Повышение эффективности вибрационных грохотов для классификации трудногрохотимого минерального сырья

Актуальность работы. Процессы переработки минерального сырья в значительной степени определяют качество и конечную стоимость получаемых из него продуктов. Растущие требования к их качеству диктуют необходимость повышения уровня технологических процессов и технологического оборудования, повышения его эффективности. Наряду с улучшением качества продукции, важнейшим требованием остается снижение удельных энергозатрат на эти процессы при повышении производительности. При переработке минерального сырья в технологических линиях широко применяются вибрационные машины. Их значимость постоянно увеличивается в связи с тем, что они, по сравнению с другими типами перерабатывающих машин, обеспечивают более высокую эффективность и более низкую энергоемкость рабочих процессов.

Важное место при переработке полезных ископаемых и их обогащении занимает процесс классификации минерального сырья на вибрационных грохотах.

Одним из важных факторов, влияющих на эффективность и качество разделения, при вибрационном грохочении является наличие в исходном сырье «трудных» и «затрудняющих» зёрен. Материалы, содержащие значительную долю таких зёрен, принято относить к трудногрохотимым. Процесс классификации трудногрохотимого минерального сырья может приводить к замельчению верхнего продукта, недоизвлечению мелкой фракции, а в некоторых случаях и к ухудшению качества или потере ценного сырья. При разделении трудногрохотимого сырья на фракции снижается эффективность вибрационного грохочения и растут экономические затраты на процессы переработки.

Проблема улучшения качества фракций, получаемых из трудногрохотимого минерального сырья при его переработке, приобрела в настоящее время важное значение. Поэтому повышение эффективности вибрационных грохотов (с самосинхронизирующимися вибровозбудителями) для классификации трудногрохотимого минерального сырья является актуальной научной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности вибрационных грохотов (с самосинхронизирующимися вибровозбудителями) для классификации трудногрохотимого минерального сырья на основе обоснований режимных и других параметров грохота и условий самосинхронизации его дебалансных вибровозбудителей.

Идея работы. Повышение эффективности вибрационного грохота для классификации трудногрохотимого минерального сырья достигается, дополнительными к продольным, поперечными перемещениями зерен материала по просеивающей поверхности, что повышает эффективность классификации.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Эффективность классификации трудногрохотимого минерального сырья повышается при совмещении движения его зерен по просеивающей поверхности в продольном и поперечном направлениях, т. е. по зигзагообразным траекториям. При этом увеличивается длина пути прохождения частиц по просеивающей поверхности и более эффективно используется площадь сита по его длине. Совмещение продольных и поперечных движений классифицируемого материала по просеивающей поверхности может быть реализовано размещением на грохоте самосинхронизирующихся дебалансных вибровозбудителей по диагональной схеме генерирующих пространственные колебания сита, складывающиеся из плоских прямолинейных и поворотных горизонтальных.

2. При пространственных колебаниях сита грохота с диагональным размещением самосинхронизирующихся вибровозбудителей на первой (начальной) трети просеивающей поверхности повышается сегрегация классифицируемого материала и увеличивается его продольная скорость движения. На последней трети поверхности скорость замедляется и растет возврат (временное движение) частиц. Таким образом, при пространственных колебаниях достигается более равномерное распределение классифицируемого материала по площади просеивающей поверхности и повышается эффективность ее использования.

3. Эффективность грохочения щебня с высоким содержанием «граничных» зёрен растёт с увеличением относительного ускорения сита /((критерий Фруда) и достигает максимального значения при к = 7 как при диагональном расположении дебалансов вибровозбудителей, генерирующих пространственные колебания сита, так и при возбуждении плоских поступательных колебаний круговой траектории однако, в первом случае эффективность грохочения выше и при содержании в гравии зёрен «граничной» крупности 65% и к = у составила до 99%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

— использованием методов математического моделирования, методов статистической обработки экспериментальных и эксплутационных данных, использованием современного вычислительного оборудования и компьютерного программного обеспечения, применением современной виброизмерительной и регистрирующей аппаратуры;

— достаточным объёмом лабораторных экспериментов, обеспечивающих удовлетворительную сходимость результатов теоретических и экспериментальных данных, расхождение между которыми не превышает 10−15%;

— корректностью сделанных допущений при формулировке граничных математических условий.

Научное значение работы заключается:

— в обосновании повышения эффективности просеивания частиц «граничной» крупности для вибрационных грохотов обеспечивающих поперечное и продольное перемещение материала по ситу;

— в установлении зависимостей эффективности грохочения по нижнему классу от режимных и других параметров вибрационного грохота;

— в обобщении граничных математических условий самосинхронизации дебалансных вибровозбудителей позволяющих определить траектории колебаний рабочего органа вибромашин с учётом угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей;

— в разработке экспериментального стенда, оборудованного современной измерительной аппаратурой с использованием ПЭВМ, алгоритма компьютерной обработки полигармонических и шумовых сигналов на основе прямого и обратного преобразования Фурье и с применением функций высокои низкочастотных фильтров Баттерворда, метода экспериментального определения угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей.

Практическое значение представленной работы состоит:

— в разработке предложений и рекомендаций по повышению эффективности вибрационных грохотов с самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями, в частности оригинальной схемы вибрационного грохота, на рабочей поверхности которого происходит продольное и поперечное перемещение материала, что обеспечивает оптимальное использование площади сита по его длине;

— в разработке программного обеспечения для моделирования влияния угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей (определяющегося экспериментально) на траекторию амплитуд колебаний рабочего органа вибрационного грохота с самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями, определения траекторий амплитуд колебаний рабочего органа вибромашин с дебалансными самосинхронизирующимися вибровозбудителями, отличающаяся тем, что учитывается угол рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей позволяющей уточнить эксплутационные параметры вибрационной машины;

— в определении областей применения и способов совершенствования вибрационных грохотов для классификации трудногрохотимых материалов.

Реализация рекомендаций и выводов работы. Разработанные предложения и рекомендации по повышению эффективности вибрационных грохотов с самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями для классификации трудногрохотимых фракций материала, экспериментальный метод определения угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей, пакет программ для определения траекторий амплитуд колебаний короба грохота, учитывающий угол рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей приняты для использования при проектировании вибрационных грохотов ВНИИПИСтромсырье, а также в учебном процессе при выполнении лабораторных работ по специальности МОП и ГМО.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы доложены и обсуждены: на международных научных симпозиумах Неделя Горняка — 2004,2005, 2006 (г. Москва, МГГУ) — на Московском межвузовском семинаре студентов и молодых учёных «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (МГГУ, 2004).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 научных статей.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, включает 124 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 169 наименований, 6 приложений.

5.5. Выводы.

1. Разработанное программное обеспечение для моделирования влияния угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей на траекторию амплитуд колебаний рабочего органа вибрационного грохота с самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями позволяет обоснованно выбирать параметры вибровозбудителей приводов вибрационных грохотов, влияющих на эксплутационные параметры грохота, связанные с частотой и амплитудой колебаний его рабочего органа.

2. Эффективность грохочения щебня с содержанием зёрен «граничной» крупности 65% растёт с увеличением относительного ускорения сита К и достигает максимального значения (98,9%) при к = 7 и одинаково, как при диагональном расположении дебалансов вибровозбудителей генерирующих пространственные колебания сита, так и при возбуждении плоских поступательных колебаний круговой траектории. Однако в первом случае усредненный путь частицы по ситу больше примерно на 20−25% и увеличивается в первой и последней его трети. Во втором случае при направлении вращающегося вектора ускорения по ходу движения материала эффективность грохочения уменьшается до 60% при К = 7, что объясняется меньшим временем нахождения частиц на сите в среднем на 50%.

3. Установлено, что интенсификация движения частиц по просеивающей поверхности в продольном и поперечном направлениях, т. е. движение частиц по зигзагообразным траекториям, обеспечивает повышение эффективности классификации трудногрохотимого минерального сырья. Предлагаемая диагональная схема размещения самосинхронизирующихся дебалансных вибровозбудителей грохота отвечает требованиям для возможности её использования с целью эффективного разделения трудногрохотимого минерального сырья. Вибрационный грохот выполненый по такой схеме, т. е. с заданным характером движения просеивающей поверхности способствует интенсификации процесса самоочистки сита. При этом увеличивается длина пути прохождения частиц по просеивающей поверхности и более эффективно используется площадь сита по его длине.

Предложенная схема грохота позволяет также повысить качество получаемых мелкозернистых продуктов при производстве нерудных строительных и других материалов. Расчетный экономический эффект от внедрения одного вибрационного грохота с пространственной траекторией колебаний рабочего органа составляет 1225 тыс. руб. в год.

4. Разработанные методики и программное обеспечение, предложения и рекомендации по совершенствованию конструкций вибрационных грохотов с самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями для классификации трудногрохотимых минеральных материалов приняты к использованию ФГУП «ВНИПИИстромсырье» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности вибрационного грохота (с двумя самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями) для классификации трудногрохотимого минерального сырья, позволяющее достигнуть повышения технико-экономических показателей этого процесса.

В результате выполненных в работе исследований автором получены следующие основные выводы и результаты:

1. На эффективность классификации трудногрохотимого минерального сырья на вибрационных грохотах влияют многие факторы, обусловленные характеристиками грохотимого материала, параметрами, конструкцией грохота и его просеивающих поверхностей. Однако наибольшее влияние оказывают: процентное содержание в классифицируемом материале «трудных» и «затрудняющих» разделение зерен, относительное ускорение К (критерий Фруда), скорость перемещения зерен материала по просеивающей поверхности и длина пути проходимого этими зернами.

2. Разработанный алгоритм математической обработки экспериментальных данных и предложенная методика экспериментальных исследований вибрационных машин позволяет получить данные о параметрах и закономерностях колебательных процессов и процесса грохочения, что дает возможность уточнять эксплутационные, режимные и конструктивные параметры вибрационного грохота.

3. В работе определены для самосинхронизирующихся вибровозбудителей при синхронно-синфазном и синхронно-противофазном режимах их вращения области вибрационного поддержания вращения одного из дебалансов в зависимости от соотношений их статических моментов те и т1е1. Время «захвата» дебаланса вибровозбудителя в синхронно-синфазный и в синхронно-противофазный режим вращения уменьшается по экспоненциальной зависимости (в 5 раз с увеличением его статического момента в 10 раз). Однако в случае синхронно-синфазного вращения время захвата дебаланса вибровозбудителя меньше по сравнению со вторым в среднем на 30%.

4. Время запаздывания дебаланса отключаемого (пассивного) вибровозбудителя в зависимости от его статического момента те при статическом моменте дебаланса включенного (активного) вибровозбудителя т1г1 в интервале 3,4те увеличивается на 35−40% при синхронно-синфазном вращении дебалансов в разных направлениях и уменьшается в среднем на 50% с увеличением те более чем в 3 раза при синхронно-противофазном вращении дебалансов в одинаковых направлениях. Зависимости времени запаздывания изменяются по степенным функциям.

5. Эффективность классификации трудногрохотимого минерального сырья с ростом относительного ускорения К (критерия Фруда) снижается при соосном размещении вибровозбудителей (схема 1) и увеличивается по аналогичным зависимостям при соосном (схема 2) и диагональном (схема 3) их расположениях. При этом максимальные значения эффективности не превышали 80% (схема 1) и достигали 90 — 99% при соосной схеме 2 и диагональной схеме 3. С учетом снижения продольной скорости движения материала по ситу (производительности грохота) наиболее эффективной является схема с диагональным размещением самосинхронизирующихся вибровозбудителей.

6. На основе результатов исследований в работе предложена конструктивная схема вибрационного грохота с диагональным размещением самосинхронизирующихся вибровозбудителей, возбуждающих пространственные колебания. Схема обеспечивает: повышение эффективности классификации труднофохотимого сырья, что достигается пространственными колебаниями ситаувеличение производительности грохота за счет более полного и равномерного использования площади просеивающей поверхности по ее длине в результате получения переменной скорости движения классифицируемого материалавозможность регулирования среднего значения этой скорости в более широком диапазоне изменением углов наклона сит и вибровозбудителейснижение энергозатрат в связи с использованием эффекта вибрационного поддержания вращения дебаланса пассивного вибровозбудителя.

Предложенная схема позволяет также повысить качество получаемых мелкозернистых продуктов при производстве нерудных строительных и других материалов.

7. Разработанные методики и программное обеспечение, предложения и рекомендации по совершенствованию конструкций вибрационных грохотов с самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями для классификации трудногрохотимых минеральных материалов приняты к использованию ФГУП «ВНИПИИстромсырье» .

8. Использование грохота с пространственными колебаниями рабочего органа и приводом от двух самосинхронизирующихся вибровозбудителей при разделении трудногрохотимого минерального сырья и нерудных строительных и других материалов позволяет экономить 1 225 000 руб в год.

Принятые обозначения.

А — амплитуда колебаний короба грохота, мЛ — критическая амплитуда колебаний, мкр

А0 — амплитуда колебаний центра масс колебательной системы, м;

Вноминальная ширина грохота, м;

Врмассовая доля класса по которому ведётся разделение в питании, %;

Вгррабочая ширина грохота (Вгр= В-0,15), м;

С — точка центра массы дебаланса вибровозбудителя, —.

Собщнеобходимая жёсткость виброизолирующих пружин, Н/м;

Спржёсткость виброизолирующей пружины, Н/м;

С2 — коэффициент сегрегации грохотимого материала, м/с;

Дг — коэффициент диффузии грохотимого материала, м2/с;

Опр — наружный диаметр виброизолирующей пружины, мб- диаметр внутреннего кольца подшипников, мб3 — диаметр зерна (частицы) грохотимого материала, мб0- размер отверстия (длина ячейки сита), м;

— размер, по которому ведется разделение, ммбпр — диаметр проволоки виброизолирующей пружины, м;

Е — кинетическая энергия, Дж;

Ев — часть кинетической энергии поворотных движений колебательной системы вокруг оси г, Дж;

Еп — часть кинетической энергии поступательных движений колебательной системы, Дж;

Егр — эффективность грохочения по нижнему классу, %;

ДЕстдополнительная энергия, которую подбрасываемая частица теряет в слое грохотимого материала, Нм;

Рцентробежная вынуждающая сила, Нf — коэффициент сопротивления в подшипниках качения = 0,001+0,01), тР' коэффициент трения скольжения частиц по ситу, — в — амплитуда вертикальных перемещений, мд — ускорение свободного падения, м/с2;

Н — амплитуда горизонтальных перемещений, м;

Л — высота слоя грохотимого материала, м;

I — центральный момент инерции короба грохота с вибровозбудителями, кгм2;

1и — момент инерции массы материала на грохоте относительно оси, проходящей через центр масс грохота, м4;

1Д — приведенный к валу дебалансного вибровозбудителя момент инерции вращающихся частей привода, кгм2- - число витков виброизолирующей пружины, шт;

К — показатель работы вибрационного грохота, относительное ускорение (критерий Фруда), — к — суммарный коэффициент сопротивления (к>0), — к0 — удельный (отнесенный к единице объема материала) коэффициент вязкого трения, Нс/м4- квт — коэффициент вязкого трения, кг/с;

— извлечение расчётного класса просеиваемого материала в подрешетный продукт, %- - вращающий момент, передаваемый от электродвигателя, Нм;

— п — пусковой вращающий момент на валу электродвигателя, Нмгр — длина просеивающей поверхности грохота, м;

Ч. — жёсткость механической характеристики электродвигателя, Нм/ссо^-номинальный вращающий момент на валу электродвигателя, Нм;

М — масса колеблющихся частей грохота, кг;

М1 — масса материала на грохоте, т;

Мгр — общая масса пробы исходного материала, кгт — масса дебаланса, кг;

Ыд — добавочная мощность (мощность, необходимая для преодоления момента сопротивления), Вт;

Ыуд — параметр характеризующий количество соударений зёрен грохотимого материла между собой, — ппрчисло виброизолирующих пружин, шт;

Праз — параметр характеризующий разрыхление грохотимого материала, —.

О — производительность вибрационного грохота по питанию, т/чц — относительное отклонение соответствующей величины, —.

11 — момент сил сопротивления (момент связан с сопротивлением в подшипниках ротора дебалансного вибратора и с прочими сопротивлениями движению ротора), Нм;

— жёсткость механической характеристики вибровозбудителя, Нмй)^-момент сопротивления на валу электродвигателя при номинальной угловой частоте, Нмг- расстояние, на которое равноудалены от центра оси дебалансных вибраторов, м;

5 — площадь просеивающей поверхности, м2- гр — продолжительность рассева, си — потенциальная энергия колебательной системы, Джит — энергия затрачиваемая на трение частиц грохотимого материала между собой, Нмиуд — энергия получаемая при соударении частицы о сито, Нм;

Диу0- дополнительная энергия которая, получает каждая частица материала вследствие частично упругих ударов о натянутое сито (эффект мата), — у, — скорость движения подбрасываемой частицы, м/с;

Д — действительная средняя скорость подачи материала, м/свибрационный момент (дополнительный средний момент, действующий на ротор вибратора вследствие колебаний его оси), Нм;

2П — максимальная амплитуда вертикальных перемещений центра тяжести грохота при пуске, ма — угол наклона просеивающей поверхности, град;

Р — угол между направлением вибраций короба и вертикалью (вектор направления колебаний просеивающей поверхности), граду — насыпная плотность материала, т/м3- ачисло, равное 1 или -1 в зависимости от направления вращения обоих роторов дебалансных вибровозбудителей, — е — эксцентриситет массы дебаланса вибровозбудителя, му/ - угол поворота колебательной системы отнесённой к оси г, градв — угол, характеризующий сдвиг фаз между составляющими колебаний, град;

Ав — угол, характеризующий сдвиг фаз между составляющими колебаний, град;

Я — частота собственных колебаний (грохота) на упругих виброизолирующих элементах, с1;

V — безразмерная средняя скорость перемещения материала по просеивающей поверхности, — у0 — скорость просеивания материала, см/с;

Ф — живое сечение сита, %- р — угол поворота вектора-эксцентриситета ротора вибратора, (от оси Ох в направлении движения часовой стрелки), рад;

А<�р — величина угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей, рад;

А<�р0 — угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей, вызванная наличием материала на просеивающей поверхности грохота, рад;

А (ртах-величина суммарнного угла рассогласования фаз вращения дебалансов вибровозбудителей, рада — угловая частота вынужденных колебаний, с1- о) ссинхронная угловая частота вращения электродвигателя, с-1- о)0- номинальная угловая частота вращения электродвигателя, с1- содержание нижнего класса в исходном продукте, %;

2 — содержание нижнего класса в надрешетном продукте, %;