автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование конструктивных и режимных параметров энергосберегающих конструкций конусных дробилок

На правах рукописи

ЧЕРВЯКОВ Сергей Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2004

Работа выполнена в Уральском государственном горном университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зимин Анатолий Иванович; кандидат технических наук Зарогатский Леонид Петрович.

Ведущая организация - ОАО "Ураласбест"

Защита диссертации состоится _23>_ декабря 2004 г. в!4ч . на заседании диссертационного совета Д 212.208.03 при Уральском государственном горном университете по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета

ух> 54

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы дезинтеграции (дробления и измельчения) минерального сырья являются наиболее распространенными и к тому же энергоемкими технологическими процессами, потребляющими около 20 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии.

Повышенные энергозатраты при дроблении горных пород конусными дробилками обусловливаются, с одной стороны, большим сопротивлением пород разрушающим сжимающим нагрузкам и, с другой - резким возрастанием усилий дробления в режиме прессования горной массы, что характерно для дробилок мелкого и тонкого дробления при сравнительно больших (по отношению к размерам кусков) деформациях.

По ряду причин объективного и субъективного порядка проблема энергосбережения при дроблении горных пород приобретает все большую значимость.

Во-первых, в настоящее время в горнодобывающей промышленности наблюдается устойчивая негативная тенденция - увеличение объемов переработки скальных труднодробимых руд с низким содержанием ценных компонентов.

Известно, что переработка крепких горных пород приводит к росту нагруженности дробильного оборудования и энергозатрат на дробление.

Во-вторых, современная практика рудоподготовки характеризуется использованием высокопроизводительного дробильного оборудования большой единичной мощности, интенсификацией процессов дробления за счет роста энерговооруженности оборудования и переходом на форсированные режимы работы (с большей относительной деформацией материала, дробление способом «кусок о кусок»).

Кроме того, затраты на рудоподготовку в целом существенно возрастают ввиду перманентного увеличения стоимости энергоносителей.

Поэтому повышение рентабельности процессов дезинтеграции связано, прежде всего, со сведением к минимуму затрат материальных и, главным образом, энергетических ресурсов.

Таким образом, требования повышения эффективности технологических процессов и создания конкурентоспособных эффективных производств определяют необходимость разработки дробильно-размольного оборудования нового поколения, обеспечивающего резкое (в 2...3 раза и более) снижение затрат на рудоподготовку.

Целью работы является повышение эффективности функционирования конусных дробилок на основе установления рационального уровня взаимосвязей между характеристиками питания и параметрами оборудования.

Идея работы состоит в том, что при прочих равных условиях за счет управления рабочим процессом обеспечивается режим работы, при котором энергоемкость дробления достигает наименьшего значения.

Научные положения, выносимые на защиту.

При дроблении кусков горных пород в конусных дробилках режим работы оборудования и энергозатраты на дробление зависят от случайных операций подачи, распределения по камере дробления и уплотнения перерабатываемого материала, что затрудняет управление рабочим процессом и приводит к снижению эффективности использования оборудования.

Согласование конструктивных и режимных параметров конусных дробилок с учетом грансостава и характера подачи питания на основе принципов универсальности и гибкости обеспечивает стабилизацию технологических показателей оборудования.

Выбор параметров камеры дробления на основе комплексной характеристики свойства дробимости горных пород (гранулометрической и энергетической) позволяет реализовать рациональную степень разрушающего воздействия на материал с наименьшими энергозатратами при заданном качестве продукта.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: адекватностью имитационной модели дробилки и рабочего процесса, проверенной результатами экспериментальных и опытно-промышленных исследований; сходимостью результатов расчета с данными эксплуатации (расхождение не превышает 7 %).

Научная новизна заключается:

в выявлении основных факторов, определяющих режим работы конусной дробилки и уровень энергозатрат на дробление, а также изучении ранее неизвестного фактора - «удар трением», заключающегося в суммарном действии усилий дробления и трения и обусловленного сложным характером движения подвижного конуса;

в разработке комплексной имитационной модели конусной дробилки, обеспечивающей проведение многовариантных расчетов параметров дробилки;

в обосновании рациональных значений конструктивных и режимных параметров дробилки, обеспечивающих снижение энергоемкости дробления.

Научное значение работы определяется установлением закономерностей формирования основных технических и технологических показателей конусных дробилок; разработкой метода проектирования камеры дробления с учетом гранулометрической и энергетической характеристик свойства дро-бимости горной породы.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключаются1

в разработке инженерной методики выбора рациональных конструктивных и режимных параметров энергосберегающих конструкций конусных дробилок;

в разработке рекомендаций и комплекса мероприятий по совершенствованию конструкций дробилок, повышению технического уровня эксплуатации конусных дробилок и адаптации оборудования к изменяющимся условиям эксплуатации, прежде всего к изменению грансостава питания.

Результаты исследований внедрены на ОАО «Ураласбест» с экономическим эффектом 650 тыс. руб. и реализованы в проекте камеры дробления дробилки КМД-2200Т.

Разработаны на уровне изобретений технические предложения по конусным дробилкам (а с. №№ 613803, 651839, 671837, 845836, 884713, 925382,963547,1121034,1121035,1584993,1592032,1592034,1719055).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее разделы с 1985 по 2004 г.г. докладывались и обсуждались на научно-технических советах отделения главного конструктора горнорудного и доменного машиностроения НИИтяжмаша ПО «Уралмаш», ПО «Апатит» (1987), Костомукшского ГОКа (1985-1989), ГОКа «Эрдэнэт» (Монголия, 1985), на научно-технических и практических конференциях различного уровня.

Публикации.

Основные научные результаты опубликованы в 22 печатных работах, -в том числе в 13 авторских свидетельствах на изобретения.

Вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоял в формировании основной идеи /2...4/, выборе метода исследований /5,7/, анализе полученных результатов и подготовке на их основе рекомендаций /8/.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 149 наименований и 3 приложений; содержит 175 страниц машинописного текста, 31 рисунок, 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объектом исследования являются конусные гирационные дробилки мелкого и тонкого дробления типов КМД и КМДТ, производящие конечный продукт дробильного передела и характеризующиеся наибольшей энергоемкостью дробления по сравнению с дробилками крупного и среднего дробления.

В первой главе выполнен анализ современного состояния исследований по проблеме энергосбережения при дроблении горных пород.

Большая роль в решении данной проблемы принадлежит коллективам ведущих научно-исследовательских институтов и научно-производственных объединений - НГЖ «Механобр - техника», ВНИИстройдормаш, Российский университет дружбы народов, ООО «ОМЗ - Горное оборудование и технологии», НПО «РИВС» и др.

Значительный вклад в развитие теоретических основ расчета и проектирования дробильного оборудования, совершенствование конструкций дробилок и повышение эффективности их использования внесли СЕ. Андреев, В.А. Бауман, Д.И. Беренов, И.И. Блехман, Л.А. Вайсберг, Л.П. Зарогатский, А.И. Зимин, Н.А. Иванов, ГА. Калюнов, В.Р. Кубачек, Л.Б. Левенсон, ВА. Масленников, Ю.А. Муйземнек, СА. Панкратов, В.И. Ревнивцев, В.Д. Руднев, А.К. Рундквист, А.Д. Табарин и др.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований по дробильному оборудованию показывает, что работы связаны с изучением особенностей рабочих процессов дробилок в условиях динамического нагружения (при наличии в питании труднодробимых или недробимых тел), разработкой средств управления качеством продукта дробления; направлены на повышение технического уровня эксплуатации на основе стабилизации режимов работы.

Одним из главных результатов совместных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ НПК «Механобр-Техника», ОАО «Уралмашзавод» и ряда других организаций является разработка теоретических основ и создание нового класса дробильных машин -конусных инерционных дробилок.

Вместе с тем, несмотря на большой объем исследовательских и опытно-конструкторских работ, вопросы анализа формирования энергозатрат, в частности, для конусных гирационных дробилок мелкого и тонкого дробления, изучены недостаточно полно. Такое положение вызвано, с одной стороны, сложностью изучения процесса дробления как стохастического процесса с большим количеством влияющих факторов, с другой - многостадийностью процесса дробления, многообразием технологических схем дробления и техническими трудностями сопряжения различных стадий дробления.

На основе анализа результатов выполненных исследований и, исходя из требований повышения эффективности использования оборудования, сформулированы основные задачи работы:

установление основных факторов, определяющих энергозатраты на дробление;

выявление взаимосвязей между работой разрушения одиночного куска и грансоставом продукта разрушения при различных относительных деформациях куска и установление энергетической характеристики свойства дробимости;

разработка имитационной модели дробилки и определение качественных и количественных характеристик рабочего процесса;

обоснование энергосберегающих режимов работы конусной дробилки

Во второй главе проведен анализ режимов работы конусных дробилок мелкого дробления. Как показывает опыт промышленной эксплуатации конусных дробилок мелкого дробления, режимы работы дробилок являются весьма тяжелыми и существенно изменяются в зависимости от условий работы. Режимы работы дробилок тонкого дробления более тяжелые, так как при малой ширине разгрузочной щели повышается склонность к запрессовыва-нию дробимой массы в камере дробления.

Выполненные замеры потребляемой мощности свидетельствуют о том, что электромеханические процессы в приводе дробилки являются нестационарными и имеют колебательный характер. Экспериментально установлено, что дисперсия мощности (величина пика мощности) увеличивается с ростом производительности и потребляемой (средней) мощности дробления.

Основными факторами, определяющими режим работы дробилки и энергозатраты на дробление, являются:

производительность дробилки;

физико-механические свойства дробимого материала;

крупность исходного питания и продукта дробления;

несоответствие между грансоставом питания и профилем камеры дробления;

организация подачи питания (скорость входа кусков в камеру дробления, распределение питания по периметру камеры дробления).

При проведении промышленных испытаний и технологического опробования был зафиксирован ранее неизвестный силовой фактор - «удар трением», заключающийся в суммарном действии усилий дробления и трения и обусловленный сложным характером движения подвижного конуса. При сближении конусов подвижный конус поднимается на подпятнике, увлекая дробимый материал, при этом сила трения будет направлена к разгрузочной щели (рис. 1).

Максимальное значение усилия дробления из условия срабатывания амортизационной системы

Оп*х = ((в, + ^уш^р)/ Ьр,

где - сила тяжести чаши;

Р„м - усилие срабатывания амортизационной системы;

F - сила трения породы о сталь.

Момент силы трения меняет направление:

при «ударе трением» - знак «+», в расчетном случае (при перемещении перерабатываемого материала по броне дробящего конуса) - знак «~».

Рис. 1. Равновесие верхней части дробилки под действием внешних сил

Как показывают выполненные расчеты, максимальные значения усилия дробления возрастают в 1,5...2 раза по сравнению с расчетным случаем.

В целом формирование энергозатрат при дроблении определяется, прежде всего, характером изменения режима работы дробилки. Фактическое усилие дробления, как показывает опыт эксплуатации дробилок, может в несколько раз превышать расчетные усилия. Перегрузки обусловливаются резким увеличением подачи материала, появлением зон уплотнения (мелкое питание, подача влажного заглиненного материала и т п.), поступлением труд-нодробимого материала и т.д.

В третьей главе изложена методика экспериментальных исследований по разрушению сжатием одноразмерных кусков горных пород при различной относительной деформации £,!<£<£*, где еи> £* - соответственно относительные деформации начала и конца проявления куском свойства дроби-мости.

Для эксперимента были отобраны куски пород Учалинского и Баже-новского месторождений (442 куска). Значения размеров кусков по толщине составили 25, 50, 75 и 100 мм, что соответствует шагам дробления в дробилках мелкого дробления.

Работа разрушения определялась как площадь диаграммы изменения усилия F в зависимости от деформации 8.

В результате проведенных исследований установлены зависимости энергозатрат от величины относительной деформации и характерного размера куска (толщины Ь), см. рис. 2 и 3.

В таблице 1 приведены средние значения энергозатрат на разрушение кусков руды Учалинского месторождения и породы Баженовского месторождения.

Таблица 1

Значения энергозатрат (средние), Дж

е Размер куска (толщина), мм

25 | 50 75 | 100

Учалинское месторождение

0,1 22,8 182 446 895

0,2 64,4 451 964 2061

0,3 114 873 177) 3197

0,4 181 1319 2464 4298

Р,5 _ 304 2453 4357 5284

Баженовское месторождение

0,1 21,6 98 237 453

0,2 47,3 208 427 1080

0,3 73,3 310 650 1517

0,4 117 434 840 2213

0,5 160 560 924 2790

5,0

2,5

е=0.5 /

£=0,1

b, мм

0 5 100 Рис. 2. Зависимость энергозатрат от размера кусков (толщины) (Учалинское месторождение)

А, кДж

5,0

2,5

1=100 мм / /

\

- / Ь=25 мм

---

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Рис. 3. Зависимость энергозатрат от относительной деформации кусков (Учалинское месторождение)

Получены регрессионные зависимости между энергозатратами на разрушение кусков и относительной деформацией, а также толщиной куска.

Так, для Учалинского месторождения выражения для определения энергозатрат (в Дж) имеют вид: Ао ю = 0,046-Ь -14; А25= 12+ 1140-е2,

где Ао,ю - энергозатраты при относительной деформации £ = 0,10;

- энергозатраты при разрушении куска толщиной

Полученные зависимости позволяют определить суммарные энергозатраты при заданных значениях производительности дробилки и степени дробления перерабатываемого материала.

В четвертой главе рассмотрены взаимосвязи конструктивных и режимных параметров.

Определение энергетической характеристики свойства дробимости горных пород позволяет разработать комплекс моделей рабочего процесса дробилки, имитирующих перемещение перерабатываемого материала в камере дробления и силовое нагружение оригинальных кусков и осколков при взаимодействии с рабочими органами.

Для определения продуктов разрушения отдельных кусков в каждом акте силового воздействия предусмотрено использование известных моделей разрушения горных пород сжатием, разработанных Ю.А. Муйземнеком, ВА Масленниковым, Б.Д. Котельниковым, А.Д. Табариным.

При разработке имитационной модели усилие дробления и энергозатраты принимались равными суммам разрушающих усилий сжатия и работ разрушения кусков и осколков при определенном значении относительной деформации (в соответствии с энергетической характеристикой) для случая рыхлого распределения материала в камере дробления. Размеры осколков (грансоставы единичных актов разрушения оригинальных кусков, разрушения осколков оригинальных кусков и т.д.) также определяются в зависимости от величины относительной деформации в соответствии с гранулометрической характеристикой.

Взаимосвязи конструктивных и режимных параметров конусной дробилки с характеристиками питания определяются в результате анализа имитационной модели (рис. 4), представляющей собой функциональный преобразователь, который для каждой совокупности входных параметров (грансо-став питания, физико-механические свойства материала, характер организации питания) устанавливает соответствующую совокупность выходных параметров (производительность дробилки, качество продукта, энергозатраты на дробление).

Алгоритм расчета технологических показателей представлен на

рис. 5.

Исходные данные

Камера дробления

Рис. 5. Алгоритм расчета технологических показателей

На основе имитационной модели выполнен вычислительный эксперимент, включающий проведение многовариантных расчетов при варьировании большого числа переменных с целью выявления рациональных значений конструктивных и режимных параметров конусной дробилки.

Установлено, что основными параметрами, определяющими технологические показатели дробилки, являются параметры камеры дробления (крутизна камеры дробления и высота камеры), угол нутации и частота качаний конуса.

Параметры камеры дробления определяют энергозатраты на дробление, степень дробления и качество продукта.

При варьировании степени крутизны* камеры дробления (угла наклона образующей к основанию дробящего конуса а) изменяются количество актов дробления куска, энергозатраты при дроблении и, в конечном счете, потребляемая мощность, производительность дробилки и степень дробления материала.

Угол нутации определяет величину хода дробящего конуса и, соответственно, производительность дробилки и степень дробления перерабатываемого материала.

После оценивания влияния частоты качаний конуса на технологические показатели, установлено, что при увеличении частоты качаний повышается степень дробления и уменьшается производительность дробилки.

Проведенный теоретический анализ взаимосвязей, с одной стороны, между физико-механическими свойствами дробимого материала, конструктивными и режимными параметрами дробилки и, с другой - технологическими показателями рабочего процесса позволяет установить закономерности функционирования конусной дробилки как сложной технической системы и более полно обосновывать и создавать высокоэффективные конструкции дробилок, решая проблему снижения затрат материальных и энергетических ресурсов.

В пятой главе обоснованы параметры энергосберегающих конструкций конусных дробилок.

Согласование конструктивных параметров дробилки с характеристиками исходного питания и выбор рационального режима работы позволяют обеспечить эффективное функционирование оборудования при снижении энергозатрат.

* Максимальная степень крутизны камеры дробления соответствует перемещению куска между двумя последовательными актами дробления в режиме свободного падения.

Для оценки эффективности функционирования дробилки приняты следующие комплексные показатели:

энергоемкость дробления

удельная энергоемкость дробления

ауд = Р/«-0,

где А - энергозатраты на разрушение выборки горной массы объемом V; Р - потребляемая мощность; Q - производительность дробилки; i - степень дробления материала.

На основе имитационной модели процесса дробления горных пород в конусных дробилках разработана методика определения рациональных конструктивных и режимных параметров дробилки, обеспечивающих снижение энергоемкости дробления.

Выбор рациональных конструктивных и режимных параметров конусной дробилки как сложной технической системы представляет собой многокритериальную задачу ввиду необходимости выполнения ряда зачастую противоречивых технических и технологических требований к рабочему процессу:

обеспечение высокой производительности;

получение продукта дробления заданного качества;

снижение энергозатрат на дробление и т.п.

Одним из наиболее универсальных приемов решения многокритериальных задач является использование ряда критериев в качестве ограничений, а выбор параметров следует осуществлять по одному из критериев.

В рассматриваемой задаче критериями для использования в качестве ограничений приняты производительность дробилки и качество продукта дробления, а по энергозатратам производится выбор параметров дробилки.

Исходя из того, что энергозатраты на дробление возрастают при увеличении реализуемой в камере дробления относительной деформации, с целью снижения энергозатрат необходимо снижать степень дробления. Но при таком подходе не будет реализована основная функция дробилки, поэтому при многовариантных расчетах выбор рациональных параметров дробилки производится из условий уменьшения относительной деформации при единичном акте разрушения куска и увеличения суммарной деформации при разрушении оригинального куска и осколков.

На основе вычислительного эксперимента установлены рациональные параметры камеры дробления для конкретных условий эксплуатации (физико-механические свойства горных пород, организация подачи питания и др.), обеспечивающие снижение энергоемкости дробления при заданных производительности дробилки и степени дробления материала.

Показано, что существует оптимальное значение степени крутизны камеры дробления (угла наклона образующей), при котором удельная энергоемкость дробления принимает минимальное значение (рис. 6). В таблице 2 приведены оптимальные значения угла наклона образующей.

Таблица 2

Оптимальные значения угла наклона образующей дробящего конуса

Производительность, иЧч Степень дробления а, град

200 5 46

220 4,5 50

250 4Д 54

Определены рациональные значения угла нутации в зависимости от максимального размера куска перерабатываемого материала.

Установлены области изменения рациональных значений частоты качаний дробящего конуса в зависимости от максимального размера куска исходного материала и скорости входа кусков в камеру дробления (таблица 3).

Таблица 3

Рациональные значения частоты качаний конуса_

Максимальный размер куска, мм Скорость входа кусков, м/с Частота качаний конуса, об/мин

0 220

85 2 238

4 252

0 236

70 2 248

4 274

Определена область оптимальных значений частоты качаний конуса, соответствующая минимальному уровню удельной энергоемкости дробления (рис. 7).

Окончательный выбор частоты качаний конуса следует производить с учетом комплекса факторов, в частности, физико-механических свойств перерабатываемого материала. При повышении крепости пород (при выемке руды на более низких горизонтах) целесообразно осуществлять дробление на пониженной частоте качаний, что позволит уменьшить износ броней, снизить инерционные нагрузки и нагруженность фундамента.

Наибольшие возможности в регулировании параметров дробления достигнуты ОАО «Уралмаш» при создании экспериментального образца конусной дробилки с приводом качания конуса из группы вертикально расположенных гидроцилиндров.

Конструкция дробилки обеспечивает независимое регулирование размера разгрузочной щели, степени и усилия дробления, работу дробилки

под завалом, защиту от попадания недробимых тел, а также исключает взаимодействие подвижной и неподвижной броней в случае отсутствия нагрузки. Экспериментальное исследование подтвердило эффективность предложенной конструкции и позволяет приступить к созданию промышленного образца дробилки, способной адаптироваться под разрушаемую породу и осуществлять оперативное дистанционное управление процессом дробления.

С целью стабилизации режима работы дробилки, повышения качества продукта и снижения энергозатрат разработан ряд технических решений по конструктивному исполнению дробилки, эксцентриковому узлу, загрузочному устройству и др.

Сформулированы основные технические требования к энергосберегающим конструкциям конусных дробилок мелкого дробления:

применение регулируемого привода, обеспечивающего бесступенчатое изменение частоты качаний дробящего конуса;

выбор типоразмера и конструктивных параметров дробилки, в частности, параметров камеры дробления, следует производить для конкретных условий эксплуатации (гранулометрическая и энергетическая характеристики свойства дробимости горной породы, грансостав питания и др.);

конструкция дробилки должна обеспечивать возможность дробления материала как способом «кусок о броню», так и способом «кусок о кусок» (при мелком питании).

Ожидаемый экономический эффект при применении энергосберегающей конструкции конусной дробилки составит 650 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой научно-квалификационную работу, в которой содержится решение задачи, имеющей существенное значение для теории дробления горных пород и заключающейся в повышении эффективности функционирования конусных гирационных дробилок мелкого дробления на основе установления рационального .уровня взаимосвязей между характеристиками питания и параметрами дробилки.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Установлено, что применение конусных гирационных дробилок мелкого дробления связано с большими энергозатратами на дробление ввиду стохастического характера рабочего процесса и сложностью согласования физико-механических свойств дробимого материала и характеристик питания с параметрами оборудования.

2. Показано, что повышение эффективности функционирования оборудования обеспечивается за счет обоснования конструктивных и режимных параметров оборудования с учетом гранулометрической и энергетической характеристик свойства дробимости перерабатываемого материала.

3. В результате экспериментальных исследований по разрушению сжатием одноразмерных кусков горных пород при различной относительной деформации установлены зависимости энергозатрат от характерного размера кусков (толщины) и относительной деформации.

4. Выявлены взаимосвязи конструктивных и режимных параметров дробилки типа КМД с характеристиками питания на основе анализа имитационной модели рабочего процесса и определены основные параметры, обусловливающие технологические показатели рабочего процесса:

параметры камеры дробления (крутизна камеры дробления, высота камеры и др.);

угол нутации;

частота качаний конуса.

5. Разработана методика выбора рациональных конструктивных и режимных параметров дробилки, обеспечивающих снижение энергозатрат на дробление при заданных производительности дробилки и степени дробления перерабатываемого материала.

6. Определены области рациональных значений параметров дробилки для конкретных условий эксплуатации (труднодробимые породы, мелкое питание и др.).

7. Сформулированы технические требования к энергосберегающим конструкциям конусных дробилок мелкого дробления.

8. Экономическая эффективность при применении энергосберегающей конструкции конусной дробилки мелкого дробления составит 650 тыс. руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Червяков С.А. Пути совершенствования эксцентриковых узлов дробилок среднего и мелкого дробления // Проблемы качества и совершенствования тяжелого, энергетического, транспортного и химического оборудования: Тезисы докладов. - Свердловск, 1978. - С. 72-73.

2. Червяков СЛ., Муйземнек Ю.А. Повышение технического уровня эксплуатации конусных дробилок среднего и мелкого дробления // Изв. вузов Горный журнал.-1996.-№12.-С. 112-117.

3. Червяков С.А., Муйземнек Ю.А., Муйземнек А.Ю. Предпосылки для конусных дробилок нового поколения // Изв. вузов. Горный журнал. -1997. -№1-2 .-С. 118-121.

4. Червяков С.А., Муйземнек Ю.А. Особенности конструкции и эксплуатации конусных дробилок. - М.: Горная промышленность. - 1997. - № 3. -С. 33-36.

5. Червяков С.А., Муйземнек Ю.А. Современные тенденции совершенствования рабочего процесса в конусных дробилках.- М.: Горный жур-

нал. - 2000.-№3.-С. 23-27.

6. Червяков СА Перспективы развития горного и нефтегазового оборудования, выпускаемого ОАО «Уралмаш» // Изв. вузов. Горный журнал. -2002.-№5.-С. 2-7.

7. Червяков СА, Пашкин Л.Н., Сапожников А.И. Совершенствование конусных дробилок // Горные машины и автоматика. - 2003.- № 11. - С. 1921.

8. Червяков СА, Пашкин Л.Н., Сапожников А.И. Тенденции совершенствования конусных дробилок // Горные машины и автоматика. - 2004.-№3.-С. 29-31.

9. Червяков СА Энергосберегающие режимы работы конусных дробилок // Горные машины и автоматика. - 2004.- № 8. - С. 27-29.

10. Червяков СА, Калюнов ГА, Ковалев НА, Хинич И.Я. Эксцентриковый узел конусной дробилки: А. с. № 613803,1978.

11. Червяков С А Устройство для стопорения регулирующего кольца конусной дробилки: А. с. № 671837,1979.

12. Червяков С.А. Устройство для срыва бронефутеровки: А. с. № 651839,1978.

13. Червяков С.А., Калюнов Г.А., Ковалев Н.А., Хинич И.Я. Эксцентриковый узел конусной дробилки: А. с. № 845836,1981.

14. Червяков С.А, Калюнов ГА, Кузнецов Н.В., Осадчий A.M. Устройство для стопорения регулирующего кольца конусной дробилки: А. с. № 884713,1981.

15. Червяков СА, Калюнов Г.А., Осадчий А.М. Эксцентриковый узел конусной дробилки: А. с. № 925382,1982.

16. Червяков СА, Калюнов ГА, Осадчий A.M. Гирационная конусная дробилка: А. с. № 963547,1982.

17. Червяков СА, Кузнецов Н.В., Левишко А.А Устройство для соединения и разъема корпусных деталей конусной дробилки крупного дробления: А. с. № 1121034,1984.

18. Червяков СА, Калюнов ГА, Осадчий A.M. Эксцентриковый узел конусной дробилки: А с. № 1121035,1984.

19. Червяков СА, Осадчий А.М., Шишкин В.Е. Предохранительное устройство конусной дробилки: А. с. № 1584993,1990.

20. Червяков СА, Калюнов ГА, Кузнецов Н.В., Осадчий А.М. Устройство для крепления неподвижной брони конусной дробилки: А. с. № 1592032,1990.

21. Червяков СА, Калюнов ГА, Осадчий A.M. Гидравлическое пы-леуплотнение конусной дробилки: А. с. № 1592034,1990.

22. Червяков СА, Ковалев НА, Опарин БА Эксцентриковый узел конусной дробилки: А. с. № 1719055,1991.

Подписано в печать 29.10.04 г. Бумага типографская. Формат бумаги 60x84 1/16 Печать на ризографе. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №

Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. Лаборатория множительной техники

»22 325

РНБ Русский фонд

2005J-22469

Введение.

1. Состояние вопроса, задачи и методы исследований.

1.1. Объект и область исследований.

1.2. Обзор исследований по проблеме энергосбережения при дроблении горных пород.

1.3. Задачи и методы исследований.

2. Обобщение опыта промышленной эксплуатации конусных дробилок.

2.1. Анализ режимов работы конусных дробилок.

2.2. Оценка энергопотребления конусными дробилками.

2.3. Средства и методы снижения энергоемкости процесса дробления.

Выводы.

3. Экспериментальное определение энергетической характеристики свойства дробимости горных пород.,.

3.1. Методика экспериментальных исследований.

3.2. Обработка экспериментальных данных.

3.3. Вывод зависимостей для определения энергетических характеристик горных пород.

Выводы.

4. Разработка комплексной модели конусной дробилки.

4.1. Составление математического описания рабочего процесса

4.2. Разработка методики определения параметров рабочего процесса.

4.3. Взаимосвязи конструктивных и режимных параметров с характеристиками перерабатываемого материала.

Выводы.

5. Обоснование параметров энергосберегающих конструкций конусных дробилок.

5.1. Обоснование критериев выбора параметров энергосберегающих конструкций дробилок.

5.2. Обоснование рациональных конструктивных параметров дробилки, обеспечивающих снижение энергозатрат на дробление.

5.3. Рекомендации по повышению эффективности эксплуатации конусных дробилок.

Выводы.

Актуальность работы. Процессы дезинтеграции (дробления и измельчения) минерального сырья являются наиболее распространенными и к тому же энергоемкими технологическими процессами, потребляющими около 20 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии.

Повышенные энергозатраты при дроблении горных пород конусными дробилками обусловливаются, с одной стороны, большим сопротивлением пород разрушающим сжимающим нагрузкам и, с другой стороны, резким возрастанием усилий дробления в режиме прессования горной массы, что характерно для дробилок мелкого и тонкого дробления при сравнительно больших (по отношению к размерам кусков) деформациях.

По ряду причин объективного и субъективного порядка проблема энергосбережения при дроблении горных пород приобретает все большую значимость.

Во-первых, в настоящее время в горнодобывающей промышленности наблюдается устойчивая негативная тенденция - увеличение объемов переработки скальных труднодробимых руд с низким содержанием ценных компонентов.

Известно, что переработка крепких горных пород приводит к росту нагруженности дробильного оборудования и энергозатрат на дробление.

Во-вторых, современная практика рудоподготовки характеризуется использованием высокопроизводительного дробильного оборудования большой единичной мощности, интенсификацией процессов дробления за счет роста энерговооруженности оборудования и переходом на форсированные режимы работы (с большей относительной деформацией материала, дробление способом «кусок о кусок»).

Кроме того, затраты на рудоподготовку в целом существенно возрастают ввиду перманентного увеличения стоимости энергоносителей.

Поэтому повышение рентабельности процессов дезинтеграции связано, прежде всего, со сведением к минимуму затрат материальных и, главным образом, энергетических ресурсов.

Таким образом, требования повышения эффективности технологических процессов и создания конкурентоспособных эффективных производств определяют необходимость разработки дробильно-размольного оборудования нового поколения, обеспечивающего резкое (в 2.3 раза и более) снижение затрат на рудоподготовку.

Целью работы является повышение эффективности функционирования конусных дробилок на основе установления рационального уровня взаимосвязей между характеристиками питания и параметрами оборудования.

Идея работы состоит в том, что при прочих равных условиях за счет управления рабочим процессом обеспечивается режим работы, при котором энергоемкость дробления достигает наименьшего значения.

Научные положения, выносимые на защиту.

При дроблении кусков горных пород в конусных дробилках режим работы оборудования и энергозатраты на дробление зависят от случайных операций подачи, распределения по камере дробления и уплотнения перерабатываемого материала, что затрудняет управление рабочим процессом и приводит к снижению эффективности использования оборудования.

Согласование конструктивных и режимных параметров конусных дробилок с учетом грансостава и характера подачи питания на основе принципов универсальности и гибкости обеспечивает стабилизацию технологических показателей оборудования.

Выбор параметров камеры дробления на основе комплексной характеристики свойства дробимости горных пород (гранулометрической и энергетической) позволяет реализовать рациональную степень разрушающего воздействия на материал с наименьшими энергозатратами при заданном качестве продукта.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: адекватностью имитационной модели дробилки и рабочего процесса, проверенной результатами экспериментальных и опытно-промышленных исследований; сходимостью результатов расчета с данными эксплуатации (расхождение не превышает 7 %).

Научная новизна заключается: в выявлении основных факторов, определяющих режим работы конусной дробилки и уровень энергозатрат на дробление, а также изучении ранее неизвестного фактора - «удар трением», заключающегося в суммарном действии усилий дробления и трения и обусловленного сложным характером движения подвижного конуса; в разработке комплексной имитационной модели конусной дробилки, обеспечивающей проведение многовариантных расчетов параметров дробилки; в обосновании рациональных значений конструктивных и режимных параметров дробилки, обеспечивающих снижение энергоемкостей дробления.

Научное значение работы определяется установлением закономерностей формирования основных технических и технологических показателей конусных дробилок; разработкой метода проектирования камеры дробления с учетом гранулометрической и энергетической характеристик свойства дро-бимости горной породы.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается: в разработке инженерной методики выбора рациональных конструктивных и режимных параметров энергосберегающих конструкций конусных дробилок; в разработке рекомендаций и комплекса мероприятий по совершенствованию конструкций дробилок, повышению технического уровня эксплуатации конусных дробилок и адаптации оборудования к изменяющимся условиям эксплуатации, прежде всего к изменению грансостава питания.

Результаты исследований внедрены на ОАО «НИИпроектасбест» с экономическим эффектом 650 тыс. руб. и реализованы в проекте камеры дробления дробилки КМД-2200Т.

Разработаны на уровне изобретений технические предложения по конусным дробилкам (а. с. №№ 613803, 651839, 671837, 845836, 884713, 925382, 963547, 1121034, 1121035, 1584993, 1592032, 1592034, 1719055).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее разделы с 1985г по 2004г докладывались и обсуждались на научно-технических советах отделения главного конструктора горнорудного и доменного машиностроения НИИтяжмаша ПО Уралмаш, ПО Апатит (1987), Костомукшского ГОКа (1985-89), ГОКа Эрдэнэт (Монголия, 1985), на научно-технических и практических конференциях различного уровня.

Публикации.

Основные научные результаты опубликованы в 22 печатных работах, в том числе в 13 авторских свидетельствах на изобретения.

Вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоял в формировании основной идеи /118. 120/, выборе метода исследований /121, 123/, анализе полученных результатов и подготовке на их основе рекомендаций /124/.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 141 наименований и 3 приложений; содержит 175 страниц машинописного текста, 31 рисунок, 24 таблицы.

1. Установлено, что применение конусных гирационных дробилок мелкого дробления связано с большими энергозатратами на дробление ввиду стохастического характера рабочего процесса и сложностью согласования физико-механических свойств дробимого материала и характеристик пита ния с параметрами оборудования.2. Показано, что повышение эффективности функционирования обо рудования обеспечивается за счет обоснования конструктивных и режимных параметров оборудования с зд1етом гранулометрической и энергетической характеристик свойства дробимости перерабатываемого материала.3. В результате экспериментальных исследований по разрушению сжатием одноразмерных кусков горных пород при различной относительной деформации установлены зависимости энергозатрат от характерного размера кусков (толщины) и относительной деформации.4. Выявлены взаимосвязи конструктивных и режимных параметров дробилки типа КМД с характеристиками питания на основе анализа имита ционной модели рабочего процесса и определены основные параметры, обу словливаюпще технологические показатели рабочего процесса: параметры камеры дробления (крутизна камеры дробления, высота камеры и др.); >^ угол нутации; частота качании конуса.5. Разработана методика выбора рациональных конструктивных и ре жимных параметров дробилки, обеспечивающих снижение энергозатрат на дробление при заданных производительности дробилки и степени дробления перерабатываемого материала.6. Определены области рациональных значений параметров дробилки для конкретных условий эксплуатации (труднодробимые породы, мелкое пи тание и др.).7. Сформулированы технические требования к энергосберегающим конструкциям конусных дробилок мелкого дробления.8. Экономическая эффективность при применении энергосберегаю щей конструкции конусной дробилки мелкого дробления составит 650 тыс.руб. в год.

1. Аккерман Ю.Э., Зверева Т.В., Казенков М.Н. Зависимость между показателями дробления и индексом работы. - Бюлл. Обогащение руд, 1967. -№6.

2. Аккерман Ю.Э., Костин И.М. К вопросу определения дробимости руд. В кн. Исследования по рудоподготовке, обогащению и комплексному использованию руд цветных и редких металлов. — Л.: Механобр, 1978. - 9-14.

3. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич Л.М., Шеховцев Б.А. Теория подобия и размерностей. М.: Моделирование, 1968. - 208 с.

4. Андреев Е., Зверевич В.В., Перов В.А. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. - Изд. 2-е. - М.: Недра, 1966. - 395 с.

5. Афанасьев М.М., Зарогатский Л.П., Нагаев Р.Ф. Динамика рабочего органа конусной дробилки. - М.: Машиноведение, 1976. - № 6. - 8-14.

6. Бабенков И.С., Рыжиков Р.К. Некоторые вопросы теории дробления и разрушения горных пород / Тр. Университета дружбы народов им. П. Лумумбы. Строительные и горные машины.- Т. XXVII.- Вып. 5.- Машиностроение, 1976.-С. 128-132.

7. Бабенков И.С., Егоров М.В., Хлебников Г.Д. Энергоемкость процесса разрушения горных пород при дроблении / Тр. Университета дружбы народов им. П. Лумумбы. Строительные и горные машины.- Т. XXVII.- Вып. 5.- Машиностроение, 1976, - 63-70,

8. Барзуков О.П., Иванов Н.А., Кацман Я.М. Уточненный метод расчета перемещения материала в камере дробления конусных дробилок // Обогащение руд, 1983. - № 4.- 3-6.

9. Барон Л.И. Горно-технологическое породоведение. Предмет и способы исследования. - М.: Недра, 1977.- 324 с. > / следования процесса разрушения горных пород ударом. - М.: Изд. АН СССР, 1962.- 320 с.

10. Л.И. Барон и др. Дробимость горных пород. - М,: Изд. АН СССР. -1963.-160 с.

11. Беренов Д.И. Дробильное оборудование обогатительных и дробильных фабрик.- Свердловск: Металлургиздат, 1958. - 285 с.

12. Блехман И.И., Иванов Н.А. Движение материала в камере дробления конусных дробилок как процесс вибрационного перемещения // Обогащение руд. - 1977. - № 2. - 35-41.

13. Блехман И.И., Иванов Н.А. О пропускной способности и профилировании камеры дробления конусных дробилок // Обогащение руд. - 1979. -№1.-0.24-31.

14. Большев Л.Н,, Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: Наука, 1983. - 132 с.

15. Бочаров П.П., Печинкин А.В. Математическая статистика: Учебное пособие. - М.: Изд. РУДН, 1994. - 164 с.

16. Быков В.И., Пинчук А.В,, Зверховский Я.Я. Эксплуатация и ремонт оборудования дробильных фабрик. - М.: Недра, 1986.

17. Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П. Новое оборудование для дробления и измельчения материалов // Горный журнал. - № 3. - 2000. - 49-50.

18. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). - М.: Высшая школа, 1976 . - 476 с.

19. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1964, - 572 с.

20. Вибрационная дезинтеграция твердых материалов / Ревнивцев В.И., Денисов Г.А., Зарогатский Л.П., Туркин В.Я. - М.: Недра, 1992. - 430 с. • ' < / f