Теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных параметров дробилок виброударного действия

Актуальность работы. В настоящее время на основе фундаментальных исследований в области физики твёрдого тела и теории колебаний разработаны новые способы разрушения материала и оборудование, позволяющие повысить производительность, стабильность рабочего режима, степень дробления материала и качество конечного продукта, а также снизить затраты энергии.

В значительной степени принципы рационального разрушения материала реализованы в созданной в ОАО «Механобр-техника» вибрационной щековой дробилке. В этой дробилке впервые был использован эффект самосинхронизации приводных инерционных вибровозбудителей, что позволило существенно упростить конструкцию и снизить уровень динамических нагрузок на различные элементы дробилки.

Явление самосинхронизации вибраторов уже сравнительно давно используется при конструировании вибрационных машин различного назначения. Теоретический анализ явления самосинхронизации изложен в работах Д. А. Плисса, И. И. Блехмана, Б. П. Лаврова, Р. Ф. Нагаева, О. П. Барзукова, К. Ш. Ходжаева, Л. Шперленга и других отечественных и зарубежных учёных. В создание вибрационной щековой дробилки (ВЩД) наибольший вклад внесли Б. П. Лавров и В. Я. Туркин.

Теоретические исследования, а также опыт эксплуатации ВЩД показали, что в рабочем диапазоне частот имеются две существенно различные собственные частоты колебаний несущей системы. Одна из них сос соответствует симметричным колебаниям машины, а другая ык — кососимметричным. При этом устойчивый синхронно-синфазный режим вращения роторов вибраторов возможен либо в дорезонансном частотном диапазоне (0 < со < сос), либо в зарезонансном (ш > сок). Существенно, что необходимую для дробления интенсивность вибраций возможно обеспечить только при со > со*. Это предопределило следующие основные недостатки ВЩД:

• прохождение через два разнохарактерных резонанса, соответствующих значениям сос и сол, при пуске и выбеге машины;

• возбуждение интенсивных поворотных колебаний несущей системы при возмущениях рабочего режима;

• сравнительно высокие динамические нагрузки на подшипники валов вибраторов, расположенных непосредственно на дробящих щёках.

Во многом вышеперечисленные недостатки устранены в новых дробилках виброударного действия, предложенных в ОАО «Механобр-техника»: вибрационной конусной дробилке (ВКД) и вибрационной щековой дробилке с нежёстким креплением вибровозбудителей (ВЩД-2). Однако на сегодняшний день теоретические исследования динамики новых дробилок отсутствуют, и проведение таких исследований является актуальным для повышения эффективности и надёжности работы дробилок виброударного действия.

Целью работы является научно обоснованный выбор геометрических и инерционных параметров дробилок виброударного действия и их настройка на рабочую синхронную частоту для обеспечения устойчивой работы с заданными производительностью и степенью дробления.

Идея работы состоит в учёте влияния измельчаемого материала на устойчивость рабочего режима дробилок виброударного действия путём введения линейно-вязкого демпфера между дробящими телами.

Основные задачи исследований:

1. Разработка динамических моделей дробилок виброударного действия: вибрационной конусной дробилки и вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей.

2. Теоретическое обоснование возможности максимального повышения запаса по устойчивости синхронно-синфазного режима работы дробилок.

3. Проведение экспериментальных исследований для определения влияния разрушаемого материала на динамику несущей системы и запас по устойчивости рабочего синхронно-синфазного режима вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий теоретическую и экспериментальную части. В теоретическую часть входило построение динамических моделей дробилок на основе методов теоретической механики и теории колебаний, исследование динамики несущей системы проводилось апробированными методами теории синхронизации.

Экспериментальные исследования были проведены на опытном образце вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей (ВЩД 130×300) и преследовали цель определения коэффициента эквивалентного вязкого трения. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.

Защищаемые научные положения:

1. При условии превышения рабочей синхронной частоты над парциальной частотой колебаний конуса достигается синхронно-противофазное движение корпуса и конуса, обеспечивающее устойчивый режим работы вибрационной конусной дробилки с заданными производительностью и степенью дробления.

2. Устойчивый синхронно-синфазный режим работы вибрационной конусной дробилки существует в зарезонансном частотном диапазоне при условии, что сумма квадратов геометрических параметров дробилки, отнесённая к моменту инерции системы, больше массы конуса, отнесённой к произведению массы корпуса на общую массу машины.

3. При увеличении расстояния между осями вибровозбудителей и общей жёсткости системы устойчивый синхронно-синфазный режим работы вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей реализуется в межрезонансном частотном диапазоне.

Научная новизна работы:

1. Впервые установлены закономерности изменения коэффициентов запаса по устойчивости синхронно-синфазного режима работы вибрационной конусной дробилки и вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей в зависимости от рабочей частоты в различных диапазонах её изменения.

2. Построены амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики дробилок виброударного действия и разработаны рекомендации по выбору рабочей синхронной частоты.

3. Теоретические и экспериментальные исследования позволили получить зависимость коэффициента запаса по устойчивости от производительности и частоты, а также сформулировать условие получения максимальной производительности вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется использованием апробированных современных методов теории нелинейных колебаний и теории синхронизации и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероятности 95%.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны инженерные методики для определения законов колебаний элементов вибрационной конусной дробилки и вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей, а также коэффициентов запаса по устойчивости рабочего синхронно-синфазного режима.

2. Даны рекомендации по выбору научно обоснованных геометрических и инерционных параметров дробилок виброударного действия.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на научных конференциях молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 1999;2002 г. г.), на XIV Симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем» (Звенигород, 2003 г.).

Личный вклад автора.

Разработана теория устойчивых колебаний и самосинхронизации инерционных вибровозбудителей дробилок виброударного действия и предложена методика их расчёта при синхронно-синфазном режиме работы этих машин.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ в периодических изданиях и сборниках научных трудов.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 104 страницах, содержит 31 рисунок, б таблиц и список литературы из 94 наименований.

4.4. Выводы по главе По результатам проведённых исследований установлено:

• Обеспечен синхронный противофазный режим с чёткими встречными колебаниями щёк.

• Опорная рама не испытывает вибрационных нагрузок.

• Неодинаковые начальные условия при пуске дробилки (закручивание торсионов в одну сторону, неодинаковое воздействие масс щёк, вибраторов на систему) не оказывают отрицательных явлений на синхронность работы машины.

• Увеличение частоты вращения роторов двигателей приводит к повышению степени дробления и понижению производительности.

• Гранулометрические кривые имеют вид вогнутых кривых, что свидетельствует о наличии в продукте материала мелких классов крупности.

• Коэффициент запаса по устойчивости рабочего режима с ростом производительности систематически уменьшается.

Заключение

.

В диссертационной работе даны разработанные автором теоретические и практические положения, представляющие собой в комплексе решение актуальной научной задачи — обеспечение устойчивой работы дробилок виброударного действия с заданными производительностью и степенью дробления благодаря установлению их рациональных геометрических и инерционных параметров и настройке на рабочую синхронную частоту, что имеет существенное значение для развития горно-обогатительного оборудования и конструирования современных дробилок виброударного действия.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Разработанная механико-математическая модель виброконусной дробилки с шестью степенями свободы позволяет получить законы колебаний машины в рабочем режиме и построить на их основе все амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики.

2. Противофазное синхронное движение корпуса и конуса дробилки существует, если рабочая синхронная частота превышает парциальную частоту свободных колебаний конуса.

3. Для устойчивости рабочего синхронно-синфазного режима в зарезонансном частотном диапазоне для проектируемой виброконусной дробилки ВКД-300 необходимо, чтобы сумма квадратов геометрических параметров дробилки, отнесённая к моменту инерции системы, численно была больше 0,0004.

4. Получены законы колебаний элементов вибрационной щековой дробилки с нежестким креплением вибровозбудителей. Установлено, что в рабочем частотном диапазоне дробилки ВЩД 80×300 расположены две собственные частоты свободных колебаний сос = 62 с" 1 и со* = 200 с" 1. Свободные колебания на частоте сос являются симметричными, а на частоте со* — кососимметричными, причем озс < со*.

5. Анализ устойчивости рабочего режима показывает, что в отличие от традиционной вибрационной щековой дробилки, работа в вибрационной щековой дробилке с нежестким креплением вибровозбудителей возможна в межрезонансном частотном диапазоне (сос < со < со*). При этом не достигается кососимметричный резонанс машины.

6. Экспериментальные исследования вибрационной щековой дробилки с нежестким креплением вибровозбудителей (ВЩД 80×300) показали, что с ростом производительности машины (от 0,48 до 0,93 кг/с) безразмерный коэффициент запаса по устойчивости уменьшается (от 1,9 до 1,1).