автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование режимов работы и разработка конструкции роторно-вибрационной мельницы

На правах рукописи

БАЙМАТОВ КАЗБЕК КОНСТАНТИНОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАЬигЫ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РОТОРНО-ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЫ

Специальность 05.05.0<5.-"Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ 2011

1 6 июн 2011

4850340

Работа выполнена в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) на кафедре "Технологические машины и оборудование"

Научный руководитель: доктор технических наук МАКСИМОВ РУСЛАН НИКОЛАЕВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЧИЧЕНЁВ НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ доктор технических наук, профессор КЛЫКОВ ЮРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ

Ведущая организация: Научно-производственный комплекс "ЮГЦВЕТМЕТАВТОМАТИКА" (г. Владикавказ).

Защита состоится 1 июля 2011 г. в 13 часов на заседании специализированного совета в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) по адресу: 362021 PCO-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, факс 8(8672) 40-72-03, E-mail: info@skgmi-atij.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 31 мая 2011 г.

■Ученый секретарь совета,

доктор технических наук, профессор ¿уу' Гегелашвили М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изменение характера рудной базы - снижение содержания металлов и уменьшение вкрапленности извлекаемых минералов - обуславливает увеличение удельного веса затрат на рудоподготовку и особенно на завершающую ее стадию - измельчение. Кроме того, процессы рудоподготовки характеризуются значительными энергетическими затратами - примерно 40-65 % от общего расхода электроэнергии. Кардинальное сокращение этих затрат возможно только при создании принципиально новых способов дезинтеграции руд и разработке на их основе соответствующего оборудования.

Одним из направлений развития дробильно-измельчительного оборудования является разработка машин с применением вибраций. Особое место в этом ряду принадлежит машинам, созданным в институте «Механобр». Опыт промышленной эксплуатации этих машин подтвердил их преимущества перед традиционными дробилками - высокое качество получаемого зерна и меньшие энергозатраты отнесенные к единице вновь образованной поверхности. Однако максимальная крупность готового продукта этого класса дробилок составляет десятки миллиметров и слишком велика для последующего обогащения. Существующие вибрационные мельницы, как правило, не могут сразу принимать разгрузку вибрационных дробилок, т.к. крупность их питания привязана к размерам рабочих объемов, а увеличение последних приводит к ухудшению удельных показателей из-за несовершенства процесса своевременной разгрузки продуктов размола.

Решение этой проблемы видится в соединении роторной и вибрационной технологий. Это позволит создать машину большой пропускной способности и сохранить преимущества, получаемые за счет воздействия вибраций на измельчаемое минеральное сырьё.

Цель работы. Обоснование режимов работы и разработка конструкции ро-торно-вибрационной мельницы для измельчения минерального сырья.

Идея работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование режимов работы роторно-вибрационной мельницы, определение энергетических, технологических и конструктивных параметров мельницы нового типа.

Методика исследований и аппаратура. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников, теоретические исследования с использованием теории вибрации, лабораторные эксперименты, методы планирования экспериментов, статистические методы исследований с обработкой результатов на ЭВМ.

Научные положения

1. Скоростные режимы движения измельчаемого материала в роторно-вибрационной мельнице определяются соотношением силового взаимодействия действующего на частицу твердого материала и влияют на пропускную способность в зависимости от типоразмера установки, величины измельчаемого материала.

2. Теоретически и экспериментально доказано, что для роторно-вибрационной мельницы зависимости мощности электромагнитных вибраторов от ампли-

туды и частоты вибрационного воздействия, размеров и прочностных свойств измельчаемого материала носят монотонный возрастающий характер и могут быть аппроксимированы семейством прямых.

3. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что величина момента на валу роторно-вибрационной мельницы зависит от типоразмера, скоростного режима, коэффициента внутреннего трения материала, прочности частиц разрушаемых в зонах измельчения и носит монотонный возрастающий характер.

4. Пропускная способность по питанию роторно-вибрационной мельницы определяется параметрами вибрационного воздействия и для промышленных условий в пределах варьирования основных факторов снижается по мере увеличения крупности питания и угла наклона образующей верхнего конуса и возрастает с увеличением частоты вращения ротора.

5. Для промышленных условий наиболее целесообразной является применение двухстадиальной мельницы, поскольку наибольшее влияние на пропускную способность машины оказывает крупность исходного питания.

Научная новизна

Для роторно-вибрационной мельницы впервые установлено:

1. Теоретические и экспериментальные зависимости скорости движения измельчаемого материала в роторно-вибрационной мельнице учитывают влияние на пропускную способность геометрических параметров зоны измельчения; составлены и решены дифференциальные уравнения движения измельчаемого материала; получены точные аналитические выражения для определения скорости частиц.

2. Теоретические и экспериментальные зависимости мощности дебалансного вибратора учитывают влияние частоты вращения ротора, свойства и характеристику измельчаемого материала.

3. Теоретические и экспериментальные зависимости мощности потребляемой главным приводом роторно-вибрационной мельницы учитывают влияние амплитуды и частоты вращения чаши ротора.

4. Теоретические и экспериментальные зависимости амплитуды и частоты движения ротора учитывают влияние на производительность угла наклона внутренней образующей конуса чаши, номинальной крупности кусков материала.

Научное значение работы

1. Теоретический анализ процесса измельчения в роторно-вибрационной мельнице позволяет определить среднюю радиальную скорость выхода частицы из рабочей зоны.

2. Полученные зависимости мощности электромагнитных вибраторов позволили установить чаши на упругих элементах, получающих гармонические колебания от электромагнитных вибраторов в противофазе.

3. Полученные зависимости мощности главного привода позволили предложить научно обоснованное решение по технологическим параметрам работы роторно-вибрационной мельницы.

4. Полученные зависимости вибрационного воздействия позволили предложить научно обоснованное решение по конструкции роторно-вибрационной мельницы имеющей две зоны измельчения.

Практическое значение работы

Диссертация содержит теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение работоспособности для измельчения сырья. Разработанная и апробированная в промышленных условиях роторно-вибрационная мельница показала высокую эффективность работы при большей производительности в сочетании с малыми затратами энергии на ведение процесса, что указывает на практическую ценность выполненной работы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается хорошей сходимостью экспериментальных и расчетных значений. Расхождения составляют от 5 до 12%.

Реализация выводов и рекомендаций. Основные рекомендации по проектированию промышленного образца роторно-вибрационной мельницы, методика определения характера движения материала в полости ротора мельницы, приняты в 2011 г. к использованию ОАО «Кавказцветметпроект» при разработке новой технологической линии размола сырьевых материалов для получения порошковых продуктов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на:

-научных симпозиумах "Неделя горняка - 2007, 2009" (г. Москва);

-II Международной Научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" Политехнический университет в 2006 г., (г. Санкт-Петербург);

-VI Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) в 2007 г., (г. Владикавказ);

-III Всероссийской Научно-практической конференции посвященной 100-летию акад. Агошкова М.И. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) в 2005-20 Югг., (г. Владикавказ);

-ежегодных научно - технических конференциях Северо-Кавказского горнометаллургического института (государственного технологического университета), в период с 2005 по 2010 г., (г. Владикавказ).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 научных работ, отражающих основное содержание диссертации, получен патент Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 104 наименований; содержит 103 страниц машинописного текста, 4 таблицы,24 рисунка и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ РУД И ПУТИ РАЗВИТИЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Под измельчением понимается последовательный ряд операций, имеющих целью уменьшить размеры кусков твердого материала, от начальных до конечных, необходимых для промышленного использования продукта измельчения.

В силу того, что в промышленности наибольшее практическое значение имеет размер частиц измельченного материала, становится очевидной целесообразность такой классификации дробильно-помольных машин, в основу которой положены размеры исходного и конечного продуктов.

Вибрационная техника, была предметом пристального внимания ведущих специалистов. Особое развитие вибрационная тема получила благодаря трудам профессора И.И. Блехмана, им предложен новый подход, позволяющий с единых позиций и достаточно просто изучать и рассчитывать многочисленные эффекты и процессы, происходящие с механическими системами, сыпучими материалами и жидкостями под воздействием вибрации. Этот единый методологический подход назван вибрационной механикой и базируется на классической идее о разделении процессов по скорости их протекания и идее осреднения.

Большой вклад в развитие вибрационных технологий внесли такие известные ученые, как А.О. Спиваковский, И.Ф. Гончаревич. Фундаментальный вклад в теорию вибрационной техники внесен также академиком РАН К.В. Фроловым. Значительный вклад в разработку теории новых вибрационных машин внесли К.А. Рундквист и И.И. Блехман. Их исследования позволили определить подходы к расчету основных узлов этого энергонапряженного оборудования, работающего в условиях непрерывно действующих вибраций и знакопеременных пульсирующих нагрузок.

Создание типоразмерного ряда инерционных дробилок промышленных образцов оказалось возможным только после проведения весьма значительного объема многолетних теоретических, экспериментальных и опытных работ, направленных на совершенствование их конструктивных параметров и уточнение технологических режимов применительно к различным видам перерабатываемых материалов и вторичного сырья.

Потребовалось решение таких непростых проблем, как повышение прочности и надежности узлов и деталей дробилок, разработка новых принципов рационального профилирования камер дробления, исследование вопросов динамического уравновешивания дробилок, оптимизация динамических параметров инерционных дробилок и т.д.

В решение всех этих проблем большой вклад внесли сотрудники НПК "Меха-нобр-техника" H.A. Иванов, Б.Г. Иванов, А.Н. Сафронов, В.А. Черкасский и Г.А. Финкельштейн. Многие фундаментальные расчетно-теоретические и экспериментальные вопросы были успешно решены Б.П. Лавровым и Р.Ф. Нагаевым. Активно и результативно участвовали в создании новых вибрационных машин О.П. Барзуков, Я.М. Кацман, Л.Г. Титова, К.С. Якимова, М.М. Афанасьев, В.А.

Макаров. Большой вклад в развитии работ по созданию вибрационных дробилок внес член-корреспондент АН СССР В.И. Ревнивцев.

Многообразие измельчаемых материалов по их свойствам и преследуемым промышленным целям этого процесса приводит к большому количеству различных конструкций дробильно-помольных машин и установок

Анализ конструктивных решений по дробильно-размольиому оборудованию, особенно работающего с применением вибрации, показывает на возможность широкого применения этой техники на горно-металлургических предприятиях и создания новых конструкций этих машин.

2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ЗОНЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ Возможность перемещения твердых частиц в зоне измельчения в условиях вибрации при действии со стороны чаши прямолинейных гармонических колебаний и вращательном движении ротора в горизонтальной плоскости рассматриваются (рис. 1) при следующих допущениях:

а) рабочие поверхности являются жесткими, и все их точки перемещаются синхронно;

б) твердая частица разрушаемого материала приравнивается к материальной точке и ей придаются все свойства твердого материала.

У

. Рис. 1.

Схема сил действующих на твердую частицу в зоне измельчения роторно-вибрационной мельницы:

й - сила тяжести; Р - давление на частицу (за счет вибрационного воздействия); Т] - сила трения частицы о

вибрирующую чащу; Т - сила трения о диск ротора; Я, - реакция силы Р (вертикальная составляющая); 112 - реакция силы Е (периодическая составляющая); Р2 - сила стремящаяся выдавить частицу из зоны измельчения; С - центробежная сила; Е - периодическая сила давления возникающая за счет гармонических колебаний; Б, и Е2 - проекции силы Б; Т3 - сила трения за счет силы Р2; Т4 - сила трения (периодическая); а - угол между образующей внутреннего конуса чаши и рабочей поверхностью ротора; (5 - угол между направлением прямолинейных гармонических колебаний и образующего внутреннего конуса чаши; Б - направ-

•(1)

ление прямолинейных гармонических колебаний; XOY - неподвижная система координат.

Уравнения движения материальной точки в координатных осях ХОУ можно представить следующим образом

С - Р2 - F, - Т - Т4 - T¡ sin cr - Т3 sin а + R¡ cos a + R2 cos or = 0]

R2 sin or + R{ sin or + 7¡ cos or + T3 cosa -G - Pt - F} = 0

Углы а и p в общем случае лежат в пределах

0<a<j и 0</?<! (2)

За положительные направления сил приняты направления, указанные стрелками на схеме.

Движение частиц в зоне измельчения можно описать дифференциальными уравнениями

m¡x i = -m2Aa)2 cos- sin ю/-mg-sina ~C-F mxy = -тгАсо2 sin/3-sincot - mg ■ cosa + N

(3)

где т! - масса частицы; хг - ускорение частицы; ш2 - масса вибрирующей

чаши; А - амплитуда колебаний чаши; о - частота колебаний чаши; ^ - ускорение свободного падения; I - время колебаний; С - центробежная сила; Б - общая сила трения; N - реакция от всех сил.

Поскольку на производительность роторно-вибрационной мельницы основное влияние оказывает количество материала перемещаемого в параллельной зоне (зазор между вращающимся ротором и вибрирующей чашей), то и процессы движения твердой частицы и определение скорости ее движения будем рассматривать на выходе твердого материала из мельницы.

Рис. 2. Схема сил действующих на частицу в параллельной зоне:

1 - вибрирующая чаша; 2 - вращающийся ротор;

3 - частица твердого материала.

На рисунке 2обозначено: I - сила инерции; в - сила веса; Б - сила трения; С - центробежная сила; N - нормальная реакция; р - угол между направлением прямолинейных гармонических колебаний и рабочей поверхностью параллельной зо-

ны; S-S - направление колебательного движения; XOY - система координат, жестко связанная с ротором мельницы.

Дифференциальные уравнения движения твердой частицы, составленные с учетом действующих на нее сил, имеют вид

тх = -niAcú2 cos B-s'mcot+C - Fmn

р . (4)

т у = -тА со2 sin ■ sin cot - G + N В данном случае рассматриваем движение твердой частицы только по поверхности ротора, тогда у = 0 = const . Сила приграничного трения в этом случае

F]v = JN при х > 0 и FT = -JN при х < 0, где/- коэффициент приграничного трения.

Нормальная реакция N = N(í) может быть определена из второго уравнения

(3) при у = 0 (поскольку у = 0 = const )

N = +тАа>г sin/7-sinotf + G . (5)

С учетом этого первое уравнение из (4) примет вид

т х = -тЛа1 cos/?-sin аЯ + С ± f(+n?Aa1 sin ¡i ■ sin cot + G) (6)

Знак плюс перед/соответствует случаю х < 0, знак минус -случаю х > 0 . Преобразуем уравнение (6)

, С f ,

л: = -Асо cosр ■ sin cot + — ± — {+тАсо sin fi ■ sin at + G), (7) m m

обозначим:

С f

— = L и—{+mAco2 s\n0-smcot+ G) = M . (8)

m m

Тогда уравнение (7) примет вид:

х = Ай>2 cos fi-smcot+ L±M (9)

Знак перед М определяется относительной скоростью частицы слоя: при

х > 0 - плюс, при х < 0 - минус. Интегрирование уравнения (9) позволяет получить при начальных условиях

x(t') = 0 ; x(t') = х* формулы для скорости и перемещения частицы при ее дальнейшем двиясении:

x(t) = ±М (/ -1') - А со (cos cot - cos cot') + L(t -1') + x* (10)

x(t) = ±M———— Aco(t -1*)cos cot - /l(sin cot - sin cot*) + , 2 (H)

(t-ty

+ L--— + x (t-t ),

2

которые описывают движение частицы до момента его остановки. Момент остановки {t-t") определится, как ближайший к t и больший С корень уравнения

x(t") = ±M(t" -t') - А со (cos cot" - cos cot*) + L(t" -1') + x' = 0 (12) получающийся в результате приравнивания к нулю правой части выражения (10).

После остановки возможны:

1) мгновенно начинающееся скольжение при ( х > 0 ),

2) мгновенно начинающееся скольжение при (х < 0 ),

3) отсутствие скольжения (х = 0 ). После преобразований уравнения (12)

Данные о фазовых углах перехода к состояниям относительного покоя и скольжения позволяют рассчитывать относительные перемещения за время скольжения. В соответствии со сказанным выше будем иметь:

„о • с- Acot-cot2)2 . ..

Si = --—A(sin cot-sm cot ) +

± ± 2 (13)

+ A(cot-cot*) cos cot*

или

- A[- sin S+ (<P± ~3±)2 - (sin cp± - sin £) + * 2 . (14)

+ {<p± -8*±)cos8*±

Последнее выражение можно представить в виде:

S°±=2AF(S±,S¡), (15)

где

F{S±, Sl) = ^{-[f{6±, <0-<]sin¿± -2[sin f(S±, S'±)~ - sin S* ] + 2[f(5±, <5+) - £ ] eos };

F(d, ó) - функция, конкретные значения которой для любых практически возможных S±,S*± могут быть определены по опубликованным графикам. Перемещение элемента слоя за один этап определяется так:

s° = |s?|-|s_°|, (16)

а средняя скорость перемещения

V ,м/мин. (17)

я

О.П"' 0.1

~ Via №

Рис. 3. Зависимость средней скорости движения частицы от амплитуды колебаний

При ш=315 с"1:

1 -п=250 об/мин, f=0,3; 2 - п=200 об/мин, f-0.02; 3-п= 150 об/мин, f=0,04; где n-частота вращения ротора, об/мин

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В РОТОРНО-ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЕ

На рисунке 4 показан схематический чертеж экспериментальной лабораторной установки роторно-вибравдонной мельницы . На опорной стойке рамы 1 установлены упругие элементы (пружины) 2, в количестве 8 штук, на которые выставлена рама 3, с жестко закрепленной к ней снизу вибрирующей чашей 9. На раме 3, сверху установлен шестеренный дебалансный вибратор, имеющий опорную раму 4, две зубчатые шестерни 7 с дебалансами 8, и привод в виде электродвигателя постоянного тока 6 (позволяющего изменять частоту колебаний) и клиноременной передачи 5. Под вибрирующей чашей 9, с определенным зазором установлен ротор 10, который

выставлен на вертикальном валу 12, в свою очередь установленном в подшипнике 12 и подпятнике 16 и получающим вращение от привода, состоящего из электродвигателя постоянного тока 15, и клиноременной передачи 14.

Работа экспериментальной лабораторной установки. Исходный твердый материал поступает по желобу и через отверстие в чаше 9 в зону измельчения расположенную между вибрирующей чашей и вращающимся ротором 10, где и измельчается до необходимого размера (определяется размером щели между чашей и ротором). После измельчения готовый продукт выходит наружу из мельницы по лотку 11.

Таблица 1.

Техническая характеристика экспериментальной лабораторной уста-

№ Параметр Значение

1. Диаметр ротора, мм 350

2. Количество зон измельчения, шт. 1

3. Вибратор:

Мощность, кВт 0,2

Количество, шт. 1

4. Двигатель вращения ротора:

Мощность, кВт 2

Количество, шт. 1

Частота вращения, об/мин 50-500

5. Габариты установки:

Высота, мм 920

Ширина, мм 750

Длина, мм 750

Регулируемые параметры при испытаниях:

- частота колебаний чаши (регулируется скоростью вращения электродвигателя постоянного тока вибратора);

-амплитуда колебаний чаши (регулируется массой дебалансов вибратора установленных на двух шестернях);

- частота вращения ротора (регулируется скоростью вращения электродвигателя постоянного тока);

- угол наклона образующей внутреннего конуса чаши к плоскости горизонта (регулируется заменой вибрирующих чаш с разными углами наклона образующей внутреннего конуса к плоскости горизонта).

Результаты ориентирующих экспериментов на лабораторной установке

Эксперимент проводился для того, чтобы получить зависимости характеризующие влияние на процесс измельчения и его результаты основных параметров режима вибрации чаши и частоты вращения ротора. В качестве исходного материала использовали - доломит, известняк и графитовую крошку.

Графики иллюстрирующие зависимость мощности главного привода от частоты вращения ротора и зависимости мощности вибратора от частоты колебаний вращения ротора показаны на рисунках 5-8.

10 20 30 40 У пи наклона внутренней образующей кон>сч! ч:шш, град

Рис. 5. Зависимость производительности от угла наклона внутренней образующей конуса чаши:

1 - п=150 об/мин;

2 - п=200 об/мин;

3 - п=250 об/мин.

Из графиков видно, что мощность, потребляемая главным приводом мельницы увеличивается в зависимости от числа обо-

ротов вала ротора от 50 до 300 об/мин, при постоянной рабочей частоте колебаний чаши 50 Гц а также мощность дебалансного вибратора чаши от частоты колебаний от 20 до 60 Гц при амплитуде колебаний от 0,5 до 1 мм.

Рис. 6. Зависимости мощности потребляемой главным приводом от частоты вращения ротора при частоте колебаний чаши 50 Гц:

1 - А=0,0005 м;

2-А=0,001 м.

50 1«» 15(1 20» 250

Част™ крашешт ротра, о<5/мш<

Рис. 7. Зависимость производительности мельницы от крупности исходного продукта при амплитуде колебаний 0,001 м:

1 - ш=25 Гц;

2 - со=50 Гц.

100

75

50

\ Л 0.00? м

N

4 ■"С"1

; • •

О 5 10 15 20

Нашша:1ьши» крупность ксманога ттшня, мч

Полученные результаты соответствуют ранее проведенным исследованиям различных авторов по определению мощности приводов вибрационных машин, показывающих, что эти зависимости практически линейны

Задачей является постановка эксперимента по плану для трех факторов, и получить уравнение регрессии. В качестве параметра оптимизации выбрана пропускная способность (производительность по исходному питанию) роторно-вибрационной мельницы.

На основании ориентирующих опытов при постановке экспериментов был принят центральный ротатабельный униформ план второго порядка, реализация которого позволяет при минимальном числе экспериментов получить наиболее информативное представление о поверхности отклика.

Ранее по результатам аналитического исследования было выявлено, что из факторов легко варьируемых в производственных условиях наибольшее влияние на параметр оптимизации (д) оказывают крупность исходного материала - (О),

угол наклона образующей внутреннего конуса - (а) и угловая скорость ротора -(со). Интервал варьирования факторов принимался, исходя из результатов ориентирующих опытов. В качестве измельчаемого материала применялся доломит Боснийского месторождения (РСО-Алания) влажностью 4%. Крепость по Про-тодьяконову - 8.

Таблица 2

Интервалы варьирования и кодировка факторов _

Точки факторного пространства Б,мм а, град ю, с'1

Основной уровень (х10) 10 8 24

Интервал варьирования (Дх^ 3 2 8

Верхний уровень +1 13 10 32

Нижний уровень-1 7 6 16

Звездная точка +а (+1,682) 15 11,4 37,5

Звездная точка -а (-1,682) 5 4,6 10,5

По результатам реализации матрицы планирования было получено уравнение регрессии примет вид

у= 45,524-24,39-х! - 19,247-х2+20,912 х3+2,113х, -х2--1,988 х,-х3-6,388 х2-х3 + 6,173 х,2 + 2,637 х22+ 4,37 х32 (18)

Это уравнение было подвергнуто каноническому анализу В итоге каноническая форма уравнения (19) имеет вид:

У+2,963= 7,962-Х!2+0,184Х22-+5,034-Х32 (19)

Поскольку коэффициенты канонического уравнения имеют одинаковые знаки, а новый центр находится за пределами интервалов варьирования, можно сделать вывод о том, что изучаемая поверхность отклика будет монотонно возрастающей. Наибольшее влияние на пропускную способность машины оказывает крупность исходного питания. В связи с этим считаем целесообразным создание двухстадиальной мельницы в одном агрегате, т.к. простое увеличение частоты вращения ротора неминуемо приведет к повышенному износу рабочих органов.

Эксперименты на специальной лабораторной установке с применением вибрационного воздействия для машин, предназначенных для измельчения твердых

материалов, показали возможность создания роторно-вибрационных машин для измельчения более эффективных, чем используемые в настоящее время в промышленности мельницы роторного типа.

4.ИССЛЕДОВАНИЕ И КОНСТРУКТИВНАЯ РАЗРАБОТКА РОТОРНО-

ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЫ

Конструктивная разработка схемы роторно-вибрационной мельницы

Эксплуатация традиционных промышленных установок для измельчения твердых материалов горно-металлургического производства, их неудовлетворительная работа, теоретические исследования, патентные исследования послужили основанием для разработки предлагаемого ниже полупромышленного агрегата для измельчения твердых материалов.

Назначение: разрушение твердых материалов горнометаллургического производства (измельчение) до размера фракций 0,05-1 мм.

Особенности: применение в конструкции мельницы двух камер разрушения с использованием для создания вибрации электромагнитных вибраторов, позволяющих сочетать при их работе как активную, так и реактивную составляющую колебательного движения.

Совмещение в одном устройстве операций дробления измельчения, с применением вибрации, значительно повышает эффективность процесса разрушения твердых материалов.

Работа роторно-вибрационной мельницы заключается в следующем.

Исходный материал, через загрузочную воронку 1 и кольцевое отверстие в вибрирующей чаше 2, поступает в верхнюю зону измельчения А, где на него действуют центробежная сила ротора 4 и периодическая сила удара вибрирующей чаши 2, создаваемая вибраторами 15. Измельченный в зоне А материал из разгрузочной щели 20, через конический кольцевой перегрузочный кожух 22, переходит в нижнюю зону измельчения Б, где происходит процесс доизмель-чения материала до размеров готового продукта. Затем, измельченный материал, выводится из разгрузочной щели 21.

Рис. 9. Схема роторно-вибрационной мельницы

Размеры разгрузочных щелей 20 и 21 регулируются поднятием и опусканием вибрирующих чаш 2 и 3. Причем, размер разгрузочной щели 20 больше размера разгрузочной щели 21.

Вибрирующая чаша 2 и ротор верхней зоны измельчения 4 снабжены твердосплавными ребрами 19 прямоугольного сечения радиально расположенными внутри по образующей конусов и роторов с равным шагом.

Таким образом, материал в зонах измельчения А и Б разрушается за счет ударного воздействия вибрирующих чаш, 2, 3, раскалыванием между вращающимися ребрами 19, раздавливанием и истиранием в межреберном пространстве, и нижней зоне измельчения Б.

Расчет производительности роторно-вибрационной мельницы

При определении производительности роторно-вибрационной мельницы, несмотря на большое количество влияющих на этот показатель факторов (прочность, крупность, влажность руды и т.д.), основополагающими будут конструктивные особенности машины и скорость выхода готового продукта из разгрузочной щели. Определив скорость движения частиц в разгрузочной щели мельницы (без учета возможного заклинивания и проскальзывания частиц) пропускная способность мельницы по готовому продукту любой зоны измельчения выразится формулой

д = 3600КяОУВур, т/ч (20)

где К - коэффициент неравномерности, учитывающий неравномерность выхода материала из кольцевого зазора; Б - диаметр ротора, м; В - переменная высота разгрузочной щели, м; V - скорость выхода готового продукта, м/с; у - плотность материала, т/м3; ср - поправочный коэффициент, учитывающий крупность исходного и конечного продукта, прочность руды, влажность и т.д.

Рис. 10. Изменение минимальной пропускной способности кольцевой щели опытно-промышленной роторно-

вибрационной мельницы при размоле доломита

Из механики известно, что коэффициент трения / = tg<p (ф - угол трения), тогда

tg~< tgcp или а < 2<р . Для нормальной работы мельницы угол захвата должен

быть равен двойному углу трения, или быть меньше его. При / = 0,3tgtp = 16°40'

, тогда а = 33°20'.

На практике угол а имеет несколько меньшее значение и его принимают равным 15-25°.

B = (h + A-smcot) (21)

16

где Ь - высота разгрузочной щели в статическом положении; А - амплитуда колебаний.

При работе мельницы всегда необходимо соблюдать условие Ь>А при несоблюдении этого условия чаша будет бить по ротору.

Расчет мощности главного двигателя привода ротора мельницы Затрачиваемая мощность главного двигателя роторно-вибрационной мельницы по формуле Л.Б. Левенсона, с учетом новой конструкции мельницы, в зоне разрушения А

М = \2Ет]~ ср ~ Вт' (22)

где к„р - коэффициент пропорциональности, учитывающий изменение прочности материала с изменением размера кусков, 1^=0,5-1; Ь - поправочный коэффициент, учитывающий, размер камеры измельчения и размер исходных кусков материала Ь=0,8; стсж - предел гфочности разрушаемого материала на сжатие, Н/м2; Ь - длина камеры при входе материала в зону разрушения (длина окружности камеры), м; п - число оборотов вала, об/с; Е - модуль упругости разрушаемого материала, Н/м2, Оср - средний размер исходного куска, м; с!ср -средний размер конечного продукта, м; г| - к.п.д. привода. Аналогично, потребляемая мощность главного электродвигателя в зоне разрушения Б, рассчитывалась с учетом свойств и размеров разрушаемого материала характерных для этой зоны. Общая мощность электродвигателя

(23)

V

Где:М|-мощность необходимая для разрушения материала в зоне А, Вт; N2- мощность необходимая для разрушения материала в зоне Б, Вт; г) -коэффициент полезного действия привода, =085 ^.-коэффициент пускового момента, X =1,2

Рис. 11. Изменение мощности на валу опытно-промышленной роторно-

вибрационной мельницы

Расчет мощности электромагнитных вибраторов роторно-вибрационной мельницы

Роторно-вибрационная мельница (без вращающихся роторов) представляет собой двухмассовую колебательную систему (рисунок 12), колеблющуюся в противофазе.

мельницы:

1 - статоры электромагнитных вибраторов;

2 - якоря электромагнитных вибраторов;

3 - штанги.

На схеме обозначено:

Ш1- масса, включающая чашу верхней зоны дробления, якоря электромагнитных вибраторов и соединительные элементы; т2- масса, включающая чашу нижней зоны дробления и статоры электромагнитных вибраторов; К! -внешние, упругие связи (опорные пружины); К2 - внутренние, упругие связи (пружины электромагнитных вибраторов); С! - коэффициент внешних сопротивлений, обусловленный взаимодействием чаш с измельчаемым материалом; Хь Х2- величины перемещения масс, отсчитываемые от нейтральных положений.

Если пренебречь влиянием внешних, упругих связей К|, сопротивлением воздуха для каждой из масс, а также внутренними силами сопротивлений (потери на гистерезис) в упругих связях К2, то исследование свободной двух массовой вибрационной системы можно свести к исследованию движения одной из масс этой системы относительно второй массы согласно уравнению

Х + + = — ътсо! (24)

т т т

где X - перемещение одной из масс системы относительно другой; ш -приведенная масса системы; с - приведенный коэффициент внешних сопротивлений; со - частота вынужденных колебаний; Р0 - амплитуда возмущающей силы; К- суммарная жесткость упругих элементов.

При этом относительное перемещение колеблющихся масс определится уравнением

х =

РЛ

-sin cot

тсоп

(25)

где 1 - коэффициент динамичности; со0- частота собственных колебаний; ф- сдвиг фаз при установившемся движении между относительным перемещением и возмущающей силой.

Определив величины X, Woe, m и зная величину перемещения масс (амплитуда колебаний) из формулы (23) найдем величину возмущающего усилия Р0.

Потребляемую мощность электромагнитных вибраторов молено определить по уравнению (24):

N=

y-Z2-P,\2

■,кВт

(26)

0.9

о,7;

Л 0.6

0.45

0.1J

где: V- коэффициент демпфирования; Ъ- коэффициент расстройки

(отношение ш /щ).

Для экспериментальной лабораторной установки получены зависимости (рис. 13), показывающие, что с увеличением частоты колебаний затрачиваемая мощность электромагнитных вибраторов увеличивается практически линейно.

/

Рис. 13. Зависимость мощности электромагнитных вибраторов от частоты колебаний при амплитуде 0.5 мм и 1 мм

i® 40 *>

Чзс. Tvij кля г-бплзй, Гц

Конструкция опытно-

промышленной роторно-вибрационной мельницы

Мельница предназначена для измельчения доломита в условиях карьера

Запроектированная мельница (рис. 14) состоит из опорной конструкции 1, выполненной из швеллера № 14, в средней и верхней части которой выставлены нижний и верхний ряд пружин 2, поддерживающих вибрирующие рамы 4 и 7, причем пружины зафиксированы жесткими штоками 3, установленными при помощи гаек на раме I. На вибрирующей раме 4 установлены два электромагнитных вибратора 5, причем статоры вибраторов закреплены болтами к раме 4, а якоря вибраторов связаны при помощи стоек 6 с вибрирующей рамой 7. Подобная конструкция позволяет при включении вибраторов 5 колебаться вибрирующим рамам 4 и 7 в противофазе, используя как активную, так реактивную составляющую колебательного движения. В центре мельницы на специальной конструкции, выполненной из швеллера № 12 установленной и закрепленной к несущей раме 1, установлен кожух мельницы и опорная часть 10 для поддержания верхнего подшипникового узла 11.

К несущей раме 1 в верхней её части установлен асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором 16, осуществляющим передачу крутящего момента через клиноременную передачу 13 и ведомый шкив 12 на вертикальный вал 22.

к П И

Рис. 14. Конструкция опытно-промышленной

роторно-вибрационной мельницы.

Для

осуществления процесса разрушения твердых сыпучих материалов мельница имеет две зоны измельчения А и Б (рис 14), состоящих из вибрирующих в противофазе чаш с внутренними коническими полостями 14 и 18, которые жестко, при помощи болтов связаны с вибрирующими рамами 4 и 6. Эти чаши совершают прямолинейные гармонические колебания в вертикальной плоскости. Для осуществления процесса разрушения материала к вертикальному приводному валу 22 жестко закреплены роторы 15 и 20 выполненные в виде дисков, образующие зоны измельчения. Рабочие поверхности футерованы плитами из марганцовистой стали, с болтовым креплением иод потай. Приводной вертикальные вал, кроме верхней опорной части 10 и подшипникового узла 11, имеет нижнюю опору 23, крепящейся к раме 1, с помощью специальных горизонтальных ребер. Рама 1 установлена на виброопорах 24.

Для пересыпания разрушаемого сыпучего материала из зоны А в зону Б имеется неподвижная коническая течка 12 и разгрузочная течка 21, жестко закрепленные с кожухом 8 болтами.

При пуске в работу и остановке мельницы, необходимо отсутствие измельчаемого сыпучего материала в зонах измельчения.

Таблица 3.

Техническая характеристика промышленной установки роторно-__вибрационной мельницы_

№ Параметр Значение

1. Диаметр ротора, мм 1000

2. Количество: зон измельчения, шт. 2

3. Вибратор:

Тип С-920

Мощность, кВт 0,5

4. Количество, шт 2

Двигатель вращения ротора:

Тип 4А132М2УЗ

Мощность, кВт 11

Количество, шт 1

5 Число оборотов, об/мин 750

Габариты установки:

Высота, мм 2150

Ширина, мм 1650

Длина, мм 1750

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основе результатов проведенных исследований изложены научно обоснованные технические решения по созданию конструкции и обоснованию параметров роторно-вибрационной мельницы. Реализация результатов исследований вносит значительный вклад в совершенствование процессов измельчения минерального сырья.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Теоретический анализ процесса измельчения в роторно-вибрационной мельнице на основе силового взаимодействия позволяет определить среднюю радиальную скорость движения твердой частицы в зоне измельчения.

2. Полученные результаты при расчетно-теоретическом исследовании процесса измельчения твердых материалов при действии линейных гармонических колебаний в вертикальной плоскости показывают, что при увеличении частоты с 25 до 50 Гц и амплитуды колебаний с 0,1 до 1,5 мм средняя скорость перемещения частицы увеличивается.

3. Экспериментальное исследование процессов измельчения на лабораторной установке диаметром ротора 350 мм показало следующее:

- с увеличением числа оборотов ротора с 50 до 300 об/мин потребляемая мощность двигателя ротора увеличивается практически линейно при постоянной амплитуде и частоте колебаний чаши;

- при увеличении частоты колебаний чаши мельницы с 20 до 60 Гц и амплитуды колебаний с 0,005 до 0,001 м мощность потребляемая электродвигателем дебалансного вибратора увеличивается линейно;

- при увеличении угла наклона внутренней образующей конуса чаши к плоскости горизонта с 10 до 40 градусов и частоте колебаний чаши 50 Гц и амплитуде 0,001 м производительность по готовому продукту уменьшается;

- при увеличении номинальной крупности кусков материала в исходном питании мельницы с 3 до 20 мм при частоте колебаний от 25 до 50 Гц и амплитуде 0,0001 м производительность по готовому продукту уменьшается.

4. Установлено, что мощность электромагнитных вибраторов зависит от частоты и амплитуды колебательного движения, при увеличении частоты и амплитуды колебаний потребляемая мощность увеличивается практически линейно.

5. Анализ возможных конструктивных решений для роторно-вибрационной мельницы показывает на целесообразность окончательного варианта, имеющего две зоны измельчения (верхнюю и нижнюю) с двумя роторами, посаженными на один вал с приводом от электродвигателя и двумя чашами, установленными на упругих элементах, пружинах, получающих гармоничные, прямолинейные колебания в вертикальной плоскости от электромагнитных вибраторов в противо-фазе. При этом статоры вибраторов жестко связаны с нижней чашей, а якоря с верхней.

6. Основные рекомендации по проектированию промышленного образца роторно-вибрационной мельницы, методика определения характера движения материала в полости ротора мельницы, приняты в 2011 г. к использованию ОАО «Кавказцветметпроект» при разработке новой технологической линии размола сырьевых материалов для приготовления доломитовых порошков.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах автора: Публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ

1. Максимов Н.П., Байматов К.К. Теоретические основы проектирования роторно-вибрационной мельницы // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2007. № 5. С. 341.

2. Максимов Н.П., Максимов Р.Н., Байматов К.К. Экспериментальные исследования роторно-вибрационной мельницы // Горный информационно-аналитический бюллетень М.: МГГУ, 2009 № 6 С. 112.

3. Пат. № 230111 (Российская Федерация). Роторно-вибрационная мельница / Максимов Н.П., Байматов К.К. Бюллетень №17 20.06.2007

4. Максимов Н.П., Байматов К.К. Основы расчета мощности электромагнитных вибраторов роторно-вибрационной мельницы // Изв. вузов. Цветная металлургия, М.: МИСиС, 2006. № 4. С. 15.

Другие центральные издания

5. Максимов Н.П., Байматов К.К. Повышение эффективности процессов измельчения твердых материалов с применением роторно-вибрационной техники. Сборник трудов II Международной Научно-практической конференции «Ис-

следование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» С-Петербург. Изд-во Политехшгческого университета. 2006. С. 206.

6. Максимов Н.П., Максимов Р.Н., Байматов К.К. Роторно-вибрационная мельница. Научный вестник Норильского индустриального ин-С"итута № 3. 2008. С. 71.

Прочие издания

7. Максимов Н.П., Ба£оиатов К.К. Разработка конструкции роторно-вибрационной мельницы. Материалы III Всероссийской Научно-практической конференции посвященной 100-летию акад. Агошкова М.И. Владикавказ. 2005. Изд-во «Мавр» С. 124.

8. Максимов Н.П., Стрельцов A.A., Байматов К.К. Силовое взаимодействие в зоне измельчения роторно-вибрационной мельницы. Академия наук Высшей школы РФ Северо-Осегинсткое отделение Сборник научных трудов № 2. Владикавказ 2005. С. 26.

9. Максимов Н.П., Максимов Р.Н., Байматов К.К. Применение роторно -вибрационной техники в процессах разрушения твердых материалов. Материалы VI Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» Владикавказ. 2007. Изд-во «Терек». С. 684.

10. Максимов Р.Н., Байматов К.К., Кантемирова C.B. Применение цен-тробежно-вибрационного оборудования для переработки мелкозернистых материалов. Труды СКГМИ (ГТУ) 15. Владикавказ, 2008. - С. 154-156.

Подписано к печати ¡0, 0'6~ 2011. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ Ш/33, Отпечатано в подразделении оперативной

полиграфии СКГМИ (ГТУ) 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ РУД И ПУТИ РАЗВИТИЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.

1.1. Технологическое назначение, разновидности и сущность процессов измельчения.

1.2. Пути интенсификации процесса измельчения и некоторые разновидности новых измельчителей.

1.3. Основные разновидности вибрационных дробильно-измельчительных машин и их сравнительная характеристика.

1.4. Дробильно оборудование.

1.5. Вибрационные мельницы.

1.6. Задачи исследования.

2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ЗОНЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ.

2.1. Задачи исследования.

2.2. Силовое взаимодействие в зоне измельчения и определение скорости движения измельчаемого материала.

Выводы:.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В РОТОРНО-ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЕ.

3.1 Задачи исследования.

3.2. Лабораторная экспериментальная установка и приборы.

3.3 Исследование процессов измельчения при различных частотах и амплитудах.

3.3 План и результаты ориентирующих экспериментов на лабораторной установке.

Выводы:.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ И КОНСТРУКТИВНАЯ РАЗРАБОТКА РОТОРНО

ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЫ.

4 Л Задачи исследования.

4.2. Конструктивная разработка схемы роторно-вибрационной мельницы

4.3. Расчет производительности.

4.4 Расчет мощности главного двигателя привода ротора мельницы(по законам Бонда и Риттингера).

4.5 Расчет мощности электромагнитных вибраторов роторно-вибрационной мельницы.

4.6 Конструкция опытно-промышленной роторно-вибрационной мельницы

Выводы:.

Актуальность темы. Изменение характера рудной базы - снижение содержания металлов и уменьшение вкрапленности извлекаемых минералов -обуславливает увеличение удельного веса затрат на рудоподготовку и особенно на завершающую ее стадию - измельчение. Кроме того, процессы рудоподготовки характеризуются значительными энергетическими затратами - примерно 40-65 % от общего расхода электроэнергии. Кардинальное сокращение этих затрат возможно только при создании принципиально новых способов дезинтеграции руд и разработке на их основе соответствующего оборудования.

Одним из направлений развития дробильно-измельчительного оборудования является разработка машин с применением вибраций. Особое место в этом ряду принадлежит машинам, созданным в институте «Механобр». Опыт промышленной эксплуатации этих машин подтвердил их преимущества перед традиционными * дробилками . — высокое качество получаемого зерна и меньшие энергозатраты отнесенные к единице вновь образованной поверхности. Однако максимальная крупность готового продукта этого класса дробилок составляет десятки миллиметров и слишком велика для последующего обогащения. Существующие вибрационные мельницы, как правило, не могут сразу принимать разгрузку вибрационных дробилок, т.к. крупность их питания привязана к размерам рабочих объемов, а увеличение последних приводит к ухудшению, удельных показателей из-за несовершенства процесса своевременной разгрузки продуктов размола.

Решение этой . проблемы, видится в соединении; роторной и вибрационной технологий. Это позволит создать машину большой пропускной способности и сохранить преимущества^ получаемые за счет воздействия вибраций на измельчаемое минеральное сырьё.

Цель работы. Обоснование режимов работы и разработка конструкции роторно-вибрационной мельницы для измельчения минерального сырья.

Идея работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование режимов работы роторно-вибрационной мельницы, определение энергетических, технологических и конструктивных параметров мельницы нового типа.

Методика исследований и аппаратура. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников, теоретические исследования с использованием теории вибрации, лабораторные эксперименты, методы планирования экспериментов, статистические методы исследований с обработкой результатов на ЭВМ.

Научные положения

1. Скоростные режимы движения измельчаемого материала в роторно-вибрационной мельнице определяются соотношением силового взаимодействия действующего на частицу твердого материала и влияют на пропускную способность в зависимости от типоразмера установки, величины измельчаемого материала.

2. Теоретически и экспериментально доказано, что для роторно-вибрационной мельницы зависимости мощности электромагнитных вибраторов от амплитуды и частоты вибрационного воздействия, размеров и прочностных свойств измельчаемого материала носят монотонный возрастающий характер и могут быть аппроксимированы семейством прямых.

3. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что величина момента на валу роторно-вибрационной мельницы зависит от типоразмера, скоростного режима, коэффициента внутреннего трения материала, прочности частиц разрушаемых в зонах измельчения и носит монотонный возрастающий характер.

4. Пропускная способность по питанию роторно-вибрационной мельницы определяется параметрами вибрационного воздействия и для промышленных условий в пределах варьирования основных факторов снижается по мере увеличения крупности питания и угла наклона образующей верхнего конуса и возрастает с увеличением частоты вращения ротора.

5. Для промышленных условий наиболее целесообразной является применение двухстадиальной мельницы, поскольку наибольшее влияние на пропускную способность машины оказывает крупность исходного питания.

Научная новизна

Для роторно-вибрационной мельницы впервые установлено:

1. Теоретические и экспериментальные зависимости скорости движения измельчаемого материала в роторно-вибрационной мельнице учитывают влияние на пропускную способность геометрических параметров зоны измельчения; составлены и решены дифференциальные уравнения движения измельчаемого материала; получены точные аналитические выражения для определения скорости частиц.

2. Теоретические и экспериментальные зависимости мощности дебалансного вибратора учитывают влияние частоты вращения ротора, свойства и характеристику измельчаемого материала.

3. Теоретические и экспериментальные зависимости мощности потребляемой главным приводом роторно-вибрационной мельницы учитывают влияние амплитуды и частоты вращения чаши ротора.

4. Теоретические и экспериментальные зависимости амплитуды и частоты движения ротора учитывают влияние на производительность угла наклона внутренней образующей конуса чаши, номинальной крупности кусков материала.

Научное значение работы

1. Теоретический анализ процесса измельчения в роторно-вибрационной мельнице позволяет определить среднюю радиальную скорость выхода частицы из рабочей зоны.

2. Полученные зависимости мощности электромагнитных вибраторов позволили установить чаши на упругих элементах, получающих гармонические колебания от электромагнитных вибраторов в противофазе.

3. Полученные зависимости мощности главного привода позволили предложить научно* обоснованное решение по технологическим параметрам работы роторно-вибрационной мельницы.

4. Полученные зависимости вибрационного воздействия позволили предложить научно обоснованное решение по конструкции роторно-вибрационной мельницы имеющей две зоны измельчения.

Практическое значение работы

Диссертация содержит теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение работоспособности для измельчения сырья. Разработанная и апробированная в промышленных условиях роторно-вибрационная мельница показала высокую эффективность работы при большей производительности в сочетании с малыми затратами энергии на ведение процесса, что указывает на практическую ценность выполненной работы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается хорошей сходимостью экспериментальных и расчетных значений. Расхождения составляют от 5 до 12%.

Реализация выводов и рекомендаций. Основные рекомендации по проектированию промышленного образца роторно-вибрационной мельницы, методика определения характера движения материала в полости ротора мельницы, приняты в 2011 г. к использованию ОАО «Кавказцветметпроект» при разработке новой технологической линии размола сырьевых материалов для получения порошковых продуктов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на:

-научных симпозиумах "Неделя горняка - 2007, 2009" (г. Москва);

-II Международной Научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" Политехнический университет в 2006 г., (г. Санкт-Петербург);

-VI Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет) в 2007 г., (г. Владикавказ);

-III Всероссийской Научно-практической конференции посвященной 100-летию акад. Агошкова М.И. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) в 2005-2010гг., (г. Владикавказ);

-ежегодных научно — технических конференциях Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета), в период с 2005 по 2010 г., (г. Владикавказ).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 научных работ, отражающих основное содержание диссертации, получен патент Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 104 наименований; содержит 103 страниц машинописного текста, 4 таблицы,24 рисунка и 5 приложений.

Выводы:

1. Установлено, что мощность электромагнитных вибраторов зависит от частоты и амплитуды колебательного движения, при увеличении частоты и амплитуды колебаний потребляемая мощность увеличивается практически линейно.

2. Анализ возможных конструктивных решений, для роторно-вибрационной мельницы, показывает на целесообразность окончательного варианта, имеющего две зоны измельчения (верхнюю и нижнюю) с двумя роторами, посаженными на один вал с приводом от электродвигателя и двумя чашами, установленными на упругих элементах, пружинах, получающих гармоничные, прямолинейные колебания в вертикальной плоскости от электромагнитных вибраторов в противофазе. При этом, статоры вибраторов жестко связаны с нижней чашей, а якоря с верхней.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основе результатов проведенных исследований изложены научно обоснованные технические решения по созданию конструкции и обоснованию параметров роторно-вибрационной мельницы. Реализация результатов исследований вносит значительный вклад в совершенствование процессов измельчения минерального сырья.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Теоретический анализ процесса измельчения в роторно-вибрационной мельнице на основе силового взаимодействия позволяет определить среднюю радиальную скорость движения твердой частицы в зоне измельчения.

2. Полученные результаты при расчетно-теоретическом исследовании процесса измельчения твердых материалов при действии' линейных гармонических колебаний в вертикальной плоскости показывают, что при увеличении частоты с 25 до 50 Гц и амплитуды колебаний с 0,1 до 1,5 мм средняя скорость перемещения частицы увеличивается.

3. Экспериментальное исследование процессов измельчения на лабораторной установке диаметром ротора 350 мм показало следующее:

- с увеличением числа оборотов ротора с 50 до 300 об/мин потребляемая мощность двигателя ротора увеличивается практически линейно при постоянной амплитуде и частоте колебаний чаши;

- при увеличении частоты колебаний чаши мельницы с 20 до 60 Гц и амплитуды колебаний с 0,005 до 0,001 м мощность потребляемая электродвигателем дебалансного вибратора увеличивается линейно;

- при увеличении угла наклона внутренней образующей конуса чаши к плоскости горизонта с 10 до 40 градусов и частоте колебаний чаши 50 Гц и амплитуде 0,001 м производительность по готовому продукту уменьшается;

- при увеличении номинальной крупности кусков материала в исходном питании мельницы с 3 до 20 мм при частоте колебаний от 25 до 50 Гц и амплитуде 0,0001 м производительность по готовому продукту уменьшается.

4. Установлено, что мощность электромагнитных вибраторов зависит от частоты и амплитуды колебательного движения, при увеличении частоты и амплитуды колебаний потребляемая мощность увеличивается практически линейно.

5. Анализ возможных конструктивных решений для роторно-вибрационной мельницы показывает на целесообразность окончательного варианта, имеющего две зоны измельчения (верхнюю и нижнюю) с двумя роторами, посаженными на один вал с приводом от электродвигателя и двумя чашами, установленными на упругих элементах, пружинах, получающих гармоничные, прямолинейные, колебания в вертикальной плоскости от электромагнитных вибраторов в противофазе. При этом статоры вибраторов жестко связаны с нижней чашей, а якоря с верхней.

6. Основные рекомендации по проектированию промышленного образца роторно-вибрационной мельницы, методика определения характера движения материала в полости ротора мельницы, приняты в 2011 г. к использованию ОАО «Кавказцветметпроект» при разработке новой технологической линии размола сырьевых материалов для приготовления доломитовых порошков.

1. Ненарокомов Ю.Ф. и др. Современное состояние и направления развития рудоподготовки//Труды Механобра. 1974. Вып. 140. С. 5-8.

2. Ревнивцев В.И., Круппа П.И., Быкасов С.П. //Дробильно-размольное оборудование и технология дезинтеграции: Междувед. сб. науч. тр./ «Механобр». Л.: 1989. С.25 -31.

3. Лесин А.Д. Роженцов И.В. // Дробильно- размольное оборудование и технология дезинтеграции: Междувед. Сб. науч. тр./ «Механобр». Л.: 1989. С. 125-132.

4. Финкелыптейн Г.А. Цукерман В.А. О классификационных признаках различных способов дробления и измельчения и относительной перспективности соответствующего оборудовании // Труды Механобра. 1974. Вып. 140. С. 19-37.

5. Абрамов A.A. Теоретические предпосылки совершенствования процессов рудоподготовки и обогащения руд цветных и редких металлов. // Цветные металлы. 1996. №12. С 16-20.

6. Ревнивцев В.И., Костин И.М., Яшин В.П. Основные направления развития подготовки руд к обогащению. Цветные металлы. 1984. №5.

7. Сыса А.Б. О выборе рациональных направлений развития измельчительного оборудования. Изв. Вузов, Цветная металлургия. №3, 1994г.

8. Капралов Е.П., Круппа П.И. Новое дробильно-измельчительное оборудование большой единичной мощности // Обогащение руд. 1977.№ 5. С. 15-20.

9. Захваткин В.К. Баранов В.Ф. Литвинов М.Б. Шаровые мельницы большого диаметра и объема // Цветные металлы. 1978. №3. С.76-82.

10. Томова И.С. Применение крупных мельниц на обогатительных фабриках капиталистических стран // Цветная металлургия. 1970. № 1. С.24-26.

11. Синельникова JI.H. Обогатительное оборудование большой единичной мощности // Цветная металлургия. 1980.№ 16. С. 15-17.

12. Синельникова JI.H. Совершенствование оборудования для измельчения за рубежом//Цветная металлургия. 1981.№ 8. С. 14-15.

13. Леонов Б.П., Туманян В.А., Яшин В.П. Освоение измельчения мелкодробленой медно-молибденовой руды в крупногабаритных мельницах МШЦ5500х6500 // Обогащение руд.1981. № 6.С.12-15.

14. Голованов Г.А. и др. Анализ работы шаровых мельниц МТТТР 45x50 и МШЦ 45x50 //Горный журнал. 1978.№ 2. С.7-10.

15. Капралов Е.П., Финкелыптейн Г.А. Разработка, испытание и внедрение обогатительного оборудования // Обогащение руд. 1977.№ 5. С.28-40. •

16. Антонычев М.Я. Определение перспективных направлений при конструировании шаровых мельниц с помощью теории подобия и моделирования // Обогащение полезных ископаемых: Сб. статей, вып.29. 1981. С.8 -12.

17. Ягупов A.B. Новый способ измельчения руд. Горный журнал №11, 1976. С.71-73.

18. Подготовительные процессы: Справочник по обогащению руд. / Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра. 1982.366 С.

19. Балахнина Е.Е., Дмитрак Ю.В., Сычев H.H. Тенденции развития оборудования для тонкого измельчения горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ, 2006 г.

20. Пучкова М.В. Новая конструкция планетарной мельницы // Цветная металлургия. 1981. №1. С.93-94.

21. Жарков Г.П., Глемб И.Л. Особенности измельчения материалов в мельнице с переменным передаточным отношением // Изв. вузов: Горный журнал. 1976. №3. С. 114-117.

22. Юсупов Т.О. и др. Тонкое измельчение руд в центробежных планетарных мельницах // Обогащение руд. 1977. № 6. С.24-27.

23. Андреев С.Е., Зверевич В.В., Перов В.А. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра. 1980. 415с.

24. Сиденко ГГ.М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия. 1968. 384 С.

25. Горобец В. И., Горобец Л.Ж. Новое направление работ по измельчению. М.: Недра. 1977. 183 С.

26. Горобец Л.Ж. и др. Обогащение надрешетных продуктов после доизмельчения их в газоструйной мельнице // Обогащение -полезных ископаемых. Сб. статей, вып.30. 1982. С.29-33.

27. Бортников A.B. и др. Об эффективности использования струйного измельчения при подготовке руд и концентратов к обога-щению и гидрометаллургической обработки // Обогащение руд. 1983. № 5. С.3-6.

28. Сысолятин С.А., Першуков A.A. Перспективы применения избирательного измельчения в газоструйной мельнице // Горный журнал. №11. 1980. С.53-54.

29. Акунов А.И. Струйные мельницы. Элементы теории и расчета. М.: Машиностроение. 1967.-264 С.

30. Аветисян Н.Ф. и др. Применение струйного измельчения при флотации конвертерных шлаков // Цветная металлургия. 1961. №11. G.13-14.

31. Горобец Л.Ж. и др. О газоструйном способе подготовки к обогащению кумминтонито-магнетитовых кварцитов // Обогащение полезных,ископаемых. Сб. статей вып.30. 1982. С.33-39.

32. Олюнин В.В. Переработка нерудных строительных материалов — М.: Недра, 1980-232 с.

33. Вайсберг JI.А. Новые российские технологии и оборудование для переработки минерального сырья. Горный журнал. №10, 2003г.

34. Абрамов A.A. Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Изд-во МГТУ, 2004 г.

35. Ягупов A.B. Новый способ измельчения руд в вертикальной мельнице «МАЯ» // Горный журнал, № 11, 1978.- С.71-73.

36. Левенсон Л.Б. Машины для обогащения полезных ископаемых. Плоские подвесные грохоты, их теория, расчет и проектирование. Труды "Механобра". Вып. 1. Л., 1924г.

37. Вибрации в технике. Справочник в 6 т. Т. 4. Вибрационные процессы и машины. М. Машиностроение, 1981г.

38. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. Т. 3. Ред. B.II. Челомей. Колебания машин, конструкций и их элементов, М. Машиностроение, 1980г.

39. Блехман И.И. Что может вибрация?: О «вибрационной механике» и вибрационной технике М.: Наука, 1988г.

40. Блехман И.И. Вибрационная механика. М. Физматлит, 1994г.

41. Спиваковский А.О., Гончаревич И.Ф. Вибрационные конвейеры, питатели и вспомогательные устройства. М. Машиностроение, 1972г.

42. Гончаревич И.Ф, СергеевП.А. Вибрационные машины в строительстве. М.Наука. 1963г.

43. Гончаревич И.Ф., Стрельников Л.П. Электровибрационная техника. М. Наука. 1959г.

44. Гончаревич И.Ф., Фролов К.В. Теория вибрационной техники и технологии. М. Наука, 1981г.

45. Вайсберг Л.А и др. Вибрационные дробилки. Основы расчета, проектирования и технологического применения. СПб.: ВСЕГЕИ, 2004г.

46. Вайсберг Л:А., Зарогатский Л.П. Новое оборудование для дробления и измельчения материалов. Горный журнал. №32000г. — С. 49-52.

47. Вайсберг JI.A., Казаков С. В., Туркин В.Я. Конусная вибрационная дробилка со скрещивающимися осями вибровозбудителей колебаний. М.: Строительные и дорожные машины.2007г.

48. Сапожников М.Я., Механическое оборудование предприятий строительных материалов и конструкций. М. Высшая школа. 1971г.

49. Розенович Е.В. Машины для дробления материалов. М.: Недра, 1966г.

50. Демченко С.Е. Основные технологические показатели конусной инерционной дробилки. Методики их расчета. М.: Строительные и дорожные машины, 2007г.

51. Ненкин Н.С., Капралов E.H., Маляров Н.В. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования. М.: Недра, 1992г.

52. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. М.: Машиностроение, 1966г.

53. Патент СССР № 1187873 1984г.54. Патент США № 1553333

54. Патент ФРГ №879800, 1952г. ;

55. Патент Австрия № 2020598, 1957г.

56. Патент Япония № 1256, 1972г.

57. Ягупов A.B., Гегелашвили М.В. Динамическое самоизмельчение -перспективный процесс измельчения руд // Цветные металлы, № 10, 1979. -С. 107-109.

58. Хетагуров В.Н. Разработка и проектирование центробежных мельниц вертикального типа. Владикавказ: Изд-во «Терек», 1999. 225 с.

59. Олевский В.А. Размольное оборудование обогатительных фабрик. М.: Недра, 1963г.

60. Сапожников М.Я., Механическое оборудование предприятий строительных материалов и конструкций. М. Высшая школа. 1971г.

61. Авдохин В.М. Основы обогащения полезных ископаемых. Изд-во МГГУ, 2006.

62. БауманВ.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве М. Высшая школа, 1977.

63. Богданов О.С. и др. Справочник по обогащению руд. М. Недра, том 1. 1972г.

64. Разумов К.А., Перов В.В. Проектирование обогатительных фабрик, М., Недра, 1984г.

65. Кер-Вильсон У .Вибрационная техника. М., Машгиз, 1963г.

66. Андреев Е.Е., Тихонов О.Н., Дробление, измельчение и подготовка сырья к обогащению. С.-Пб.Изд. С.-ПБГГУ, 2007г.

67. Vibroinertialcomminution-principles and performance.Int. J. of Mineral Processing, №41, 1994.

68. WeglarczykJ. / Optymalizacia ukadow rozdrabniania. Rudy: Metale Niezelazne/ 1987.

69. СергоЕ.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М. Недра, 1985 286 с.

70. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М. Наука. 1976г.

71. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М. «Колос» 1967г.

72. Ермаков, С.М. Математическая теория планирования эксперимента. М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983г.

73. Линч А. Дж. Циклы дробления и измельчения. Моделирование, оптимизация, проектирование и управление. Пер. с англ. М., Недра, 1981г.

74. Максимов Н.П., Байматов К.К. Патент РФ № 230111.Роторно-вибрационная мельница. Бюллетень №17 20.06.2007г.

75. Максимов Н.П., Максимов Р.Н., Байматов К.К. Роторно-вибрационная мельница. Научный вестник Норильского индустриального института №3. 2008г.

76. Хетагуров В.Н., Каменецкий Е.С., Выскребенец A.C. Результаты испытаний центробежной мельницы вертикального типа при- размоле углеродистых материалов. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ, №5, 2008 г.

77. Костин И.М. идр. Пути повышения производительности измельчительных отделений обогатительных фабрик. В кн.: Труды Механобра, Л., вып. 140, 1975г.

78. Ягупов A.B., Выскребенец A.C., Лебедев А.Ф. и др. Мельница динамического самоизмельчения. A.c. 1169733, МКИ В02С 13/14, опубл. 30.07.85, бюлл. № 28 // Открытия. Изобретения, 1985, № 28.

79. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев A.M. Общая металлургия. 6-ое изд. перераб. и доп. М*. ИКЦ, «Академкнига», 2002 г.

80. Максимов Н.П., Байматов К.К. Теоретические основы проектирования роторно-вибрационной мельницы. Горный информационно-аналитический бюллетень Ml 1 У, №5, 2007г.

81. Донченко A.C., Донченко В.А. Справочник механика рудообогатительной фабрики. М. Недра, 1986г.

82. Манухова Р.В., Келль М.Н. Обогащение полезных ископаемых. JL: изд. ЛГИ, 1977г.

83. Дмитриев C.B., Тихонов О.Н. О взаимосвязи энергетических законов дробления Кика-Кирпичева и Риттингера с индексом работы Бонда. Обогащение руд№2, 2004г.

84. БыховскийИ.И. Основы теории вибрационной техники. М., Машиностроение, 1969г.

85. Ден-Гартог Д.П. Механические колебания: М., Физматгиз, 1960г.

86. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле: М., Наука, 1967г.

87. Схиртладзе А.Г. Технологические процессы в машиностроении. М. Высшая школа, 2007 г. г

88. Скучик К. Простые и сложные колебательные системы. М.: Мир, 1971г.

89. БабаковИ.М., Теория колебаний. М., Наука, 1965г.

90. Шерешевский И. А. Конструкции промышленных зданий и сооружений. Уч. пособие для ВУЗов 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Стройиздат. (Ленинградское отделение), 1976 г.

91. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя.том1.М.: «Машиностроение», 2006 г.

92. Технология конструкционных материалов. Под общей редакцией A.M. Дальского,5-ое изд. исправленное М. Машиностроение, 2004 г.

93. Учаев Н.П., Емельянов С.Г., Захаров И.С и др. Основы расчетов деталей машин с задачами и. примерами. Ст. Оскол, ТНТ, 2009 г.

94. Куманин И. Материаловедение и технология конструкционных материалов. В. МГАПИ, 2005 г.

95. Бабичев Ю.Е Электротехника и электроника, Изд. МГГУ, Горная книга 2007 г.

96. Чернышов . Г.Г Сварочное дело: сварка и резка металлов., М. ACADEMIA, 2004 г.

97. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. М. Высшая школа, 2004 г.

98. Лачуга Ю.Ф, Воскресенский, А.Н., Чернов М.Ю. Теория механизмов и машин. Кинематика, динамика и расчет. Изд-во «Колосс», 2006г.

99. Алексеева H.A., Джамай В.В., Серпичева Е.В. Основы проектирования и конструирования узлов и деталей машин и механизмов, Изд. МАИ: 2006г.