автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования конусных дробилок мелкого дробления

На правах рукописи

ОРОЧКО АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК МЕЛКОГО ДРОБЛЕНИЯ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005539343 2 ] цод 2013

Екатеринбург - 2013

005539343

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный ный университет»

Научный руководитель -

Лагунова Юлия Андреевна, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Картавый Андрей Николаевич, доктор технических наук, научно-производственная корпорация «Механобр-Техника» (ЗАО), г. Санкт-Петербург, ведущий научный сотрудник;

Шарипов Ришат Хакимжанович, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, старший преподаватель.

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт асбестовой промышленности» (ОАО «НИИпроектасбест»)

Защита состоится «_Д_» декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03,созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», в зале заседаний Ученого совета по адресу:

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 08 » ноября_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях реформирования экономики и создания рынка технологического оборудования одной из важнейших проблем является повышение технического уровня создаваемого оборудования и эффективности его использования.

Процессы дробления и дезинтеграции горных пород, являющиеся основными технологическими операциями при рудоподготовке и переработке нерудных материалов, характеризуются значительными энергетическими и материальными затратами, что обусловливается, главным образом, низкой эффективностью функционирования измельчительного оборудования.

На современном этапе развития техники и технологии рудоподготовки одним из способов снижения эксплуатационных затрат является перенос большей части работы по разрушению горной породы в дробильный передел при форсировании скоростных и силовых режимов работы оборудования.

Снижение крупности конечного продукта дробильного передела обеспечивает повышение производительности мельниц, уменьшение удельных энергозатрат и расхода шаров и футеровок при измельчении.

Требования технологического согласования оборудования дробильного передела определяют характер взаимосвязей между конструктивными и режимными параметрами отдельных агрегатов.

Совершенствование и модернизацию технологических линий дробления необходимо производить на основе комплексных технических решений, обеспечивающих дезинтеграцию горных пород с конкретными физико-механическими свойствами до требуемой крупности при заданной производительности.

В связи с этим тема исследования, направленная на выявление взаимозависимостей между конструктивными и режимными параметрами конусных дробилок мелкого дробления с учетом физико-механических и технологических свойств перерабатываемой горной породы и особенностей рабочих процессов, является актуальной научной задачей и соответствует потребностям развития производственной базы горно-обогатительных и дробильно-сортировочных предприятий.

Исследования выполнялись в рамках государственного задания научно-исследовательской работы № 5.5994.2011 «Разработка и создание дробильно-транспортного комплекса для условий глубоких карьеров» и хоздоговорной темы 43-202-12/888-13-000-499 «Разработка методики и расчет основания конусной инерционной дробилки».

Объект исследования: конусные эксцентриковые и инерционные дробилки мелкого дробления.

Предмет исследования: оценка конструктивных и режимных параметров конусных дробилок мелкого дробления для конкретных условий эксплуатации.

Цель работы - повышение эффективности функционирования дробилок мелкого дробления на основе расширения адаптационных свойств оборудования к условиям эксплуатации.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности функционирования дробильного оборудования достигается за счет соответствия диапазона регулирования режимных параметров оборудования текущим изменениям условий эксплуатации.

Методы научных исследований: использование достаточного объема статистической информации, характеризующей уровень эксплуатации элементов рабочего оборудования конусной дробилки мелкого дробления. При выполнении теоретических исследований использовались основные положения и методы теории подобия и моделирования, моделирование напряженно-деформированного состояния опорного узла конусной инерционной дробилки мелкого дробления, анализ и обобщение научно-технической и патентной информации; при проведении экспериментальных исследований - положения теории надежности, методы математической статистики и теории вероятностей, программы для обработки статистических данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Интенсификация рабочего процесса конусных дробилок мелкого дробления достигается за счет роста удельной работы дробящего конуса, отнесенной к площади сечения конуса в вертикальной плоскости, при рациональных конструктивных и режимных параметрах дробилок.

2. Согласование режимных параметров дробильного оборудования с изменяющимися условиями эксплуатации (прочность породы, характеристики питания дробилки и др.) обеспечивается за счет придания оборудованию адаптационных способностей.

3. Стабильность амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки при изменении режима работы достигается за счет регулирования жесткости виброизоляторов.

Научная новизна результатов исследований заключается:

• в разработке имитационной модели конусной эксцентриковой дробилки мелкого дробления при стесненном движении материала в камере дробления;

• в получении зависимости для определения критической частоты качаний дробящего конуса эксцентриковой дробилки из условия входа в камеру дробления наибольшего куска питания;

• в установлении зависимости амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки от жесткости виброизоляторов и разработке способа управления амплитудой корпуса дробилки.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается: корректным использованием методов математического моделирования, методов статистической обработки экспериментальных данных, современного вычислительного оборудования и компьютерного программного обеспечения, удовлетворительной сходимостью результатов тео-

ретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 7...8 %.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработке рекомендаций по повышению эффективности работы конусной эксцентриковой дробилки при мелком питании и за счет регулирования режимных параметров (угла наклона образующей подвижного конуса, частоты качаний дробящего конуса и др.);

- в разработке рекомендаций по регулированию амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки за счет изменения жесткости виброизоляторов;

- в получении патента на полезную модель «Экскавационно-дробильный агрегат», в подаче заявки на полезную модель «Виброизолятор конусной инерционной дробилки».

Личный вклад автора заключается:

в организации, проведении и анализе результатов комплекса экспериментальных исследований; в сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели работы конусных эксцентриковых и инерционных дробилок;

в разработке модели рабочего процесса конусной эксцентриковой дробилки при стесненном движении материала в камере дробления;

в разработке способа стабилизации амплитуды корпуса инерционной дробилки;

в разработке конструктивной схемы основания инерционной дробилки.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Предложенные методика расчета основных параметров конусных дробилок мелкого дробления для конкретных условий эксплуатации и технические предложения по адаптации дробилки для конкретных условий эксплуатации рекомендуются предприятиям, использующим конусные дробилки.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 153 тыс. руб. на одну дробилку типа КМД-2200.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических и практических конференциях: «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2012-2013 гг.), симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013 г.), XIX международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» в г. Севастополе (Донецк: ДонНТУ, 2012).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ, в том числе 3 из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 77 наименований и 4-х приложений. Материал диссертации изложен на 172 страницах, в том числе содержит 9 таблиц, 55 рисунков и 4 приложения на 35 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы цель и идея работы, изложены защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе дана сравнительная оценка технических и технологических показателей оборудования дробильного передела, рассмотрены конструктивные особенности конусных эксцентриковых и инерционных дробилок мелкого дробления. Выполнен обзор и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований по дроблению горных пород. Сформулированы задачи исследований.

Во второй главе выполнен анализ способов дробления горных пород в конусных дробилках мелкого дробления. Показано, что при дроблении способом «кусок о броню», реализуемым в эксцентриковых дробилках, технологические показатели оборудования определяются размером разгрузочной щели в фазе сближения конусов. Рассмотрены особенности рабочего процесса инерционных дробилок при разрушении горных пород «в слое», в частности, связанных с нерегулярной прецессией и непостоянством угла нутации дробящего конуса.

В третьей главе разработана имитационная модель и установлены закономерности формирования основных показателей эксцентриковой дробилки мелкого дробления при стесненном движении материала в камере дробления.

В четвертой главе на основе моделирования и экспериментальных исследований обоснованы технические решения, направленные на повышение эффективности функционирования конусных дробилок мелкого дробления.

Получены зависимости амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки от амплитуды колебаний подвижного конуса и жесткости виброизоляторов.

Выполнена оценка нагруженности основания инерционной дробилки.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Положение 1. Интенсификация рабочего процесса конусных дробилок мелкого дробления достигается за счет роста удельной работы дробящего конуса, отнесенной к площади сечения конуса в вертикальной плоскости, при рациональных конструктивных и режимных параметрах дробилок.

Увеличение работы, совершаемой центробежной силой дробящего конуса, обеспечивает, в общем случае, повышение степени дробления материала и производительности дробилки.

Увеличение работы дробящего конуса в конусных эксцентриковых дробилках ограничивается критической величиной частоты качаний конуса и размером разгрузочной щели в фазе сближения конусов, величина которого регламентируется требованиями к качеству продукта дробления и определяется точностью изготовления деталей дробилки.

Увеличение работы дробящего конуса за счет изменения хода дробящего конуса и одновременного увеличения частоты качаний конуса при сохранении размера разгрузочной щели в фазе сближения конусов позволит повысить как степень дробления материала при росте числа зажатий материала, так и производительность дробилки из-за увеличения объема подаваемого материала.

В этом случае при увеличении объема поступающего в дробилку материала и степени заполнения камеры дробления происходит стесненное движение материала, при котором все куски движутся преимущественно как одно сыпучее тело, форма и объем которого определяются ограничивающими

его поверхностями.

Характер процесса разрушения при стесненном размещении материала определяется соотношением между уровнем внешнего воздействия, степенью уплотненности материала и интенсивностью (кинетикой) сокращения размеров кусков.

Особенность процесса разрушения материала «в слое» определяется характером приложения нагрузки: при воздействии дробящего конуса на материал происходит его уплотнение и, по мере изменения напряженно-деформированного состояния слоя, разрушение кусков, далее по окончании внешнего воздействия происходит разрыхление материала и т. д.

В конечном счете, при разрушении уплотненного материала повышаются энергозатраты на дробление материала по сравнению с дроблением способом «кусок о броню», обусловленные ростом работы на многократное деформирование слоя материала при прохождении его по камере дробления, но при этом возрастает степень дробления материала и повышается производительность дробилки.

На рис. 1 показана схема движения материала в камере дробления эксцентриковой дробилки при увеличенном ходе дробящего конуса и сохранении размера разгрузочной щели в фазе сближения конусов.

Было проведено промышленное опробование двух типов дробилок в производственных условиях при работе в различных режимах, результаты которого приведены в таблице.

На рис. 2 приведены суммарные характеристики крупности продуктов разрушения при свободном и стесненном движении дробимого материала. Ломаная линия, определяющая характеристику крупности при стесненном движении, имеет относительно большую вогнутость, что свидетельствует об увеличении доли мелкого класса, т. е. о росте работы на дробление материала.

г-з

Рис. 1. Схема для составления математической модели дробления в слое

Основные технологические результаты опробования дробилки КМД-2200Т7-Д

Номер опроб. (дата) Размер щели, мм Ток ! привода, А Производительность, т/ч Пластинчатость (лещадность), %

по фракциям суммарная

4/8 | 8/16 | 16/31,5 4/8 | 8/16 | 16/31,5

Стесненное разрушение материала

1 1(29.09) 12,8 44 88,0 294,4 59,6 442,0 14,2 10 5,3

2(29.09) 12,8 42 105,2 216.8 78,3 400,3 15,4 8.2 6,6

3(30.09) 12,8 43 96,6 255,6 69,0 421,2 14,8 9,1

4(01.10) 13,4 41 72,8 1 от о 1 о / 138,0 тпо п 3 70,К> 13,6 1 Г\ О 1 и,о 5,8 |

5(01.10) 14,0 40 95,2 223,5 106,1 424,9 - -

6(01.10) 13,7 42 84,0 205,4 122,1 411,5 13,6 10,8 5,8

Разрушение способом «кусок о броню»

7(25.09) 15,6 37 77,6 198 127,7 403,3 17,2 9,9 10,7 ^

8(27.09) 15,8 36 88,7 201.3 141,8 431,8 24,2 17,55 9,2

9(30.09) 15,5 37 89,0 209.7 136,6 435,3 17,9 11,5 4,8

10(30.09) 15.5 37 111.9 213,8 144.9 470,6 15,9 10,5 7,6

11(01.10) 15,6 36,5 91,8 205,7 137,8 435,3 17 10,6 7,7

12(02.10) 20,9 33 64,2 165,6 218,3 448,1 20,4 14,8 8,6

13(02.10) 20,5 33 60,7 181,4 178,9 421,1 20,3 15,6 9 ---

14(03.10) 20,7 33 62,5 173,5 198,6 434,6 20,4 15,2 8,8

15(03.10) 24,7 30 74,7 175,4 227,4 477.5 19,2 16,9 8.8

1 ч \ \

А V \ ^2 \ \ \ ч\

N

15 30

Размер кусков, мм Рис. 2. Суммарные характеристики крупности продуктов дробления при различных способах разрушения материала:

1 - стесненное (в окружении мелочи) разрушение;

2 - свободное разрушение

При стесненном движении материала происходит снижение скорости прохождения материала по камере дробления ввиду роста сопротивлений

движению как сил внутреннего трения, так и сил трения кусков о коническую чашу (рис. 3).

Принимая допущение, что направления действия сил сопротивления движению материала совпадают, зависимость для определения скорости стесненного движения материала примет вид: » = (о,мп

где С,- - сила тяжести /-го объема материала; - силы трения

при скольжении материала по подвижному конусу и конической чаше соответственно; - сила внутреннего трения; ; - время движения материала между зажатиями; М - масса /'-го объема материала; (3 - угол наклона образующего подвижного конуса.

По приведенной схеме (см. рис. 1) составлена имитационная математическая модель, позволяющая проводить исследования рабочего процесса дробилки и выявлять рациональные конструктивные и режимные параметры дробилок для конкретных условий эксплуатации.

В конусных инерционных дробилках при увеличении работы дробящего конуса за счет амплитуды качаний возрастает амплитуда колебаний корпуса дробилки ввиду его установки на основании посредством виброизоляторов, что приводит к снижению степени дробления материала.

Разработка средств управления амплитудой корпуса позволит, в конечном счете, повысить интенсивность рабочего процесса инерционных дробилок.

Положение 2. Согласование режимных параметров дробильного оборудования с изменяющимися условиями эксплуатации (прочность породы, характеристики питания дробилки и др.) обеспечивается за счет придания оборудованию адаптационных способностей.

Практика эксплуатации дробильного оборудования показала, что рациональный режим дробления материала достигается при содержании в питании дробилки 10-15 % крупной фракции размером 70...90 мм.

В этом случае обеспечивается равномерный износ футеровок дробящего конуса и конической чаши и, в конечном счете, повышение срока службы дробилки в целом.

Рис. 3. Схема движения слоя материала:

С1 — сила тяжести /-го объема материала; /Чр, /Чр - силы трения материала о подвижный конус и коническую чашу; /•"„„ -силы внутреннего трения; ¡3 - угол наклона образующей подвижного конуса

При мелком питании частота качаний конуса может быть повышена, что позволит увеличить объем материала, подаваемого в камеру дробления, повысить интенсивность рабочего процесса и снизить энергоемкость дробления за счет роста числа зажатий (рис. 4).

Выполнено согласование параметров условия входа кусков материала в камеру дробления с параметрами движения дробящего конуса (рис. 5).

п, мин кВт. ч/т

250-

0 20 40

Процентное содержание крупной фракции

Рис. 4.

Зависимость технологических параметров дробилки от питания

I

П

Рис. 5. Схема к определению перемещений подвижного конуса (а) и куска (б): го, во- полярные координаты точки верхнего основания брони подвижного конуса относительно точки О начала гираций; аЬ - траектория падения куска; ктс' - расстояние между центрами тяжести кусков породы на первом этапе их движения

Получена зависимость для определения критической частоты качаний подвижного конуса, соответствующей наибольшему размеру куска:

где аЬ - вертикальная проекция кромки верхнего основания конуса на образующую конуса, определяющая размер куска,

ab = 2ro0(sinao + cosa¡)tg(P + 8)); ag - полярные координаты кромки верхнего основания конуса относительно точки начала гирации; 8 - угол ги-рации.

При дроблении материала повышенной прочности с временным сопротивлением сжатию ав > 150 МПа целесообразно переходить на форсированный режим работы при увеличенных значениях частот качаний конуса и соответственно центробежных сил.

Из условия обеспечения стесненного движения материала в камере дробления определяются производительности дробилки по входу питания и по продвижению материала.

Производительность дробилки по входу питания

Qвх ~ УЛШЧ,

где V - объем материала, поступающего в камеру дробления за одно качание,

V = 0,25 (J?, + B0)kDH, /кач - время работы, с, /кач = 601п\

- размер приемной щели на закрытой стороне; В0 - размер приемной щели на открытой стороне; D — диаметр зерхнего основания конуса, м; п - частота качаний конуса, определяемая из условия

п < 60(g/(£, + B0)f\ Н - средняя высота слоя материала,

Я =0,5 (В, + В0).

Производительность, определяется временем прохождения материала по камере дробления:

Qkx ~

где tKц- время прохождения материала по камере дробления: Гкд = [2(¿M-0/(g(sinP - ncosp»]0-5; LKд — длина камеры дробления:

¿кд = Ны / sin Р, где Яцд - высота камеры дробления, Ян = 0,38 D.

Объемная производительность конусной дробилки (по объему кольца, описанного зоной калибровки), м3/ч:

Q = 60 nSnlD,

где 5 - ширина разгрузочной щели в фазе сближения профилей (на закрытой стороне); п - частота качаний дробящего конуса; I - длина зоны калибровки, / = D/6.

Таким образом, выбор частоты качаний конуса следует производить из условия согласования производительности дробилки по питанию и производительности дробилки, определяемой по времени прохождения материалом камеры дробления.

Положение 3. Стабильность амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки при изменении режима работы достигается за счет регулирования жесткости виброизоляторов.

Амплитуда колебаний подвижного конуса инерционной дробилки является величиной переменной, зависящей от степени заполнения камеры дробления материалом, характера износа дробящих поверхностей и других факторов. При увеличении амплитуды колебаний конуса увеличивается центробежная сила, действующая на корпус дробилки и, соответственно, возрастает амплитуда колебаний корпуса.

С целью упрощения расчетов разработана имитационная модель рабочего процесса дробилки, основанная на изучении рабочего процесса по частям, т. е. по отдельным подсистемам:

1) приводной двигатель - ременная передача - дебаланс;

2) дебаланс с конусом - порода - корпус дробилки;

3) корпус дробилки - демпфирующие опоры — основание.

Расчетная схема для составления математической модели приведена на

Рис. 6. Схема для составления математической модели: 1 - корпус: 2 - подвижный конус; 3 - амортизаторы; 4 - дебаланс

Для составленной математической модели разработан алгоритм, учитывающий ограничения реальной механической системы. По алгоритму разработана программа для ЭВМ.

Значения усилий зависят от вводимых в расчеты исходных данных: от масс и моментов инерции, от характеристики породы и др. Для определения точного значения массовых характеристик дебаланса, конуса и корпуса рекомендуется использовать объемное моделирование с использованием конструкторского пакета ЗоПсШогкз или других, обеспечивающих определение указанных параметров.

Значения усилий в амортизаторах, сила тяжести дробилки, движущий момент привода используются для ввода в качестве исходных данных при расчете в пакете БйпсШге ЗО напряженно-деформированного состояния элементов дробилки.

Расчет графика нагрузок позволяет также проводить расчеты на долговечность. Максимальные значения усилий зависят от конструктивных и режимных параметров. На рис. 7, 8 приведены результаты расчета по разработанной программе для одного варианта значений характеристики породы, жесткости амортизаторов.

Одним из основных условий эффективной работы инерционной дробилки является обеспечение необходимого соотношения амплитуд конуса и корпуса, определяющего толщину слоя дробимого материала.

Соотношение амплитуд конуса и корпуса определяется по зависимости как от соотношения масс конуса и корпуса, так и от жесткости виброизоляторов.

Из условия реализации усилия дробления, развиваемого дробящим конусом при колебаниях, масса корпуса и момент инерции относительно вертикальной оси должны превышать таковые у конуса с дебалансом.

Однако в процессе работы при увеличении амплитуды колебаний конуса (при изменении толщины слоя материала, при изменении траектории движения конуса, при обкатке по изношенной поверхности наружного конуса и др.) возрастает центробежная сила подвижного конуса, что приводит к повышению амплитуды колебаний корпуса.

Колебания корпуса вносят изменения в характер продвижения материала по рабочей полости дробилки, и пропускная способность дробилки зависит от амплитуды колебаний корпуса.

В наибольшей степени колебания корпуса влияют на процесс дробления слоя материала, так как деформируемый слой материала может иметь различную толщину. При большой толщине слоя материала и постоянстве дробящей силы деформация слоя уменьшится, что приведет к закрупнению продукта.

При малой толщине слоя возможен пробой слоя до контакта броней корпусов.

Для стабилизации амплитуды колебаний корпуса производят перераспределение массы корпуса по высоте и утяжеление нижней части корпуса, где действует возмущающая сила.

Нами предложена конструкция виброизоляторов переменной жесткости, меняющейся при увеличении внешней нагрузки. Оформлена заявка на полезную модель.

Предложенная конструкция виброизоляторов обеспечивает снижение амплитуды колебаний корпуса и позволит снизить массу корпуса.

На основе разработанной математической модели рабочего процесса инерционной дробилки установлено влияние жесткости виброизоляторов на амплитуду колебаний корпуса дробилки (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость амплитуды колебаний корпуса от жесткости виброизоляторов

Предложена конструктивная схема (см. рис. 8) виброизолятора с переменной жесткостью упругих элементов. Такая схема позволяет стабилизировать амплитуду качаний корпуса дробилки и повысить эффективность рабочего процесса.

Поиск рационального исполнения основания дробилки КИД

Значения усилий в амортизаторах, сила тяжести дробилки, движущий момент привода использованы для ввода в качестве исходных данных при расчете в пакете Structure 3D напряженно-деформированного состояния нескольких вариантов возможного исполнения амортизаторов и основания. Критерием для сравнения вариантов при поиске рационального принята масса. Рассмотрено пять вариантов моделей возможного исполнения - использованием листовых и стержневых конструкций. Все варианты расчета при поиске рационального исполнения конструкции основания приведены в диссертации. В автореферате показан один вариант как наиболее рациональный (рис. 9).

А, мм

С2>С!

20

-20

Чашка Кольио

'__Поижина таарльчп/лпя

Ш

Рис. 8. Конструктивная схема виброизолятора с упругими элементами переменной жесткости

Модель V. Основание - сварная конструкция из листов. Из листов сварены 4 тумбы, в нижнем сечении тумбы соединены листом. Равномерная структура распределения напряжений. Выявлена недогруженность нижней плиты, за счет ее доработки можно еще уменьшить массу. Расчетная масса представленной на рис. 8 конструкции 4570 кг.

ЗУЦНЛтЧ 145.9

127.6 118.5 109.4 100.3 91 18 »2.06 72.95 1&3 83 54.71 45.6 13618 27.37 18.25 9.133

74.687 ЗУМ+[Н7ММ*2]1

|95.608 Б\/М+[Н/ммЛ2]|

V .¡130.094 ЗУМ-[Н/ммл2]|

174.569 Б\/М+[Н/ммл2][ жЯИР А у ^^ 1

59.295 вУМ-[Н/ммл2]|

Рис. 9. Результаты расчета напряжений для V модели

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно обоснованное решение актуальной научно-технической задачи существенного повышения технико-экономических показателей конусных дробилок мелкого дробления путем обоснования рациональных режимных параметров оборудования для конкретных условий эксплуатации.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе разработанной имитационной модели рабочего процесса конусной эксцентриковой дробилки мелкого дробления, описывающей стесненное движение материала в камере дробления, установлены закономерности формирования технологических показателей дробилки.

2. Определено соотношение между конструктивными и режимными параметрами эксцентриковой дробилки из условия входа наибольшего куска питания в камеру дробления. Получено выражение для определения критической частоты качаний подвижного конуса.

3. Разработан способ управления амплитудой колебаний корпуса инерционной дробилки.

4. Предложена конструктивная схема основания конусной инерционной дробилки, обеспечивающая снижение нагруженности и массы основания.

5. Разработаны рекомендации по повышению эффективности работы конусной эксцентриковой дробилки при мелком питании и при стесненном (в окружении мелких частиц) разрушении кусков.

6. Рекомендации, направленные на повышение эффективности конусных дробилок, приняты к реализации на ОАО «Уралмашзавод» и на ООО «КМТС ДД» с ожидаемым экономическим эффектом 153 тыс. руб. в год на одну дробилку.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях: Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России

1. Орочко A.B., Савинова Н.В., Шестаков B.C. Расчет напряжений в элементах оснований конусных инерционных дробилок // Сборка в машиностроении, приборостроение. -2012, - № 11. - С. 40-44.

2. Технические и технологические показатели конусных дробилок мелкого дробления / Ю.А. Лагунова, A.B. Груздев, A.B. Орочко, С.А. Червяков И Горное оборудование и электромеханика - 2013. - № 3. - С. 23-26.

3. Лагунова Ю.А., Орочко A.B. Взаимозависимости конструктивных и режимных параметров конусных дробилок // Горное оборудование и электромеханика.- 2013. - № 8. - С. 39-42.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Орочко A.B., Лагунова Ю.А. Прочностные свойства слоя материала // Машиностроение и техносфера XXI века // Сб. трудов XIX международной научно-технической конференции в г. Севастополе. В 3-х томах,- Донецк: ДонНТУ, 2012,- Т. 2. - С. 132-135.

5. Лагунова Ю.А., Орочко A.B. Выбор формы камеры дробления и определение усилия дробления в конусных инерционных дробилках // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов XI международной конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека». -Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2013. - С. 191-193.

6. Комиссаров А.П., Орочко A.B., Шестаков B.C. Расчет усилий для конусной инерционной дробилки // Математическое моделирование механических явлений. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2013. - С. 101-106.

7. Патент на полезную модель № 122669 Экскавационно-дробильный агрегат / А.П. Комиссаров, Ю.А. Лагунова, A.B. Орочко, B.C. Шестаков // UI МПК E02F 3/38; заявл. 10.08.12; опубл, 10.12.2012. Бюл. №34.-3 с.

Подписано в печать "j. j. 10.2013 г. Печать на ризографе. Бумага писчая. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ_

Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОРОЧКО АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК МЕЛКОГО ДРОБЛЕНИЯ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

0420145044-2

Научный руководитель -

д-р техн. наук, проф. Лагунова Юлия Андреевна

Екатеринбург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................... 4

1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДРОБЛЕНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ...............1....................................................................... 9

1.1. Сравнительная оценка технических и технологических показателей оборудования дробильного передела рудоподготовки.............. 9

1.2. Обзор и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований по дроблению горных пород........................... 26

1.3. Постановка задач исследования....................................... 35

2. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В КОНУСНЫХ ДРОБИЛКАХ............................................................. 36

2.1. Характеристика рабочего процесса дробилок при разрушении способом «кусок о броню».......................................................... 38

2.2. Особенности рабочего процесса дробилок при разрушении горных пород «в слое».............................................................. 47

2.3. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса при различных способах дробления........................................................................................ 54

ВЫВОДЫ....................................................................... 61

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК МЕЛКОГО ДРОБЛЕНИЯ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ............................. 62

3.1. Основные конструктивные, кинематические и режимные параметры конусных эксцентриковых дробилок.................................. 62

3.2. Основные конструктивные, кинематические и режимные параметры конусных инерционных дробилок...................................... 73

3.3. Определение взаимосвязей между конструктивными и режимными параметрами и технологическими показателями конусных

дробилок мелкого дробления....................................................... 79

ВЫВОДЫ......................!................................................ 91

4. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК МЕЛКОГО ДРОБЛЕНИЯ ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.......................................................................... 92

4.1. Моделирование рабочего процесса эксцентриковой дробилки и проведение исследований по обоснованию параметров......................................................................................... 93

4.2. Моделирование рабочего процесса инерционной дробилки.......................................................................................... 111

ВЫВОДЫ........................................................................ 128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................ 129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................... 130

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................... 138

ПЛ. Модель рабочего процесса эксцентриковой конусной дробилки.................................................................................... 138

П.2. Модель рабочего процесса инерционной конусной дробилки......................................................................................... 166

П.З. Акт внедрения результатов работы.................................. 171

П.4. Акт внедрения результатов диссертационной работы на ОАО «Уралмашзавод»....................................................................... 172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В условиях реформирования экономики и создания рынка технологического оборудования одной из важнейших проблем является повышение технического уровня создаваемого оборудования и эффективности его использования.

Процессы дробления и дезинтеграции горных пород, являющиеся основными технологическими операциями при рудоподготовке и переработке нерудных материалов, характеризуются значительными энергетическими и материальными затратами, что обусловливается, главным образом, низкой эффективностью функционирования измельчительного оборудования.

На современном этапе развития техники и технологии рудоподготовки одним из способов снижения эксплуатационных затрат является перенос большей части работы по разрушению горной породы в дробильный передел при форсировании скоростных и силовых режимов работы оборудования.

Снижение крупности конечного продукта дробильного передела обеспечивает повышение производительности мельниц, уменьшение удельных энергозатрат и расхода шаров и футеровок при измельчении.

Требования технологического согласования оборудования дробильного передела определяют характер взаимосвязей между конструктивными и режимными параметрами отдельных агрегатов.

Совершенствование и модернизацию технологических линий дробления необходимо производить на основе комплексных технических решений, обеспечивающих дезинтеграцию горных пород с конкретными физико-механическими свойствами до требуемой крупности при заданной производительности.

В связи с этим тема исследования, направленная на выявление взаимозависимостей между конструктивными и режимными параметрами конусных дробилок мелкого дробления с учетом физико-механических и технологиче-

ских свойств перерабатываемой горной породы и особенностей рабочих процессов, является актуальной научной задачей и соответствует потребностям развития производственной базы горно-обогатительных и дробильно-сортировочных предприятий.

Исследования выполнялись в рамках государственного задания научно-исследовательской работы № 5.5994.2011 «Разработка и создание дробильно-транспортного комплекса для условий глубоких карьеров» и хоздоговорной темы 43-202-12/888-13-000-499 «Разработка методики и расчет основания конусной инерционной дробилки».

Объект исследования: конусные эксцентриковые и инерционные дробилки мелкого дробления.

Предмет исследования: оценка конструктивных и режимных параметров конусных дробилок мелкого дробления для конкретных условий эксплуатации.

Цель работы - повышение эффективности функционирования дробилок мелкого дробления на основе расширения адаптационных свойств оборудования к условиям эксплуатации.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности функционирования дробильного оборудования достигается за счет соответствия диапазона регулирования режимных параметров оборудования текущим изменениям условий эксплуатации.

Методы научных исследований: использование достаточного объема статистической информации, характеризующей уровень эксплуатации элементов рабочего оборудования конусной дробилки мелкого дробления. При выполнении теоретических исследований использовались основные положения и методы теории подобия и моделирования, моделирование напряженно-деформированного состояния опорного узла конусной инерционной дробилки мелкого дробления, анализ и обобщение научно-технической и патентной информации; при проведении экспериментальных исследований - положения

теории надежности, методы математической статистики и теории вероятностей, программы для обработки статистических данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Интенсификация рабочего процесса конусных дробилок мелкого дробления достигается за счет роста удельной работы дробящего конуса, отнесенной к площади сечения конуса в вертикальной плоскости.

2. Согласование режимных параметров дробильного оборудования с изменяющимися условиями эксплуатации (прочность породы, характеристики питания дробилки и др.) обеспечивается за счет придания оборудованию адаптационных способностей.

3. Стабильность амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки при изменении режима работы достигается за счет регулирования жесткости виброизоляторов.

Научная новизна результатов исследований заключается:

• в разработке имитационной модели конусной эксцентриковой дробилки мелкого дробления при стесненном движении материала в камере дробления;

• в получении зависимости для определения критической частоты качаний дробящего конуса эксцентриковой дробилки из условия входа в камеру дробления наибольшего куска питания;

• в установлении зависимости амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки от жесткости виброизоляторов и разработке способа управления амплитудой корпуса дробилки.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается: корректным использованием методов математического моделирования, методов статистической обработки экспериментальных данных, современного вычислительного оборудования и компьютерного программного обеспечения, удовлетворительной сходимостью результатов

теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 7... 10 %.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработке рекомендаций по повышению эффективности работы конусной эксцентриковой дробилки при мелком питании и за счет регулирования режимных параметров (угла наклона образующей подвижного конуса, частоты качаний дробящего конуса и др.);

- в разработке рекомендаций по регулированию амплитуды колебаний корпуса инерционной дробилки за счет изменения жесткости виброизоляторов;

- в получении патента на полезную модель «Экскавационно-дробильный агрегат», в подаче заявки на полезную модель «Виброизолятор конусной инерционной дробилки».

Личный вклад автора заключается:

в организации, проведении и анализе результатов комплекса экспериментальных исследований; в сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели работы конусных эксцентриковых и инерционных дробилок;

в разработке модели рабочего процесса конусной эксцентриковой дробилки при стесненном движении материала в камере дробления;

в разработке способа стабилизации амплитуды корпуса инерционной дробилки;

в разработке конструктивной схемы основания инерционной дробилки.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Предложенные методика расчета основных параметров конусных дробилок мелкого дробления для конкретных условий эксплуатации и технические предложения по адаптации дробилки для конкретных условий эксплуатации рекомендуются предприятиям, использующим конусные дробилки.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 153 тыс. руб. на одну дробилку типа КМД-2200.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических и практических конференциях: «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2012-2013 гг.), симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013 г.), XIX международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» в г. Севастополе (Донецк: ДонНТУ, 2012).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ, в том числе 3 из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 77 наименований и 4 приложений. Материал диссертации изложен на 172 страницах, в том числе содержит 9 таблиц, 55 рисунков и 4 приложения на 35 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДРОБЛЕНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Сравнительная оценка технических и технологических показателей оборудования дробильного передела рудоподготовки

Основным технологическим оборудованием дробильного передела являются конусные дробилки.

Конусные дробилки в силу своих конструктивных особенностей эффективно работают только при ограниченных степенях дробления материала, а потому общий процесс дробления (цикл дробления) осуществляется в нескольких последовательно работающих дробилках, т.е. состоит из нескольких стадий дробления.

Конусные дробилки по своему назначению разделяются на дробилки * _

крупного (ККД и КРД ), среднего (КСД) и мелкого (КМД) дробления.

Камеры дробления конусных дробилок крупного, среднего и мелкого дробления различаются между собой конфигурацией.

Камера дробления дробилок крупного дробления (рис. 1.1) приспособлена к приему крупных кусков и обеспечивает высокую скорость прохождения кусков в камере за счет крутого дробящего конуса. В современных дробилках крупного дробления эксцентриситет на уровне разгрузочной щели составляет примерно 25 мм, что приводит к снижению степени закрупнения продукта дробления (рис. 1.2) [ 1 ].

Дробилки крупного дробления могут давать степень дробления до 8, но обычно работают при степенях дробления от 3 до 4 [ 1 ].

* КРД - конусная дробилка крупного дробления редукционная (с уменьшенной шириной загрузочного отверстия)

Рис. 1.1. Камера дробления дробилки крупного дробления: 1 - коническая чаша; 2 - дробящий конус; 3 - вал; 00 - ось дробилки; 00\ - ось вала конуса

3 \ \ 1

О 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Крупность в долях ширины разгрузочной щели дробилки

Рис. 1.2. Типовые характеристики крупности дробления продуктов конусных дробилок крупного дробления: 1 - твердые руды; 2 - руды средней твердости; 3 - мягкие руды

Камеры дробления дробилок среднего (рис. 1.3) и мелкого (рис. 1.4) дробления отличаются наличием зоны калибровки, что позволяет выдавать относительно равномерный по крупности кусков дробленый продукт.

О

О 0\

Рис. 1.3. Камера дробления дробилки среднего дробления: 1 - коническая чаша; 2 - дробящий конус; 3 — вал; ОО - ось дробилки; 00\ - ось вала конуса; I - длина зоны калибровки; 5 - ширина разгрузочной щели

Рис. 1.4. Камера дробления дробилки мелкого дробления:

1 - коническая чаша; 2 - дробящий конус; 3 - вал; ОО - ось дробилки; 00\ - ось вала конуса; / - длина зоны калибровки; 5 - ширина разгрузочной щели

Форма дробящих конусов дробилок, отличающаяся пологостью, способствует повышению их производительности. Кроме того, при пологих конусах увеличивается влияние качаний конуса на разгрузку дробленого продукта. Камера дробления мелкого дробления имеет, по сравнению с камерой среднего дробления, большую длину зоны калибровки и дробящий конус меньшей высоты.

Конусные дробилки среднего и мелкого дробления отличаются от дробилок крупного дробления повышенной величиной эксцентриситета стакана (е> 100 мм), определяющего амплитуду качаний дробящего конуса.

На рис. 1.5 и 1.6 приведены типовые характеристики дробленого продукта конусных дробилок среднего и мелкого дробления.

Конусные дробилки среднего и мелкого дробления могут давать большие степени дробления / < 15. Но обычно работают при степенях дробления / = 4-7.

Для конусных дробилок среднего и мелкого дробления с пологим профилем камеры дробления величина разгрузочной щели на закрытой стороне определяет крупность продукта, а величина приемной щели на открытой стороне - предельную крупность питания.

Для дробилок крупного дробления (ККД и КРД) с крутым профилем камеры дробления размер разгрузочной щели в открытом положении определяет крупность продукта, а в закрытом положении - предельную степень деформации материала.

Структура цикла дробления и количество стадий дробления зависит от размера исходных кусков, требуемого размера конечного продукта дробления, а также от характеристик физико-механических свойств горной породы.

Так как качество конечного продукта дробления обеспечивается дробилками мелкого (и тонкого) дробления, то в результате функционирования технологического оборудования предшествующих стадий дробления должно быть получено необходимое количество и ассортимент (гранулометрический

состав) материала, подаваемого в дробилки мелкого дробления, в зависимости от режима ее работы [ 1 ].

%

80

160 ю )Я

3 §¿0

2 >>

^20

О

О 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 Крупность в долях ширины разгрузочной щели дробилки

Рис. 1.5. Типовые характеристики крупности дробления продуктов конусных дробилок среднего дробления: 1 - твердые руды; 2 - руды средней твердости; 3 - мягкие руды

%

о

X &

я о.

%4

>>

О

20

0

\ 2

1

з'

0 0.4 0 .8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8

Крупность в долях ширины разгрузочной щели дробилки

Рис. 1.6. Типовые характеристики крупности дробления продуктов конусных дробилок мелкого дробления: 1 - твердые руды; 2 - руды средней твердости; 3 - мягкие руды

Таким образом, дробилки мелкого (и тонкого) дробления, являясь выходным звеном цикла дробления, определяют качество материала, подавае-

мого в цикл измельчения и, в конечном счете, эффективность функционирования измельчительного оборудования.

В целом, эволюционное развитие технологии и техники процессов дезинтеграции горных пород при механической обработке полезных ископаемых характеризуется, главным образом, модернизацией конструкций дробилок мелкого дробления с целью повышения степени дробления и снижения крупности питания мельниц. Это обеспечивает, в конечном счете, повышение эффективности рудоподготовительных операций за счет сущест