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.
