системы тел; dQ/d, - угловое ускорение, aQ-угловая скорость вращения; Мвн- момент внешних сил, при этом

Jc = Jd+£ Jde + SJe, (5)

где Г, - момент инерции горизонтальной площадки; JJB — момент инерции каждого двигателя с маховиком; J„ - момент инерции валков;

мен = Мкр - IMmp , (6)

где Мкр - крутящий момент силового двигателя 9; 2Мтр - противодействующий ему суммарный момент сил трения (М^,, Мтр2, Мтрз), возникающих при взаимодействии всех шести валков с истираемой горной породой на рабочем столе, т.е.

ZMmp = 2 ■ Mmpi + 2 ■ Mmp2 + 2 ■ Mmp3 = 2 ■ (Fucmp, ■ Ri + Fucmp2 • R2 + Fucmp} ■ R3) (7) = К ■ J„i ■ coi ■ fl = K-J„yoh-П j-, = K-JM,co,f!

l ucmpl j i * ucmpl j » " истрЗ j • (o)

Подставляя значение сил из выражений (8) в соотношение (7) получим для момента внешних сил выражение

, „ , / К, ■ л, ■ го, ■ R, К, ■ Л.'' ОЪ ■ R2 . Кз ■ л 1 ■ Di-Яз ) ^

Штр = fjmp-S2= 2 (----1-----h ---J ' п ' (9)

где Цтр = 2 (Ki • J„i • а, • R]/li + К2 • JM2' «2 ■ R2/I2 + К3 • J„3 • со3 • R3/I3); численное значение = 0,0000162 • со для значений, входящих в него величин К;, JMj, R; и 1; указанных выше при C0j = const.

Учитывая соотношение (9) и (6), представим уравнение (4) в виде

Jc ■ -77 = Мкр ~ Цтр • П

rff + Цтрен

п= 61730 Мкв

•Q _ мкр

dt ■'■прем jc j - (11)

Решение неоднородного линейного обыкновенного дифференциального уравнения (11) имеет вид при начальном условии Q (t = 0) = 0

п = мкр (L^eI^ljJI (12)

Итр

Решение уравнения (11) показывает, что значение угловой скорости вращения системы определяется конструктивными параметрами ГМ (R; и lj); моментами инерции всей системы, коэффициентом трения между измельчаемой горной породой и рабочими органами ГМ (физическими свойствами горной породы); значением крутящего момента силовых электродвигателей, определяемого затрачиваемой электроэнергией, и значением угловой скорости вращения маховиков со.

Учитывая численные значения и Jc, получим

(1 -ехр[-0,0005а)■ 11)

-S- • (13)

Таким образом, уравнения (4) - (13) представляют собой математическую модель ГМ, которая описывает процесс ее работы с учетом гироскопических сил.

При работе ГМ её рабочие органы перекрывают всю поверхность рабочего стола радиусом, на котором размещается пчаст частиц горной породы диаметром 2R. За один оборот вращения всей системы они смогут истереть с каждой частицы породы объем Vcer, представляющий собой шаровой сегмент (рисунок 2).

Срезание шарового сегмента реализуется за счет действия силы

аг

/

»*// --—

1 - рабочий орган ГМ, 2 - горная порода; 3 — маховик гироскопа; 4 — шарнир; 5 - горизонтальная площадка; 6 - рабочий стол

Рисунок 2 - Механизм взаимодействия рабочего органа ГМ с частицей горной породы

Г,

а условие среза шарового сегмента определяется из условия

р = р = К

1 А ИСТр IV

прочности материала горной породы на срез [асреза] = Рг^-р™ где Береза = я • а2; а - радиус основания шарового сегмента.

Производительность ГМ определяется по формуле

где т = N • Уп • р; р - плотность горных пород; Т = пцикл • I, где I = 1/П.

После ряда упрощений формула (14) примет вид

^ 4ж -ОгМч^г- V ' К '

Формула (15) устанавливает закономерности изменения производительности ГМ от восьми основных параметров, а именно она изменяется прямо пропорционально плотности горной породы, квадратам коэффициента трения, момента инерции маховиков, радиуса диска рабочего стола, угловой скорости маховиков гироскопов, а также кубу угловой скорости горизонтальной площадки и обратно пропорционально квадратам расстояния от шарнира до центра валка, прочности горной породы на сдвиг, а также кубу радиуса фракционной частицы.

Эти закономерности являются важнейшими для проектирования и разработки ГМ с заданными технико-экономическими параметрами.

Расчеты по формуле (15) для стср1 = 9,1 МПа (мрамор); стср2= 19,8 МПа (гранит мелкозернистый) и стсрз = 37,5 МПа (габбро) были проведены для значений р = 2500 кг/м3; К = 0,2; 1Н = 4 • 10"5 кг • м2; Кдиск = 0,1 м; 1, = 0,01 м; Лфр = 5 • 10"3 м; со = 400 с"1; О = 40 с"1 и представлены на рисунке 3.

О

кг/час

100 90 80 70 «0 50 40 30 20 1» О

10 20 30 40 50 60 70 С1, с1

Рисунок 3 - Зависимость производительности () от угловой скорости горизонтальной площадки П при фиксированных значениях угловых скоростей маховиков со = 400 и 800 с"1

Расчеты показывают, что при тех же геометрических размерах ГМ можно повысить её производительность с 4,35 до 140 кг/ч, т.е. в 32 раза, увеличив всего в два раза угловые скорости со и Л при остальных неизменных параметрах.

Таким образом, впервые получено аналитическое выражение, позволяющее рассчитывать и проектировать производительность ГМ в зависимости от физико-механических свойств измельчаемой горной породы, основных конструктивных параметров ГМ, а также параметров технологического процесса измельчения.

Для проверки работоспособности основных элементов конструкции ГМ были проведены экспериментальные исследования ГМ в соответствии с разработанной программой и методикой. Они заключаются в достижении технических параметров, для определения которых необходимо знать уровень потребления электроэнергии, производительность ГМ и ее массу.

При экспериментальных исследованиях в качестве рудного материала использовались образцы угля, галенита, цеолита, шунгита, железистых кварцитов, карбонатно-силикатной руды и кварца. При этом загрузочная фракция была представлена фракцией диаметром от 2 до 10 мм, а производительность ГМ (С?, т/ч) оценивалась по фракции диаметром менее 0,1 мм, собираемого в бункере ГМ.

Определенные в результате экспериментов технические параметры ГМ представлены на рисунке 4 и в таблице 1 в сравнении с известными дисковыми измельчителями, а рациональные значения динамических параметров ГМ в за-

40 50 60 70 Q, С"1

1 - уголь; 2- галенит; 3 - цеолит; 4 - железистые кварциты; 5 - шунгит; 6 - карбонатно-силикатные руды; 7 - кварц

Рисунок 4 - Результаты экспериментальных исследований по определению производительности ГМ Q в зависимости от угловой скорости горизонтальной площадки

ii при со = const = 600 с"1

Таблица 1 - Технические характеристики дисковых измельчителей (ИД-13 О, ИД-175, ИД-250, ЛДИ-65) в сравнении с гироскопической мельницей (ГМ)

Параметры ИД-130 ИД-175 ИД-250 ЛДИ-65 ГМ

Исходная крупность породы, мм до 3 до 10 до 10 до 2 до 10

Конечная крупность породы, мм 0,044 0,05 0,08 0,05 0,06

С>, кг/ч 8 20 40 1 23

N. кВт 1,1 1,5 5,5 0,37 0,075

т, кг 55 80 160 17 5

Э = (Ж кг/ч/кВт 7,3 13,3 7,3 2,7 306

Эуд = Э/т, кг/ч/кВт/кг 0,13 0,17 0,045 0,16 62

Данные таблицы 1 показывают, что в ходе работы создана гироскопическая мельница, энергоэффективность которой в 23 раза больше, чем у дисковых истирателей.

Комплекс экспериментальных исследований направлен на подтверждение формулы (15) для производительности ГМ в зависимости от основных величин, ее определяющих. Результаты представлены на рисунках 5-8.

Показано, что экспериментальные значения производительности ГМ прямо пропорциональны квадрату угловой скорости маховиков гироскопов со2 и кубу горизонтальной площадки О.3 и обратно пропорциональны крепости горной породы и кубу радиуса фракционной частицы К , что соответствует аналитически полученной формуле (15), причем отличие экспериментальных значений от теоретических не превышает 20 %.

Таблица 2 - Рациональные значения динамических параметров ГМ _ производительностью 6 кг/ч__

№ Горная порода Крепость по М.М. Протодьяконову со, с"1 ас1 Э, кг/ч/кВт

1 Уголь 2 600 49 96

2 Галенит 2-3 600 53 96

3 Цеолит 3 600 56 95

4 Шунгит 5 600 66 86

5 Железистые кварциты 5-6 600 68 86

6 Карбонатно-силикатные руды 6 600 72 86

7 Кварц 7-8 600 75 84

Q

тг/чх 3

1

ол

И

Iй—

0 2 4 6 f

Рисунок 5 - Зависимость производительности ГМ Q от крепости по М.М. Протодьяконову f

0 800« 16000 24000 32000 40000 «000 М000 ©^ С**

Рисунок 6 - Зависимость производительности ГМ Q от угловой скорости вращения маховиков гироскопа со2

О

кг/час б

а - ч ии с

О

кг/час ОД 0,5

в 64000 256000 512000 П3, с

Рисунок 7 - Зависимость производительности ГМ 0 от угловой скорости вращения горизонтальной

/

/

У

У

У

У

У

/

О 10 20 30 40* Ю2 М\! '

Рисунок 8 - Зависимость производительности ГМ <3 от радиуса фракционной частицы 1/Я3

площадки £1

Таким образом, результаты экспериментов показали, что ГМ является энергоэффективной горной машиной по измельчению горных пород, которая защищена патентом РФ на изобретение.

В диссертации дана технико-экономическая оценка использования ГМ для извлечения алмазов из кимберлитов, которая показала, что использование ГМ производительностью 1 т/ч и выше рентабельно, а срок окупаемости не превышает 1 года, если содержание алмазов в руде составляет от 0,04 до 0,1 карат/т и выше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований дано решение задачи обоснования и выбора параметров процесса разрушения горных пород в гироскопических мельницах на базе установленных зависимостей истирания при их эксплуатации, обеспечивающих повышение производительности горной машины, что имеет значение для расчета и проектирования дробильно-сортировочного оборудования.

Результаты выполненных исследований позволили сделать следующие выводы и рекомендации:

1) разработана математическая модель ГМ, описывающая её внутренний рабочий процесс и позволяющая определять аналитические зависимости производительности ГМ от конструктивных, физико-механических и технологических параметров;

2) установлена зависимость усилий разрушения горных пород в гироскопической мельнице от массы цилиндрических маховиков гироскопа, их радиуса и длины плеча гироскопической силы, а также угловых скоростей вращения маховиков гироскопов и горизонтальной площадки;

3) получена зависимость угловой скорости вращения горизонтальной площадки ГМ от значений крутящего момента силовых электродвигателей горизонтальной площадки, а также от угловой скорости вращения маховиков гиро-

скопов, их моментов инерции и коэффициента трения горной породы относительного рабочего органа мельницы;

4) проведены экспериментальные исследования лабораторного образца гироскопической мельницы с центральной загрузкой горной породы через полый вал, результаты которых показали, что её эффективность измельчения в 23 раза больше, чем у дисковых истирателей аналогичного назначения;

5) аналитически получена и экспериментально подтверждена зависимость производительности ГМ от основных величин, её определяющих, а именно от угловой скорости маховиков гироскопов и горизонтальной площадки, а также крепости горной породы и радиуса фракционной частицы;

6) основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках ООО «НПП Профиль-Т» по созданию принципиально новых машин и устройств по разрушению горных пород.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы: использование ГМ будет способствовать извлечению алмазов из коренных руд и отвалов обогатительных фабрик и извлечению других драгоценных и полудрагоценных камней, редкоземельных металлов. Также ГМ целесообразно использовать в схемах рудоподготовки и переработки хрупких материалов различной прочности и твердости.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Бобина, A.B. Гироскопическая мельница — новая безударная техника для измельчения руд / В.А. Бобин, A.B. Покаместов, A.B. Бобина // Горный журнал, 2011.№ 10. С. 70-72.

2. Бобина, A.B. Технический регламент получения гранулометрического состава горных пород с помощью гироскопического измельчителя / A.B. Покаместов, A.B. Бобина // ГИАБ. 2012. № 3. С. 178-181.

3. Бобина, A.B. Технико-экономическая оценка использования гироскопических измельчителей для добычи алмазов / Ю.А. Чернегов, A.A. Грабский, A.B. Бобина // Труды Вольного экономического общества России. 2012. Т.159. Вып. №3. С. 180-192.

4. Бобина, A.B. Экспериментальные исследования закономерностей рабочего процесса истирания горных пород в гироскопических измельчителях / A.A. Грабский, A.B. Бобина // Горное оборудование и электромеханика. 2013. №2. С. 31-36.

5. Бобина, A.B. Гироскопические силы - новая физическая основа создания энергоэффективных горных машин / В.А. Бобин, A.B. Бобина // Наука и образование в XXI веке: сб.науч. тр. 2014. 4.1. С. 27-30.

в научных сборниках и других изданиях

6. Bobina, A.V. Gyroscopic force — an alternative to gravity when creating effort disintegration of solid materials in MDF mills / V.A. Bobin, A.A. Grabskii,

A.V. Bobina I I The Journal «International Journal of Applied And Fundamental Research». 2014. №2.

7. Бобина, A.B. Создание физико-математической модели процессов, описывающих работу гироскопической мельницы / В.А. Бобин, А.Н. Ланюк, A.B. Покаместов, A.B. Бобина // Труды Итоговой конференции по результатам выполнения мероприятий ФЦП за 2009 год по приоритетному направлению «Рациональное природопользование». 2009. С. 346.

в патентах Российской Федерации

8. Патент РФ 2416464. Гироскопический измельчитель сухой горной породы с гибким валом / В.А. Бобин, A.B. Покаместов, A.B. Бобина. 2011. Бюл. №11.

9. Патент РФ 2427425. Гироскопический измельчитель сухой породы по фракциям / Бобин В.А., Покаместов A.B., Бобина A.B. 2011. Бюл. № 24.

10. Патент РФ 2429912. Гироскопический измельчитель с центральной загрузкой породы / В.А. Бобин, A.B. Покаместов, А.Н. Ланюк, A.B. Бобина. 2011. Бюл. № 27.

11. Патент РФ 2483801. Гироскопический измельчитель с вращающимся размольным столом / A.B. Бобин, A.B. Покаместов, А.Н. Ланюк, A.B. Бобина. 2013. Бюл. №16.

12. Патент РФ 2491125. Гироскопический измельчитель для определения природного гранулометрического состава горных пород / В.А. Бобин, A.B. Покаместов, А.Н. Ланюк, A.B. Бобина. 2013. Бюл. № 24.

13. Патент РФ 2487758. Гироскопический измельчитель с полым валом рабочей площадки / В.А. Бобин, A.B. Покаместов, A.B. Бобина, А.Н. Ланюк. 2013. Бюл. №21.

Формат 60 х 90Тираж 100 экз. Объем 1 п.л. Заказ 4664 Печать офсетная Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательского Дома МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4 Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35