автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности вибрационной мельницы для помола минерального сырья

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЫ ДЛЯ ПОМОЛА МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальное i ь 05.05.06 - «Горные машины»

Авторсфераг диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КАРТАВЫЙ НИКОЛАЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор БАРДОВСКИЙ АНАТОЛИЙ ДАНИЛОВИЧ кандидат технических наук СТЕПАНОВ АЛЕКСАНДР ЛЬВОВИЧ

Ведущее предприятие - Московский камнеобрабатывающий комбинат ООО «ИНЖИНИРИНГ»

Защита диссертации состоится «23» декабря 2005 г. в 14.00 в ауд. Д-250 на заседании диссертационного совета Д-212.128.09 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГСП, Москва, Ленинский проспект, 6. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГУ.

Автореферат разослан «23» ноября 2005 г. Ученый секретарь диссертационного совета:

кандидат технических наук, профессор ШЕШКО ЕВГЕНИЯ ЕВГЕНЬЕВНА

¿ию&-¿Г

3 С Р ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема повышения эффективности тонкого и весьма тонкого измельчения горных пород в настоящее время приобрела важное значение в связи с растущими потребностями многих отраслей промышленности: горной, строительной, химической, сельскохозяйственной и др. в мелкодиспергированных материалах из твёрдого минерального сырья, которые используются в виде конечных продуктов и как сырьё при производстве строительных и других изделий и материалов.

Важное место помол твёрдого минерального сырья занимает при переработке полезных ископаемых и обогащении. Достаточно сказать, что все руды чёрных и цветных металлов и уголь при обогащении подвергаются тонкому измельчению.

Процесс тонкого и особо тонкого измельчения весьма энергоёмкий и материалоёмкий. Так, в циклах обогащения он поглощает свыше 50% электроэнергии и требует больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Основное оборудование, применяемое для помола, - вращающиеся барабанные шаровые мельницы различных конструкций, которые характеризуются низкой удельной производительностью, большой энергоёмкостью, а также не всегда обеспечивают получение продуктов требуемого качества.

Разработка более совершенных и перспективных измельчительных машин, способных осуществлять процесс помола более эффективно, является назревшей проблемой.

Одним из прогрессивных типов измельчительных машин являются вибрационные мельницы, которые обеспечивают высокую удельную производительность при относительно низких энергозатратах, регулируемую тонину продуктов помола, имеют значительно меньшие габариты по сравнению с барабанными мельницами, что открывает принципиальную возможность сокращения производственных площадей, транспортных средств, капитальных и эксплуатационных затрат. Несмотря на эти преимущества вибрационных мельниц, они не получили сравнимого с барабанными мельницами применения, что объясняется их ограничениями по производительности, более высокими динамическими нагрузками и другими причинами. Их устранение возможно в результате научных и конструкторских работ. Поэтому повышение эффективности вибрационных мельниц является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в установлении зависимостей основных кинематических параметров движения мелющих тел, мощности привода от режимных и других параметров горизонтальной вибрационной мельницы и на основе этих зависимостей повышение эффективности её работы.

Идея работы. Повышение эффективности горизонтальной трубной

вибрационной мельницы обеспечивается—на—оспогю -совершенствования

РОС. НАЦИОНАЛЬНА I БИБЛИОТЕКА . С.Оетмбляг г/ . 2 •>9

механики движения её мелющей загрузки.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Повышение эффективности горизонтальных вибрационных мельниц может быть обеспечено за счёт уменьшения или ликвидации в загрузке помольных камер застойных зон, что может быть достигнуто путём совершенствования конструктивной схемы и кинематических параметров движения мелющих тел, в частности при организации движения мелющих тел по линейным или сильно вытянутым направленным эллиптическим траекториям и в основном ударном измельчении материала мелющими телами. Такая механика движения мелющих тел может бьггь осуществлена применением на вибрационных мельницах горизонтальных трубных помольных камер и самобалансных центробежных вибровозбудителей.

2. Разработанная математическая модель горизонтальной вибрационной мельницы отражает основные особенности её динамических процессов и учитывает диссипативные потери. Определение коэффициентов диссипативных сил и сдвигов фаз в уравнениях модели обеспечивает с достаточной точностью предложенный экспериментальный метод.

3. Зависимости мощности, потребляемой горизонтальными трубными вибрационными мельницами, от частоты их колебаний в зарезонансяом режиме работы имеют сложный нелинейный характер изменения: с небольшим колебанием значений мощности (до 25-30%) в рабочем диапазоне частот от ю > о»о до со = 6-10 ш0 и с дальнейшим нелинейным ростом мощности по степенной кубической зависимости при увеличении частоты колебаний. Предельное значение частоты колебаний м в рабочем диапазоне определяется, помимо собственной частоты го0, массами дебалансов вибровозбудителей и подвижной части мельницы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

- использованием современного компьютерного оборудования и математического программного обеспечения MatLab 6.5, применением современной виброизмерительной и регистрирующей аппаратуры, современных методов статистической обработки экспериментальных данных;

- достаточным объёмом лабораторных экспериментов, обеспечивающих удовлетворительную сходимость результатов теоретических и экспериментальных данных, расхождение между которыми не превышает 515%;

- корректностью сделанных допущений при построении математической модели.

Научное значение работы заключается:

- в углублении представления о механике движения мелющих тел в вибрационных мельницах и выявлении рабочих зон загрузки помольных

камер;

- в установлении зависимостей основных кинематических параметров движения мелющих тел, мощности привода от режимных и других параметров горизонтальной вибрационной мельницы;

- в разработке математической модели динамики горизонтальной вибрационной мельницы с учётом диссипативных потерь;

- в разработке экспериментального стенда, оборудованного современной измерительной аппаратурой с использованием ПК, методики обработки полигармонических и шумовых сигналов с применением дискретных цифровых фильтров Баттерворта, метода экспериментального определения сдвигов фаз и коэффициентов диссипативных сил.

Практическое значение работы состоит:

- в разработке инженерной методики расчёта мощности привода вибромельницы с учётом диссипативных потерь;

- в разработке предложений и рекомендаций по повышению эффективности горизонтальных вибрационных мельниц, в частности оригинальной схемы горизонтальной вибромельницы, в помольных камерах которой устранены застойные зоны и обеспечивается ударное измельчение материала;

- в определении областей применения вибромельниц с ударным и истирающим способом измельчения.

Реализация рекомендаций и выводов работы.

Разработка предложений и рекомендаций по повышению эффективности горизонтальных вибрационных мельниц,

экспериментальный метод определения сдвигов фаз и коэффициентов диссипативных сил, инженерная методика определения мощности привода трубной горизонтальной вибрационной мельницы приняты для использования при проектировании вибрационных мельниц ФГУП ГИГХС.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на Московском семинаре студентов и молодых учёных МГГУ (Москва, МГГУ, 2002 г.);

- на Московском межвузовском семинаре студентов и молодых учёных «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (Москва, МГГУ, 2004

г.);

- на Международной научно-практической конференции «Неделя Горняка - 2005» (Москва, МГГУ, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 научных статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, включает 72 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 111 наименований, 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время вибрационные мельницы производятся и эксплуатируются в большинстве промышленно-развитых странах мира: Германии, США, Японии, России, Украине, Италии и др. Они эффективно применяются в мелкотоннажных производствах для тонкого и сверхтонкого измельчения разнообразных материалов. Анализ опыта эксплуатации вибрационных мельниц, результаты их исследований и сопоставление с другими измельчителями свидетельствуют о значительных преимуществах вибрационных мельниц по сравнению с барабанными и другими мельницами при тонком и сверхтонком измельчении горных пород и других материалов. Основные из этих преимуществ: высокая удельная производительность (в 3-4 раза выше, чем у шаровых мельниц при тонком помоле твердых и хрупких материалов), меньшее энергопотребление, активация материала, уменьшение габаритов мельниц и капитальных затрат.

Однако в промышленности вибрационные мельницы применяются и эксплуатируются достаточно ограничено в основном в малотоннажных производствах, что не соответствует их преимуществам и возможностям. Это противоречие обусловлено выявленными ограничениями значений параметров, в частности диаметра помольных камер горизонтальных трубных вибромельниц, недостаточной надежностью и виброизоляцией больших колеблющихся масс, что ограничивает использование вибромельниц на крупнотоннажных производствах.

Исследования вибрационных мельниц проводили многие российские и зарубежные ученые: Балаян В.А., Бардовский А.Д., Бедим В.В., Бинкен В., Гончаревич И.Ф., Дмитрак Ю.В., Картавый Н.Г., Красовский Б.П., Королев П.П., Лесин А.Д., Локшина Р.В., Мешков Ф.А., Моргулис М.Л., Овчинников П.Ф., Потураев В.Н., Рааш Ю., Роуз Х.Е., Франчук В.П., Якоям Т. и др. Особенно значительные теоретические и экспериментальные исследования вибрационных мельниц были выполнены в Днепропетровском и Московском горных институтах (ныне Национальной горной академии Украины и Московском государственном горном университете).

В процессе исследований изучались многие актуальные вопросы: механизм измельчения материала мелющими шарами при многократном их воздействии на материал, динамика вибрационных мельниц с учетом технологической нагрузки, их пропускная способность, влияние основных конструктивных и режимных параметров мельниц на показатели их работы, качество получаемого продукта и др.

Несмотря на большой объем выполненных теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов вибрационных

мельниц, не было разработано предложений по устранению или уменьшению застойной зоны и увеличению глубины проникновения колебаний в загрузке помольной камеры горизонтальной трубной мельницы, а в итоге, возможности повышения диаметров помольных камер и, следовательно, производительности этих вибромельниц, а также снижения энергоемкости измельчения.

Застойные зоны практически отсутствуют у вертикальных вибромельниц. Однако при такой схеме мельницы загрузка размещается на просеивающих поверхностях, которые, особенно при сверхтонком измельчении, не представляется возможным сделать достаточно прочными, что ограничивает толщину слоя загрузки, производительность и надежность вертикальных мельниц.

Исследователями вибрационных мельниц предложены математические модели механики движения загрузки в помольных камерах. Однако в связи со сложностью процессов, проходящих в них, приняты допущения, не позволяющие количественно оценивать кинематические и динамические параметры движения загрузки. Поэтому наиболее достоверным остается экспериментальное определение этих параметров.

Предложенные эмпирические или полуэмпирические зависимости для расчета мощности привода вибромельницы базируются на использовании коэффициентов, определяемых экспериментально, что делает эти зависимости применимыми в узких пределах или требует проведения дополнительных экспериментальных исследований. Результаты расчетов, получаемые при использовании предложенных зависимостей, часто не соответствуют фактической мощности или противоречивы.

Создателями вибромельниц предложены разнообразные принципиальные и конструктивные схемы, а также конструкции. При этом не определены области применения различных типов вибромельниц.

Исходя из вышеизложенного, цель работы заключается в установлении зависимостей основных кинематических параметров движения мелющих тел и мощности привода от режимных и других параметров горизонтальной трубной вибрационной мельницы, в разработке её усовершенствованной конструктивной схемы с улучшенной механикой движения мелющей загрузки при тонком и сверхтонком помоле минерального сырья и на этой основе в повышении эффективности работы мельницы.

В соответствии с поставленной целью в диссертации были сформулированы следующие основные задачи исследований:

- создать экспериментальный стенд и разработать методику экспериментальных исследований вибрационных мельниц с использованием ЭВМ и современных измерительных средств для получения новых научных результатов;

- выявить рабочие зоны загрузки помольных камер и выбрать эффективную схему работы загрузки помольных камер;

- определить кинетические параметры движения мелющих тел в помольных камерах;

- установить экспериментальные зависимости мощности привода вибромельницы от частоты колебаний и других ее параметров;

- разработать математическую модель горизонтальной вибромельницы и инженерную методику расчёта мощности её привода;

- разработать предложения по повышению эффективности работы горизонтальной вибромельницы при помоле минерального сырья.

Разработанный в соответствии с поставленными задачами экспериментальный стенд состоял из электродвигателя с закрепленными на его валу дебалансами и помольных камер, размещенных на раме, опиравшейся на четыре цилиндрических пружины. Стенд был оснащён необходимой контрольно-измерительной аппаратурой, в состав которой входили: частотный преобразователь фирмы «MITSUBISHI»; ПК с АЦП (анапогово-цифровым преобразователем) на базе звуковой карты SB 16 и пакета специализированных программ; цифровой мультиметр UT 70В с возможностью передачи данных в режиме реального времени при помощи полупромышленного интерфейса RS-232 на компьютер; ваттметры марки Д-5004; пьезоэлектрические и индукционные вибродатчики и датчик положения; лазерный модуль JIM-2 (световой датчик); видеокамера (рис. 1).

Рисунок 1. Блок-схема экспериментального стенда с измерительной аппаратурой

Электрические сигналы, генерируемые вибрационными датчиками и датчиками положения во время работы вибрационного стенда, в виде переменного напряжения поступали на двухканальный АЦП персонального компьютера (ПК). С помощью АЦП аналоговые электрические сигналы преобразовывались в цифровые коды, которые записывались и сохранялись в файлах на винчестере ПК с помощью программы NERO WAVE EDITOR. В

этой программе устанавливалась максимально высокая частота дискретизации сигналов - 48 кГц, что соответствовало отображению электрических импульсов, поступающих от датчика, с частотой 48000 точек в секунду. Запись производилась в режиме «моно» и «стерео».

Для обработки оцифрованных сигналов использовался математический пакет MATLAB версии 6 5, и с помощью цифровых дискретных фильтров в этой программе производилась очистка сигналов от шумов, а с помощью оператора FFT (быстрое преобразование Фурье) - определение основных частот колебаний стенда.

Фрагмент графического изображения сигнала, поступающего от индукционного датчика вибрации МВ-22 и оцифрованного АЦП, представлен на рисунке 2, а. Для обработки сигналов применялось быстрое преобразование Фурье. В качестве примера на рисунке 2, б представлено распределение частот колебаний стенда в логарифмических координатах.

Рисупок 2. Фрагмент сигнала от индукционного датчика (а) в его частотный спектр (б): 1 - собственная частота, 2 - вынужденная частота, 3 - высокочастотные колебания и шум

Из рисунка 2, б видно, что помимо собственной 1 и вынужденной частот 2 присутствуют колебания высоких частот и шумы 3, вызванные рабочим процессом в помольной камере, дефектами упругих элементов и электрическими помехами.

Для очистки сигнала от высоких частот был сгенерирован цифровой дискретный фильтр нижних частот Баттерворта 5-го порядка, который рассчитывался в программе ЯРТоо!. Данный фильтр позволял пропускать нижние частоты колебаний стенда до 100 Гц и срезать более высокие частоты. Функция квадрата амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) го порядка фильтра НЧ имеет вид:

где а»о - частота среза.

Достоинством филыров Баперворта является их близкая к линейности ФЧХ в полосе пропускания, в связи с чем они имеют существенное преимущество перед другими фильтрами.

Разработанный комплекс экспериментального оборудования: стенд и измерительная аппаратура с использованием ПК и прикладных программ, - позволяет проводить замеры основных параметров (траекторий, скоростей, ускорений и др.) колебательных процессов элементов рабочих органов вибрационных машин, осуществлять обработку полученных экспериментальных данных, в том числе производить спектральный анализ осциллограмм, обеспечивая необходимую точность измерений и экспериментальных данных.

Методика экспериментальных исследований включала метод определения сдвига фаз и коэффициентов диссипативных сил.

Схема вибрационного стенда с установленной на нём измерительной аппаратурой для измерения углов опережения ф колебаний дебалансом приведена на рисунке 3 (помольные камеры условно на стенде не показаны). Измерительная аппаратура, индукционный вибродатчик 3 марки МВ-22 и индукционная катушка 5, крепились на опорной плите колеблющейся части с разных её сторон во избежание взаимных наводок таким образом, что их оси и ось вала электродвигателя размещались в одной вертикальной плоскости. На дебалансе со стороны индукционной катушки закреплялся постоянный магнит 4. Во время прохождения постоянно! о магнита мимо индукционной катушки в ней индуцировалась ЭДС.

о Время I,с 021;

Рисунок 3. Схема экспериментального стенда с измерительной аппарату рой (а) и фрагмент осциллограмм сигналов (б) от индукционного вибродатчика (I) и от индукционной катушки (II): 1 - электродвигатель, 2 - дебалаисы, 3 - индукционный вибродагчик МВ-22, 4 - постоянный магнит, 5 - катушка индуктивности, 6 -

пружины, 7 - рама

Аналоговые электрические сигналы, генерируемые индукционным датчиком вибрации, и сигналы от индукционной катушки, записанные в программе Nero Wave Editor в режиме стерео, поступали на двухканальный АЦП. На рисунке 3, б обозначено: Tt и Т2 - соответственно периоды вращения дебаланса и колебаний подвижной части стенда, t^,, - время

отставания колебаний от дебаланса, точки А и В - максимальные значения ускорений, О и О - крайние верхнее и нижнее положения плиты колеблющейся части стенда. Сигналы от индукционного датчика МВ-22 пропорциональны ускорениям колеблющейся части стенда. Судя по осциллограммам ускорений, колебания близки к гармоническим.

После экспериментального определения углов опережений ср по известным формулам рассчитывались значения коэффициентов диссипативных сил «Ь» и показатели затухания собственных колебаний Ь подвижной части вибромашины:

2 &

Откуда значения коэффициента диссипативных сил:

(2)

6 = 2Ш, (3)

где М - суммарная масса колеблющейся части стенда, кг.

Полученные зависимости сдвига фаз от частоты вращения дсбалансов представлены на рисунке 4. Расхождения значений экспериментальной и теоретической кривой, построенной по формуле (2), в среднем 5%.

Частота вращения дебаланса со, рад/с

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

50

100

150

200

250

300

У--9Е-1С х5^ 6Е-07Х4- 0.0001Х3 ) 0.0 >27хг+ 1.95091 [ + 8.933

И7 = 0,9795

Ч\, % \

Рисунок 4. Зависимости сдвига фаз от частоты вращения дсбалансов

В процессе экспериментальных исследований проводилось изучение механики движения мелющей загрузки в помольных камерах вибрационной трубной горизонтальной мельницы с целью выявления рабочих зон в помольных камерах. На рисунке 5 представлены основные рабочие зоны загрузки помольных камер вибрационной мельницы при различных режимах её работы (зарезонансный, резонансный, дорезонансный).

Зарезонансный режим. В зоне 1 шары расположены возле внутренней поверхности помольной камеры. Они совершали циркуляционное движение с угловой скоростью (Оц и вращались вокруг своего центра тяжести со скоростью шш. В этой зоне происходит наиболее интенсивное истирание материала между мелющими телами и внутренней поверхностью помольной камеры. Скорость циркуляции юц определялась частотой и амплитудой колебаний и находилась в диапазоне 3-17 мин"' при частоте колебаний помольной камеры 125 - 280 рад/с. Следует отметить, что направление угловой скорости дебалансов мд противоположно направлению циркуляции

Юц.

3

Рисунок 5. Основные рабочие зоны загрузки помольных камер вибрационпой трубной горизонтальной мельницы при зарезонансиом (а) и дорезонансном режимах её работы (б): со,, - частота циркуляции загрузки, ю„, -частота вращения шара вокруг ц.т., о>;, - частота вращения дебалансов

В зоне 2 шары вращались хаотично относительно своих центров тяжести и циркулировали с угловой скоростью, близкой к ми. Истирание материала в этой зоне меньше, чем в зоне 1. Стоит отметить гот факт, что все слои шаровой загрузки вращались в помольной камере без проскальзывания относительно соседнего слоя.

Из зон 1 и 2 шары попадали в зону 3, а затем в зону 4. В зоне 3 происходит ударно-истирающее измельчение материала, а в зоне 4 - ударное. Чем выше был угол наклона загрузки а, тем с большей скоростью и ударным импульсом шары скатывались, соударяясь с шарами, находящимися слоем ниже, и попадали в зону 4. За счет увеличения угла наклона загрузки а возрастают ударные импульсы шаров в зоне 4. На величину угла а влияют частота вращения и статический момент дебаланса. С ростом частоты и амплитуды колебаний угол а увеличивается и достигает максимального значения, при котором дальнейшее увеличение амплитуды и частоты колебаний не влияют на изменение угла.

Значения скорости вращения шаров вокруг своего центра тяжести в зонах 1,2, и 3 различны и были в пределах сош = 120 - 180 об/мин.

В застойной зоне 5 измельчающее воздействие шаров на материал минимально, так как ударные импульсы шаров, передаваемые от внутренней поверхности помольной камеры, в результате демпфирования резко уменьшаются. Материал в этой зоне практически не измельчается. Увеличение застойной неэффективной зоны 5 ведёт к уменьшению пропускной способности мельницы, производительности и, как следствие, к повышению удельных энергозатрат на измельчение. Эти результаты исследований механики движения шаров наглядно показали, почему нельзя добиться повышения производительности горизонтальных вибрационных мельниц увеличением диаметра их помольных камер, и подтверждают известные рекомендации по ограничению диаметра.

Таким образом, процесс измельчения материала в помольной камере я при зарезонансном режиме работы мельницы будет происходит за счет:

- истирания о внутреннюю поверхность при циркуляции загрузки относительно неподвижной камеры;

» - истирания материала между шарами, вращающимися вокруг своего

центра тяжести;

- высокочастотного ударного воздействия шаров на материал.

Резонансный режим. При резонансном режиме работы мельницы

шары двигались по линейным траекториям. Ударные импульсы передавались от внутренней поверхности сечению помольной камеры, контактирующему с поверхностью слою шаров и далее шарам соседних слоев.

Режим характеризуется большими амплитудами колебаний шаровой загрузки, значительно превышающими амплитуды колебаний при зарезонансном режиме. Траектории движения колебаний мелющих тел близки к линейным. Застойной зоны при данном режиме не наблюдалось. Процесс измельчения материала при резонансном режиме осуществляется в основном за счет ударного воздействия шаров.

Резонансный режим можно рекомендовать при грубом измельчении материала. Однако его реализация затруднительна в связи с известными I сложностями, возникающими при создании резонансных вибромашин.

Дорезонансный режим. Загрузка в помольной камере вращалась в ту же сторону, что и дебаланс (рис. 5, б). Она совершала циркуляционное г движение с образованием угла а в сторону вращения дебаланса. Частота

вращения загрузки ши была невысокой и составляла 3-5 мин"1 при частоте вращения дебалансов 15 рад/с. Вращение шаров вокруг их центров тяжести не наблюдалось. Амплитуда колебаний загрузки была высокой. Дорезонансный режим можно рекомендовать для грубого измельчения материала.

Результаты проведенных исследований механики движения загрузки подтверждают и объясняют эффективность работы вибрационной мельницы для тонкого и весьма тонкого помола материала в зарезонансном режиме. В этом режиме при горизонтальном и близко к горизонтальному (угол наклона

менее 10°) расположениях камер вибромельниц помольные шары совершают циклические движения вокруг застойных зон с уменьшением линейной скорости слоев шаров к центру вращения загрузки, а также вращение вокруг собственных центров тяжести. Измельчение материала происходит в основном за счет его истирания.

При вертикальном расположении камер шары движутся по линейным или сильно вытянутым эллиптическим траекториям, ориентированным по вертикали. Материал в основном измельчается ударным воздействием шаров.

Несмотря на изученность механики движения мелющих тел в обычных вращающихся барабанных мельницах, были проведены их экспериментальные исследования для сопоставления с горизонтальными вибрационными мельницами в одинаковых условиях и выявления преимуществ последних. Исследования механики движения загрузки во вращающейся помольной камере барабанной мельницы при водопадном и каскадном режимах её работы проводились на специальном стенде по методике, сходной с методикой вибрационной мельницы.

По результатам исследований были выделены основные рабочие зоны загрузки и определены значения кинематических параметров движения мелющих шаров. На рисунке 6 показаны четыре рабочие зоны движения шаров при водопадном, наиболее эффективном, режиме работы барабанной

В зоне 1 шары совершали циркуляционное движение по дуговым траекториям с различными угловыми скоростями. Внешний слой шаров, контактирующий с внутренней поверхностью

помольной камеры, перемещался с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения помольного барабана щ мельницы. Внешний слой шаров загрузки центробежной силой прижимался к внутренней поверхности помольной камеры.

Истирание материала в зоне контакта шаров и внутренней поверхности помольной камеры в отличие от вибрационной мельницы не происходило. Значение угловой скорости второго слоя шаров оъ < соб, за счет чего второй слой шаров проскальзывал по первому слою, а третий - по второму и т.д. в направлении, противоположном направлению вращения барабана. Верхний слой в зоне 1 совершал вращение с угловой скоростью ео3 < о>2. В зоне 1 измельчение материала происходит за счет его истирания между слоями шаров.

I

Ркпунок 6 Основные зоны загрузки в помольной камере вращающейся барабанной мелышцы

В зоне 2 шары двигались по параболическим траекториям, затем попадали в зону 3 и, соударяясь с внутренней поверхностью помольной камеры, выходили на круговые траектории зоны 1. Зона 3 - зона интенсивною измельчения материала ударами шаров.

Зона 4 является застойной зоной с малоподвижным ядром, в которой материал может только медленно истираться.

Таким образом, измельчение материала в помольной камере барабанной мельницы при водопадном режиме работы осуществляется в основном ударным воздействием шаров и в малой степени истиранием и раздавливанием.

Стоит отметить два интересных явления для водопадного режима работы барабанной мельницы:

измельчаемый материал центробежной силой прижимался к внутренней поверхности помольной камеры, а также сосредотачивался между внешними слоями, а в так называемой «застойной» зоне отсутствовал;

- шары большей массы и диаметра сосредотачивались в центре «застойной» зоны загрузки, а не в крайних её слоях, что можно объяснить так называемым эффектом сегрегации. Это явление отрицательно сказывается па измельчении материала, так как шары большего диаметра и массы находятся в малоподвижной зоне, где может даже и не бьгп. материала, а пиры меньшего диаметра - в динамически активных зонах.

Сопоставление результатов механики движения загрузки горизонтальных вибрационных и вращающихся мельниц свидетельствуют о некоторых общих и отличительных особенностях рабочих процессов в их по мольных камерах.

В обеих мельницах наблюдаются малоподвижные «застойные» зоны загрузки, в которых измельчение материала практически не происходит или производится не эффективно; помольные шары совершают циклические движения вокруг «застойных» зон с увеличением циркуляционной скорости движения слоев загрузки, располагающихся дальше от её центра, и т.п.

По сравнению с вращающимися барабанными в вибрационных мельницах может обеспечиваться большая интенсивность рабочего процесса помола материала и снижение энергоёмкости. Это достигается в горизонтальных вибромелышцах за счёт истирания материала мелющими шарами при их вращении и относительном проскальзывании, а в вертикальных мельницах - за счёт отсутствия «застойных» зон и преимущественно ударного измельчения материала.

В результате стендовых исследований горизонтальной вибромельницы получены зависимости скорости движения шаров в помольной камере от степени её заполнения и режимных параметров: частоты и амплитуды колебаний. В частности, на рисунке 7 приведены зависимости линейной скорости движения шаров в зоне 1 от частоты вращения дебалаисов при различных коэффициентах заполнения помольной камеры к стальными шарами и амплитуды - 3,5 мм.

Частота вращения дебаланса, рад/с Коэффициент заполнения к: « 0,9 " 0,8 а-0,7

Рисунок 7. Зависимости линейной скорости движения шаров в зоне I от частоты вращения дебалансов

Из графика видно, что скорость циркуляции загрузки увеличивается с ростом частоты вращения дебалансов и коэффициента заполнения к. Таким образом, для обеспечения циркуляции шаров при маленьких амплитудах колебаний помольной камеры необходимо повышение частоты вращения вибровозбудителя. Линейная скорость движения шаров в зоне 1 (см. рис. 5, а) при различных амплитудах колебаний подвижной части с ростом частоты вращения дебалансов увеличивается и затем стабилизируется. На скорость циркуляции шаров влияет степень заполнения ими помольных камер. При заполнении помольной камеры на 90% её объема скорость циркуляции шаров и загрузки максимальная, а при заполнении на 70% - минимальная. Полученный результат можно объяснить тем, что при большем заполнении помольной камеры шарами увеличивается их взаимодействие с внутренней поверхностью помольной камеры.

В работе установлены экспериментальные зависимости потребляемой мощности привода вибромельницы от частоты колебаний её подвижной части и других параметров (рис. 8).

Анализ зависимостей показывает, что с ростом частоты вращения дебалансов выше 200 с"1 затраты потребляемой мощности увеличиваются. Однако в диапазоне частот га - 120 - 180 с"' наблюдается её снижение, что, по-видимому, связано с разными значениями сдвига фаз между колеблющейся частью мельницы и дебалансами.

По разработанной в диссертационной работе методике определения потребляемой мощности вибрационной мельницей производился её расчет в зависимости от частоты колебаний и сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Сходимость теоретических и экспериментальных значений мощности составляет не менее 85%.

Исследования динамики вибрационных машин с дебалансными

£ зоо 2;

I 250

200 150 100 50 0

У--4Е 08xs + 31 -05х4- 0, J098X3 + 0.997 ,4785х2 -5 107,34х + 3084,8 , у/

> i SjL. * /

j' / Г / / /

-SZ - - ^^r-—'

У ~ -IE-Обх4 1-0,0011х R ' - 0,3248: = 0,9859 1 + 39,72 >х- 1639, !

100

120

240

260

140 . 160 180 200 220 Частота вращения дебаланса <d, рад/с

Массадебаланса • 0,9иг ¿—1,26кг

Рисунок 8. Зависимости потребляемой мощности от частоты вращения дсбалансов

вибровозбудителями, к которым относятся и вибрационные мельницы, выполнялись многими известными учеными и в настоящее время достаточно глубоко изучены. Теоретические исследования работы базируются на работах Бидермана B.JI., Блехмана И.И., Быховского И.И., Вайсберга Л.А., Гончаревича И.Ф., Пановко Я.Г., Потураева В.И., Франчука В.П. и др.

На рисунке 9 изображена динамическая схема горизонтальной вибрационной мельницы.

Рисунок 9. Динамическая схема мельницы: 1 - электродвигатель, 2 - помольные камеры, 3 • колеблющаяся часть

(4)

При составлении математической модели мельницы были сделаны следующие обоснованные допущения:

- загрузка помольных камер одинакова, и поэтому центр тяжести (ц.т.) расположен на оси х;

- координаты х„ и хс приняты равными нулю, учитывая, что 1/2» х„ и 1/2» хс;

- жёсткость пружин одинакова при сжатии и растяжении;

- коэффициенты демпфирования bM by одинаковы при сжатии и растяжении, а коэффициент by = const при уг ловых колебаниях по и против часовой стрелке.

С учетом сделанных допущений упрощенная математическая модель вибрационной мельницы имеет вид:

Мх + Ь^х + схх = Fd cos(<cot + (рх);

< My+ Ьуу + суу = Fd sin(ft>/ + q>y)\

J у/ + ЬуЦ/ + cwy/ - FaH sin(fi* + £),

где M - суммарная масса колеблющейся части мельницы с учетом массы дебалансов, кг,

шд, ш6, mIU - соответственно масса дебаланса. помольной камеры и опорной подвижной плиты (рамы) мельницы, кг; J - момент инерции, кгм2;

са - круговая частота вынужденных колебаний, с"1;

тах, ф3, £ - углы опережения дебалансным вибровозбудителем линейных и угловых смещений системы (сдвиг фаз), рад;

bx, by, bv - коэффи1шенты демпфирования линейных, [Нс/м], и у1ловых, [Нс/рад], колебаний:

Ъу =46; и br=bxLm

сх, Су и с¥ - жёсткости опор по осям х, у, Н/м, и угловая жёсткость, Н/рад:

/2

су=4сУ и

bx и by, сх и су - коэффициенты демпфирования и жесткости одной упругой опоры.

Вид математической модели в канонической форме:

р

х + 2 hxx + mljc = — cos(oi + q>x);

M p

У + 2 hyy + a>ly = + <py );

2 F

ij/ + 2 hw\f/ + o>^4> = —Hsm{aX + £),

U

где р - радиус инерции колеблющейся части относительно её ц.т.;

2h = — М

у м

i

2h - Ь-1

М4р2

1

©Оу, соо,, - собственные круговые частоты колебаний по осям х и у и угловых колебаний вокруг центра тяжести «О» (см. рис. 9):

2 i2

Ü>¡iy=e>l-—T. (6)

Разработанная математическая модель учитывает коэффициенты диссипативных сил, что позволяет уточнить инженерные расчеты динамических нагрузок, режимных параметров и потребляемой мощности.

Решение математической модели не преде 1авляет сложности. Частные решения уравнений находились подстановкой в них функций в виде:

х = Ах cos cat; х = -Ахсо sin cot; х - -Ахсо2 cos cot; (7)

у = A sin cot; у - Аусо cos аЛ',у = - Ауа)2 sin ¿oí; (8)

ц> - Av sin (ot\ \¡f = Awco cos cot; ц) --Awoj2 sin cot. (9)

При этом значения амплитуд и коэффициентов затухания определялись по известным из теории колебаний формулам. При расчете коэффициентов затухания собственных колебаний использовались экспериментальные данные по сдвигу фаз.

В качестве примера на рисунке 10 приведены зависимости максимальных ускорений в центрах помольных камер 06 при их поступательном перемещении по оси х. Из графиков рисунка видно, что максимальное ускорение колеблющейся части стенда достигало значения 250 м/с2 при массе и частоте стенда 28 кг и 40 Гц.

Максимальное значение скорости перемещения по результатам расчётов достигало 0,5-0,55 м/с.

Проведенные по предложенной методике расчёты потребляемой мощности показали, что основная часть мощности расходуется на поддержание колебаний подвижной части мельницы, включая загрузку помольных камер.

Потребляемая дебалансами мощность мало изменялась с увеличением колеблющихся масс, что объясняется уменьшением амплитуд колебаний.

Мощность, затрачиваемая на колебания подвижной части мельницы при её работе в зарезонансном режиме, имеет сложную нелинейную зависимость от частоты вращения дебалансов. На расчётных графиках мощности можно выделить два диапазона частот с разным характером изменения мощности: со слабо выраженным максимумом в начале и резким ростом после достижения определенной частоты, что совпадает с экспериментальными зависимостями. Расчетные значения мощности и установленная мощность приводов горизонтальных вибрационных мельниц МВО-200 и МВО-400 оказались весьма близкими. Расхождение в их значениях не превышает 1 (К30%.

о

О у

V = 2Е-05Х2'562 /

R2 = 0,9722 У я

у = 4Е-05Х2,741

R' = 0,9719 а^* -j—

Rz = 0,9832

50

250

100 150 200

Частота вращения дебаланса, рад/с Масса колеблющейся части- »-28 кг 38 кт 4-48 кг Рисунок 10. Зависимости максимальных ускорений помольных камер стенда от частоты вращения дебаланса

По результатам исследований предложена усовершенствованная конструктивная схема трубной горизонтальной вибрационной мельницы с вертикальными линейными колебаниями. Основное её отличие от существующих схем заключается в том, что продольная ось помольной камеры или оси помольных камер повернуты на 90* к осям центробежных вибровозбудителей, что обеспечивает направленные линейные колебания помольных камер. Предложенная схема вибромельницы может быть реализована при использовании двух или более центробежных синхронизированных вибровозбудителей. Такая схема мельницы позволяет устранить «застойную» зону в центре помольной камеры или камер и одновременно улучшить механику движения мелющих тел.

Преимущества вибрационной мельницы по предлагаемой схеме по сравнению:

1. с вертикальным расположением помольной камеры:

- увеличение площади контакта загрузки с помольной камерой и передаваемой ей мощности;

- устранение ограничений параметров мельницы прочностью просеивающих перегородок.

2. с горизонтальным расположением помольной камеры (классическая схема):

- отсутствие «застойной» зоны в загрузке;

- возможно увеличение амплитуды колебаний загрузки.

Таким образом, в предложенной схеме реализованы преимущества рабочего процесса обеих типов мельниц: более высокая эффективность ударного измельчения материала и отсутствие «застойной» зоны в помольной камере, устранение конструктивных недостатков вертикальных

мельниц, связанных с наличием горизонтальных просеивающих перегородок, и возможность регулирования пропускной способности помольных камер путём изменения их угла наклона и длины.

Вместе с тем следует отметить, что вибрационная мельница по предложенной схеме обеспечивает увеличение производительности мельниц и снижение энергоёмкости помола, что особенно важно для крупнотоннажного производства.

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности горизонтальных вибрационных мельниц для помола твердого минерального сырья, что обеспечит улучшение технико-экономических показателей работы этих мельниц и технологических процессов тонкого и сверхтонкого измельчения сырья при его переработке и обогащении.

1. На технические и технологические показатели эффективности работы горизонтальных вибрационных мельниц существенное влияние оказывает малоподвижная «застойная» зона в мелющей загрузке помольных камер, в которой измельчение материала практически не происходит или производится неэффективно. Уменьшение или ликвидация этой зоны дает возможность повысить производительность и эффективность мельниц, что может быть достигнуто улучшением механики движения мелющих тел.

2. По сравнению с барабанными мельницами в вибрационных мельницах рабочий процесс помола материала происходит с большей интенсивностью, которая обеспечивается в горизонтальных вибромельницах более интенсивным истиранием материала мелющими телами при их относительном проскальзывании, а в вертикальных - отсутствием «застойных» зон и преимущественно ударным измельчением материала.

3. При горизонтальном и близко к горизонтальному (наклон < 10°) расположениях помольных камер вибромельниц мелющие шары совершают циклические движения вокруг застойных зон с большой угловой скоростью в зарезонансном и малой в дорезонансном режимах. Скорость циркуляционных движений мелющих шаров увеличивается с ростом амплитуды колебаний помольных камер и имеет максимальные значения при их заполнении на 90%, что соответствует максимальной производительности мельниц. Линейная циркуляционная скорость шаров снижается с уменьшением степени заполнения, вследствие чего падает энерговооруженность загрузки и эффективность мельницы.

4. Математическая модель горизонтальной вибрационной мельницы может быть использована при расчетах её динамических нагрузок и режимных параметров. Значения сдвигов фаз <р рекомендуется принимать по полученным экспериментальным данным. Для зарезонансного режима работы горизонтальных мельниц ср = 160 + 178° при ы - 4 10 ©о, где шо -собственная частота колебаний.

5. Минимизация мощности привода и удельных энергозатрат на помол обеспечивается при работе вибрационных мельниц в рабочем диапазоне частот колебаний 100 - 200 рад/с и размещении осей дебалансов в центре тяжести их подвижных частей.

6. Повышение эффективности вибромельниц может быть обеспечено совершенствованием их конструктивных схем. В работе предложена схема трубной горизонтальной вибромельницы, в помольной камере которой устранена малоподвижная «застойная» зона, а измельчение материала осуществляется в основном ударными воздействиями мелющих тел на материал. При этом обеспечивается повышение производительности мельниц, увеличение удельной энергонапряжённости помольных камер и интенсификации в них рабочего процесса.

7. Мельницы, выполненные по предложенной схеме, особенно эффективны будут для тонкого крупнотоннажного производства, а традиционные трубные горизонтальные мельницы, осуществляющие помол преимущественно истиранием, - для особо тонкого малотоннажного помола материалов. При повышенной степени измельчения материала может быть рациональным использование технологии двухстадийного помола с установленной на первой стадии предлагаемой вибромельницы, а на второй стадии - традиционной трубной горизонтальной вибромельницы.

8. Ожидаемый годовой экономический эффект только от повышения производительности вибрационной мельницы с двумя помольными камерами диаметром 150 - 200 мм при её реализации по предложенной схеме составит 1458000 руб. на одну мельницу при производстве доломитовой муки.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Фёдоров С.М. Результаты экспериментальных исследований механики шаров в вибрационной мельнице. Горный информационно-аналитический бюллетень, выпуск №8. - М : Изд-во МГГУ, 2005, 226-229 стр.

2. Фёдоров С.М. Сравнительный анализ механики движения шаров в барабанной и вибрационной мельницах. Горный информационно-аналитический бюллетень, выпуск №12. - М.: Изд-во МГГУ, 2005, 208-215 стр.

3. Фёдоров С.М. Результаты экспериментальных исследований величины мощности, затрачиваемой вибрационным стендом. Горный информационно-аналитический бюллетень, Деп. Рук. № 431/12-05 от 27.09.2005, 6 стр. - М.: Изд-во МГГУ.

4. Фёдоров С.М. Экспериментальное определение фазы колебаний

одномассной вибрационной машины с дебалансным вибровозбудителем. Горный информационно-аналитический бюллетень, Деп. Рук. № 430/12-05 от 27.09.2005, 9 стр. - М.: Изд-во МГГУ.

Подписано в печать 18 11.2005 Формат 60><90/16

Объем 1 п. л. Тираж! 00 экз Заказ №///¿7

Типография Московского государственною юрного университета Ленинский проспект, д.6

»24 103

РНБ Русский фонд

2006-4 25366

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса н задачи исследований.

1.1. Общие сведения.:.

1.2. Сравнительный анализ конструктивных схем и основных направлений в проектировании и использовании вибрационных мельниц.

1.3. Анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию вибрационных мельниц.

1.4. Анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию шаровых мельниц.

1.5. Цели и задачи исследований.

Выводы.1.

Глава 2. Методика экспериментальных исследований.

2.1. Устройство и описание - лабораторных стендов и измерительной аппаратуры.

2.2. Метод обработки сигналов, поступающих от датчиков.

2.3. Методика экспериментального определения сдвига фаз.

2.4. Траектории движения вибростенда.

Выводы.

Глава 3. Результаты экспериментальных исследовании механики движения мелющей загрузки в помольной камере и потребляемой приводом дебаланса мощности.

3.1. Предпосылки исследований.

3.2. Определение сдвигов фаз и коэффициентов диссипативных сил.

3.3. Барабанная шаровая мельница.

3.3.1. Каскадный режим движения шаров в помольной камере барабанной мельницы.

3.3.2. Водопадный режим движения шаров в помольной камере барабанной мельницы. У

3.3.3. Режим центрифугирования шаров в помольной камере барабанной мельницы.

3.4. Горизонтальная трубная вибрационная мельница.

3.4.1. Механика движения шаров в помольной камере вибрационной мельницы при зарезонансном р'ежиме работы.

3.4.2. Механика движения шаров в помольной камере вибрационной мельницы при резонансном режиме работы.

3.4.3. Механика движения шаров в помольной камере вибрационной мельницы при дорезонансном режиме работы.

3.5. Скорости движения мелющих тел.

3.6. Сравнительный анализ механики движения загрузки в барабанной и вибрационной мельницах.

3.7. Экспериментальные исследования мощности.

Выводы.

Глава 4. Теоретические исследования горизонтальной трубной вибрационной мельницы.

4.1. Общие сведения.

4.2. Математическая модель вибромельницы.

4.3. Методика расчёта мощности, потребляемой мельницей.

4.4. Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований.

4.5. Совершенствование конструктивной схемы вибрационной мельницы.

4.6. Расчёт экономического эффекта от увеличения производительности горизонтальной вибромельницы.

Выводы.

Актуальность работы. Проблема повышения эффективности тонкого и весьма тонкого измельчения горных пород в настоящее время приобрела важное значение в связи с растущими потребностями многих отраслей промышленности: горной, строительной, химической, сельскохозяйственной и др. в мелкодиспергированных материалах из твёрдого минерального сырья, которые используются в виде конечных продуктов и как сырьё при производстве строительных и других изделий и материалов.

Важное место помол твёрдого минерального сырья занимает при переработке полезных ископаемых и обогащении. Достаточно сказать, что все руды чёрных и цветных металлов и уголь при обогащении подвергаются тонкому измельчению.

Процесс тонкого и особо тонкого измельчения весьма энергоёмкий и материалоёмкий. Так, в циклах обогащения он поглощает свыше 50% электроэнергии и требует больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Основное оборудование, применяемое для помола, — вращающиеся барабанные шаровые мельницы различных конструкций, которые характеризуются низкой удельной производительностью, большой энергоёмкостью, а также не всегда обеспечивают получение продуктов требуемого качества.

Разработка более совершенных и перспективных измельчительных машин, способных осуществлять процесс помола более эффективно, является назревшей проблемой.

Одним из прогрессивных типов измельчительных машин являются вибрационные мельницы, которые обеспечивают высокую удельную производительность при относительно низких энергозатратах, регулируемую тонину продуктов помола, имеют значительно меньшие габариты по сравнению с барабанными мельницами, что открывает принципиальную возможность сокращения производственных площадей, транспортных средств, капитальных и эксплуатационных затрат. Несмотря на эти преимущества вибрационных мельниц, они не получили сравнимого с барабанными мельницами применения, что объясняется их ограничениями по производительности, более высокими динамическими нагрузками и другими причинами. Их устранение возможно в результате научных и конструкторских работ. Поэтому повышение эффективности вибрационных мельниц является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в установлении зависимостей основных кинематических параметров движения мелющих тел, мощности привода от режимных и других параметров горизонтальной вибрационной мельницы и на основе этих зависимостей повышение эффективности её работы.

Идея работы. Повышение эффективности горизонтальной трубной вибрационной мельницы обеспечивается на основе совершенствования механики движения её мелющей загрузки.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Повышение эффективности горизонтальных вибрационных мельниц может быть обеспечено за счёт уменьшения или ликвидации в загрузке помольных камер застойных зон, что может быть достигнуто путём совершенствования конструктивной схемы и кинематических параметров движения мелющих тел, в частности при организации движения мелющих тел по линейным или сильно вытянутым направленным эллиптическим траекториям и в основном ударном измельчении материала мелющими телами. Такая механика движения мелющих тел может быть осуществлена применением на вибрационных мельницах горизонтальных трубных помольных камер и самобалансных центробежных вибровозбудителей.

2. Разработанная математическая модель горизонтальной вибрационной мельницы отражает основные особенности её динамических процессов и учитывает диссипативные потери. Определение коэффициентов диссипативных сил и сдвигов фаз в уравнениях модели обеспечивает с достаточной точностью предложенный экспериментальный метод.

3. Зависимости мощности, потребляемой горизонтальными трубными вибрационными мельницами, от частоты их колебаний в зарезонансном режиме работы имеют сложный нелинейный характер изменения: с небольшим колебанием значений мощности (до 25-30%) в рабочем диапазоне частот от ю > Юо до ю = 6^-10 ю0 и с дальнейшим нелинейным ростом мощности по степенной кубической зависимости при увеличении частоты колебаний. Помимо собственной частоты ю0, предельное значение частоты колебаний со в рабочем диапазоне определяется массами дебалансов вибровозбудителей и подвижной части мельницы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

- использованием современного компьютерного оборудования и математического программного обеспечения MatLab 6.5, применением современной виброизмерительной и регистрирующей аппаратуры, современных методов статистической обработки экспериментальных данных;

- достаточным объёмом лабораторных экспериментов, обеспечивающих удовлетворительную сходимость результатов теоретических и экспериментальных данных, расхождение между которыми не превышает 515%;

- корректностью сделанных допущений при построении математической модели.

Научное значение работы заключается:

- в углублении представления о механике движения мелющих тел в вибрационных мельницах и выявлении рабочих зон загрузки помольных камер;

- в установлении зависимостей основных кинематических параметров движения мелющих тел, мощности привода от режимных и других параметров горизонтальной вибрационной мельницы;

- в разработке математической модели динамики горизонтальной вибрационной мельницы с учётом диссипативных потерь;

- в разработке экспериментального стенда, оборудованного современной измерительной аппаратурой с использованием ПК, методики обработки полигармонических и шумовых сигналов с применением дискретных цифровых фильтров Баттерворта, метода экспериментального определения сдвигов фаз и коэффициентов диссипативных сил.

Практическое значение работы состоит:

- в разработке инженерной методики расчёта мощности привода вибромельницы с учётом диссипативных потерь;

- в разработке предложений и рекомендаций по повышению эффективности горизонтальных вибрационных мельниц, в частности оригинальной схемы горизонтальной вибромельницы, в помольных камерах которой устранены застойные зоны и обеспечивается ударное измельчение материала;

- в определении областей применения вибромельниц с ударным и истирающим способом измельчения.

Реализация рекомендаций и выводов работы.

Разработка предложений и рекомендаций по повышению эффективности горизонтальных вибрационных мельниц, экспериментальный метод определения сдвигов фаз и коэффициентов диссипативных сил, инженерная методика определения мощности привода трубной горизонтальной вибрационной мельницы приняты для использования при проектировании вибрационных мельниц ФГУП ГИГХС.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на Московском семинаре студентов и молодых учёных МГТУ (Москва, МГГУ, 2002 г.);

- на Московском межвузовском семинаре студентов и молодых учёных «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (Москва, МГГУ, 2004 г.);

- на Международной научно-практической конференции «Неделя Горняка - 2005» (Москва, МГГУ, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 научных статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, включает 72 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 111 наименований, 4 приложения.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа результатов исследований вибромашин наиболее приемлемым и эффективным для горизонтальных вибрационных мельниц является зарезонансный режим их работы (со > 4-^5 соо), при котором обеспечиваются требуемые режимные, динамические параметры, а также возможность повышения эффективности вибромельницы. При работе вибромельницы в дорезонансном режиме для обеспечения необходимых технологических режимов требуется применение значительно более жестких упругих элементов, что, как известно, увеличивает динамические нагрузки на фундамент мельницы, а также мощность привода мельницы в связи с необходимостью преодоления упругих сил.

2. Предложенная математическая модель вибрационной мельницы обеспечивает выбор её режимных и динамических параметров, а предложенная расчётная методика - определение мощности привода дебалансных вибровозбудителей мельницы.

3. Сопоставление расчётных значений мощности привода и экспериментальных стендовых данных, теоретических и экспериментальных зависимостей мощности от частоты колебаний мельницы для зарезонансного режима показывает хорошую сходимость её величины и характера изменения графиков. Расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями составляет 10 — 15%. Это свидетельствует о достаточной для инженерных расчётов достоверности предложенной в работе расчётной методики для определения мощности вибрационных мельниц.

4. Предложенная конструктивная схема горизонтальной трубной вибрационной мельницы включает самосинхронизирующиеся дебалансные вибровозбудители и помольную камеру (или камеры). Причём ось последней перпендикулярна осям вибровозбудителей. Схема позволяет исключить малоподвижную застойную зону в загрузке камеры и обеспечить в основном ударное измельчение материала, что повышает за счёт интенсификации рабочего процесса эффективность вибрационной мельницы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи повышения эффективности вибрационной мельницы для помола горных пород, что обеспечит улучшение технико-экономических показателей этих мельниц и технологических процессов тонкого и сверхтонкого помола и, в частности, снижение энергозатрат.

Выполненные в работе исследования позволили сделать следующие основные научные и практические выводы и рекомендации:

1. На технические и технологические показатели эффективности трубных горизонтальных вибрационных мельниц существенное влияние оказывает наличие малоподвижной «застойной» зоны мелющей загрузки помольных камер. Уменьшение или ликвидация этой зоны может повысить производительность и эффективность мельниц.

2. По сравнению с барабанными мельницами в вибрационных мельницах может обеспечиваться большая интенсивность рабочего процесса помола материала. Это достигается в трубных горизонтальных мельницах за счёт истирания материала мелющими шарами при их относительном проскальзывании, а в вертикальных мельницах — отсутствием «застойных» зон и преимущественно ударным измельчением материала.

3. Предложенный метод позволяет экспериментально определять углы сдвига фаз и коэффициенты диссипативных сил вибрационных машин. Для вибрационных мельниц с горизонтальным размещением помольных камер и их работе в зарезонансном режиме, по данным замеров, углы сдвига фаз находятся в диапазонах ф = 16(Н178°, при со = 4-КО соо, где соо - собственная частота колебаний.

4. В зарезонансных режимах работы вибромельницы линейная скорость движения мелющих шаров в рабочих зонах помольной камеры растёт медленнее, чем увеличивается частота колебаний, стабилизируясь при определённой, зависящей от степени заполнения камеры мелющими шарами и их диаметра, частоте. Работа мельниц с более высокой частотой приводит к излишним энергозатратам на помол. Линейная скорость шаров снижается с уменьшением степени заполнения, и, следовательно, снижается энерговооружённость загрузки и эффективности мельницы. Скорости движения мелющих тел увеличиваются с ростом амплитуды колебаний по логарифмическим зависимостям.

5. Минимизация мощности привода и удельных энергозатрат на помол обеспечивается при работе вибрационных мельниц в рабочем диапазоне частот колебаний 100 200 рад/с. Подавляющая часть мощности расходуется на колебательный процесс и только до 25% на рабочий процесс в помольной камере мельницы.

6. Повышение эффективности вибромельниц может быть обеспечено совершенствованием их конструктивных схем. В работе предложена схема трубной горизонтальной вибромельницы, в помольной камере которой устранена малоподвижная «застойная» зона, а измельчение материала осуществляется в основном ударными воздействиями мелющих тел на материал. При этом обеспечивается повышение производительности мельниц, увеличение удельной энергонапряжённости помольных камер и интенсификация в них рабочего процесса.

7. Эффективность вибрационных мельниц также может быть повышена за счет более рационального определения области применения. Мельницы, выполненные по предложенной схеме, особенно эффективны будут для тонкого крупнотоннажного производства, а традиционные трубные горизонтальные мельницы, осуществляющие помол в основном истиранием, - для особо тонкого малотоннажного помола материалов. При повышенной степени измельчения материала может быть рациональным использование технологии двухстадийного помола с установленной на первой стадии предлагаемой вибромельницы, а на второй - традиционной трубной вибромельницы.

1. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/б.х. СПб.: БВХ-Петербург, 2003.-736 е.: ил.

2. Анциферов А.В., Титов А.А. Анализ исследований механики движения загрузки вибрационных мельниц, Науковий Вютник, 2002, №5, 55 62 с.

3. Балаян В.А. Определение рациональных параметров наклонных вибрационных мельниц для измельчения отходов карбонатных карьеров. Дисс. к.т.н. М., 1982. - 196 с.

4. Бардовский А.Д., Дмитрак Ю.В. Горные машины и оборудование. Учебное пособие. М.: МГГУ, 2002. - 100 с.

5. Бедим В.В. Обоснование и выбор параметров наклонных вибрационных мельниц для измельчения влажных отходов карбонатных карьеров. М.: МГИ, 1985. - 18 с.

6. Бедим В.В. Опыт создания и исследование наклонной вибрационной мельницы для горных пород. В сб.: Вибрационная техника. Изд-во МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1984. с. 9-10.

7. Бердник П.С., Солоная Е.В., Денисов П.Д. К вопросу о динамической синхронизации вибровозбудителей в вибрационной мельнице. Сборник научных трудов НТУ «ХПИ». Харьков, Вып. 1 (4). 2001.

8. Бидерман B.JI. Теория механических колебаний. М.: «Высшая школа», 1980. - с. 408.

9. Блехман И.И. Вибрация «изменяет законы механики». Природа, 2003, №11.

10. Блехман И.И. Вибрационная механика. Наука, 1997. — с. 397.

11. Быховский И.И. Основы теории вибрационной техники. М., Машиностроение, 1968. - 362 с.

12. Вайсберг JI.A., Зарогатский Л.П., Сафронов А.Н. Вибрационная дезинтеграция как основа энергосберегающих технологий при переработке полезных ископаемых. Обогащение руд, 2001, №1, с. 510.

13. Вайсберг Л.А., Рубисов Д.Г. Вибрационное грохочение сыпучих материалов: моделирование процесса и технологический расчёт грохотов. Санкт-Петербург, 1994. 47 с.

14. Вайсберг JI.A. Проектирование и расчёт вибрационных грохотов. — М.: Недра, 1986.-с. 144.

15. Варсанофьев В.Д., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. — М.: Химия — 240 с. с ил.

16. Варшавский В.Я., Скворцов JI.C., Грачёва Р.С. Новая технология измельчения промышленных отходов. Экология и промышленность России, 2001, №5. с. 14-17.

17. Вибрации в технике. Справочник в 6 т. т. 1, Машиностроение, М.: 1999, 504 е., т.4, Машиностроение, М.: 1981. - 510 с.

18. Голиков Н.А., Жмыря В.А., Савченко В.ГТ. Вибрационные мельницы периодического действия MB. Цветная металлургия, 1992, №2, с. 4549.

19. Гольдберг Е.Л., Жанаев И.Д. Моделирование измельчения и дефектообразования в вибрационной мельнице. Сиб. хим. журн. №4. с. 116-120.

20. Гончаревич И.Ф. Вибротехника в горном производстве. М.: Недра, 1992.-319 е.: ил.

21. Гончаревич И.Ф., Дьяков В.А. Транспортные машины и комплексы непрерывного действия для скальных грузов. — М.: Недра, 1999, 330 с.

22. Гончаревич И.Ф., Земсков В.Д., Корешков В.И. Вибрационные грохоты и конвейеры. Госгортехиздат, 1960, 215 с.

23. Дамдинова Д.Р., Дондуков В.Г. Учебное пособие по дисциплине «Механическое оборудование предприятий строительной индустрии»: Изд. ВСГТУ Улан-Удэ, 2004. с. 104.

24. Дмитрак Ю.В. Теория движения мелющей загрузки и повышение эффективности оборудования для тонкого измельчения горных пород. Автореф. дисс. д.т.н., М.: МГГУ, 2000.

25. Добрынин С.А., Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного исследования вибрации машин. Справочник. — М.: Машиностроение. 1987. — 224 е.: ил.

26. Дэвис Э. Тонкое дробление в шаровых мельницах. Теория и практика дробления и тонкого измельчения. М.: 1932. - с. 153 - 170.

27. Зеленков С.Ф. Исследование движения загрузки в мельнице с устройствами, разрушающими застойную зону мелющей загрузки. Машины и комплексы для нов. экол. чист, пр-в в строит, матер. -Белгород, 1994.-е. 84-88.

28. Ильин М.М., Колесников К.С., Саратов Н.С. Теория колебаний, — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. с. 271.

29. Картавый Н.Г., Доброборский Г.А. Исследование процессов и совершенствование средств механизации переработки нерудных строительных материалов и камнеобработки. Отчёт МГИ по теме ГФ— 12-75, 1979.-152 е.: с ил.

30. Картавый Н.Г., Доброборский Г.А., Красовский Б.П. Разработка методов измерения в процессах дробления, измельчения и классификации, а также технологии обогащения. Отчёт. Технология и оборудование для переработки нерудного сырья. МГИ, 1981.-81 е.: с ил.

31. Кешишян Т.Н., Бутт JI.M. Технология стекла. М.: Стройиздат, 1949. -315 с.

32. Королёв П.П. Теоретические и экспериментальные исследования технологических и динамических процессов в вибрационныхмельницах вертикального типа. Автореф. дисс. к.т.н. - Донецк, 1971. -22 с.

33. Красовский Б.П. Вибрационные мельницы: обзор отечественной и зарубежной литературы за 1934 1982 гг. Отчёт МГИ, 1983. - 39 е.: с ил.

34. Красовский Б.П. Обоснование параметров наклонной вибрационной мельницы для производства известковой муки из отходов карбонатных карьеров. Дисс. к.т.н. - М.: МГИ, 1998. - 173 с.

35. Крюков Д.К. Усовершенствование размольного оборудования обогатительных фабрик. М.: Недра, 1966. 174 с.

36. Лесин А.Д. Вибрационные машины в химической технологии, М., ЦИНТИ-Химнефтемаш, 1968. - 80 с.

37. Лесин А.Д. Основные направления в развитии вибрационных измельчителей и некоторые вопросы их расчёта. — В кн.: Вибрационная техника. М.: Минстройдоркоммунмаш, 1966. - с. 453—460.

38. Лесин А.Д. Элементы теории и методика расчёта основных параметров вибромельниц. Вибрационное измельчение материалов: Научное сообщение № 25, -М.: ВНИИТПСМ, 1957. - 114 с.

39. Локшина Р.В., Моргулис М.Л. Пропускная способность вибрационных мельниц непрерывного действия. — Химическое и нефтяное машиностроение, 1970, № 3, с. 6,7.

40. Маляров П.В., Степурин В.Ф. Кинематика шаровой мельницы при смешанном режиме работы. Обогащение руд. 1979. -№ 2. с. 29 -32.

41. Маляров П.В., Степурин В.Ф. О движении внешнего слоя шаров при смешанном режиме работы шаровых мельниц. Обогащение руд. 1982. -№9. с. 26-35.

42. Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. Изд. 2, перераб. и доп. М., «Недра», 1977. -375 с.53.