Режимные параметры резонансных вибротранспортных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗОНАНСНЫХ ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Закаменных Алексей Юрьевич

Екатеринбург 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Афанасьев Анатолий Ильич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, доцент Суслов Николай Максимович

кандидат технических наук, доцент Таугер Виталий Михайлович

Ведущая организация - Институт горного дела УрО РАН (г. Екатеринбург)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В горнодобывающей промышленности процессы транспортирования и классификации твердых полезных ископаемых являются одними из наиболее масштабных и относительно энергоемких. На эти операции затрачивается значительная доля энергии, производящейся в нашей стране. В процессах транспортирования и классификации горной массы широко используются вибрационные машины. Практика эксплуатации вибротранспортных машин (ВТМ) показывает, что в результате их усовершенствования можно добиться определенного роста показателей работы горнодобывающего предприятия. В связи с этим, дальнейшее развитие вибротранспортных машин имеет важное экономическое значение.

Общая конструкция ВТМ зависит от типа вибровозбудителя - двигателя и трансмиссии. В настоящее время наибольшее распространение в горной промышленности получили ВТМ с силовыми, кинематическими, комбинированными и поршневыми (пневматическими и гидравлическими) вибровозбудителями. Абсолютное большинство этих ВТМ работают в «быстроходном» режиме с зарезонансной частотой.

Резонансные ВТМ появились в середине ХХ века. Конструктивное исполнение вибровозбудителей у этих машин было такое же, как и у зарезонансных ВТМ. Основным недостатком известных резонансных ВТМ является значительная нестабильность режима колебаний, что практически исключило их применение в промышленности. Альтернативой известным машинам являются резонансные ВТМ с линейным импульсным двигателем со следящей системой управления. При безотрывном режиме транспортирования эти машины позволяют получить относительно большую эффективность разделения. Однако при изменении технологической нагрузки существенно изменяются параметры процесса транспортирования - скорость, энергозатраты и, соответственно, эффективность работы резонансной ВТМ. В этой связи исследования, направленные на изучение рабочего процесса резонансных ВТМ с целью повышения эффективности их работы, являются актуальной научной задачей.

Предмет исследования - резонансные вибротранспортные горные машины с линейным импульсным электромагнитным двигателем.

Объект исследования - установившиеся и переходные рабочие процессы резонансной вибротранспортной машины с линейным импульсным двигателем.

Цель работы - повышение эффективности работы вибротранспортных резонансных горных машин с линейным импульсным электромагнитным двигателем на основе уточненной математической модели рабочего процесса, обоснования рациональных параметров и совершенствования конструкции ВТМ.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности рабочего процесса вибротранспортной машины можно осуществить путем выбора рациональных электромеханических параметров, учитывающих изменение рабочей нагрузки и, соответственно, режима работы горной машины.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Для заданной амплитуды и частоты колебаний минимум энергозатрат при работе резонансной ВТМ достигается при определенном соотношении массы груза и массы рабочего органа.

2. Обеспечение стабильной работы ВТМ в резонансном режиме при увеличении массы транспортируемого груза до величины, соизмеримой с массой рабочего органа, достигается, если двигатель имеет 20…25 % запас мощности от расчетной.

3. Одним из критериев энергетической эффективности работы резонансных ВТМ является отношение работы транспортирования к величине горной массы, находящейся на рабочем органе.

4. Процесс вибротранспортирования горной массы, имеющей случайные трибологические характеристики, с достаточной для практики степенью точности описывает стохастическая модель.

Научная ценность работы заключается в выявлении взаимосвязи электромеханических характеристик импульсного двигателя и динамических параметров резонансной вибротранспортной машины, а также в разработке математической модели рабочего процесса ВТМ.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке методики расчета режимных параметров резонансных низкочастотных ВТМ и энергетических параметров линейных импульсных двигателей.

Личный вклад автора состоит в организации и проведении экспериментальных исследований, анализе их результатов, разработке стохастической модели процесса безотрывного вибротранспортирования горной массы и энергетического критерия эффективности работы резонансных ВТМ.

Достоверность и обоснованность основных научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректным использованием положений теории вероятности и математической статистики, методов математического и физического моделирования, апробированными методами экспериментальных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, относительное расхождение которых не превышает 10-15 %.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при проектировании резонансной ВТМ для классификации шихты в ОАО «Уралредмет» и машины для классификации хвостов россыпей.

Апробация работы. Основные результаты работы и её отдельные положения докладывались на 13-й Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья». Екатеринбург, 2008 г., заседаниях кафедры горнопромышленного транспорта, научного семинара кафедр горномеханического факультета УГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы, в том числе 1 в сборнике научных трудов и 2 в журнале из списка ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований, содержит 89 страниц текста, 33 рисунка, 11 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава

Совершенствование и создание новых вибротраспортных машин неразрывно связано с теорией виброперемещения, в разработку которой основной вклад внесли Бауман В.А, Блехман И.И., Быховский И.И., Вайсберг Л.А., Гончаревич И.Ф., Джанелидзе Г.Ю., Мальцев В.А., Олевский В.А., Потураев В.Н., Спиваковский А.О., Червоненко А.Г., Юдин А.В. и другие известные ученые. В большинстве работ модель горной массы представляется в виде материальной частицы, движение которой по рабочему органу описывается системой дифференциальных уравнений. Эти методики положены в основу расчета скорости транспортирования, которая определяет производительность ВТМ и эффективность классификации. В их трудах рассматриваются, как правило, зарезонансные режимы работы ВТМ с подбрасыванием. В этих исследованиях приведены критерии эффективности рабочего процесса ВТМ и показаны их зависимости от режимных параметров. Однако для резонансных машин, работающих с относительно большой амплитудой и низкой частотой, таких исследований не проводилось.

Исследование рабочих процессов резонансных ВТМ приведено в работах Крюкова Б.И., Потураева В.Н.. Они посвящены, главным образом, вопросам прочности конструктивных элементов ВТМ.

Приоритетной целью конструктивного совершенствования вибротранспортных машин является достижение максимальной производительности и снижение энергоемкости технологического процесса. Это возможно осуществить путем совершенствования конструкции вибровозбудителя. Одними из наиболее простых по конструктивному исполнению вибровозбудителей являются линейные электромагнитные двигатели. Эти машины можно разделить на пять групп: электромагнитные с ферромагнитным сердечником; магнитоэлектрические с постоянным магнитом; электродинамические с подвижной обмоткой; индукционные машины; магнитно-индукционные с ферромагнитным якорем, на котором имеются индукционные кольца.

Основной вклад в разработку методик расчета линейных двигателей и развитие теории подобия электромагнитных механизмов для вибротранспортных и ударных машин, питающихся переменным и постоянным током, внесли Алабужев П.М., Буйлов А.Я., Гордон А.В., Лысов Н.Е., Москвитин А.И., Ряшенцев Н.П., Тер-Акопов А.К. и др. ученые.

Получить относительно большую величину движущего импульса у электромагнитных двигателей, подключаемых к сети переменного или постоянного тока, затруднительно, так как это вызывает перегрузку сети. Такие двигатели должны работать с аккумулятором электрической энергии. Следует отметить, что предложенные методики расчета электромагнитных линейных двигателей дают удовлетворительную сходимость с экспериментально определенными величинами. В этих методиках вполне обоснованно не учитывается изменение технологической нагрузки. Для резонансных, относительно низкочастотных ВТМ это изменение приводит к существенному изменению режима работы и, соответственно, энергетической эффективности. В связи с этим для повышения эффективности работы вибротранспортных резонансных горных машин с импульсным линейным двигателем необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать стохастическую модель движения куска горной массы по вибрирующей поверхности.

2. Обосновать критерий энергетической эффективности работы резонансных ВТМ.

3. Определить соотношение массы груза и колеблющейся части резонансной ВТМ, при которой достигается минимум энергозатрат.

4. Определить запас мощности линейного двигателя, при котором обеспечивается стабильная работа ВТМ в резонансном режиме при увеличении массы транспортируемого груза до величины, соизмеримой с массой рабочего органа.

Вторая глава

Одной из оценок эффективности работы ВТМ в известных исследованиях является энергетический критерий (К_э) - отношение произведения скорости транспортирования и величины горной массы к мощности двигателя (Vm_гр /P). Этот критерий позволяет сравнивать однотипные по конструктивному исполнению ВТМ и находить рациональные режимы их работы.

В табл.1 приведены характеристики вибротранспортных машин и грохотов легкого, среднего и тяжелого типов. Критерии энергетической эффективности у грохотов ГИТ-54Н и ГСТ-72, имеющих равную производительность и существенно разную мощность двигателя, практически равны.

У грохотов ГСТ-41 и ГСТ-31 мощности двигателей равны, производительности отличаются в 1,5 раза, а критерий энергетической эффективности- в 2,1 раза. Практически аналогичные расхождения наблюдаются у грохотов ГПТ-1, ГПТ-1А, ГПТ-2. У грохотов ГСТ-81Р и ПТ производительности равны, мощности двигателей отличаются в 2 раза, а критерий в 2,5 раза.

резонансный вибротранспортный электромагнитный двигатель

Таблица 1

Параметры работы и критерии энергетической эффективности ВТМ

Примечание. ~ - переменный угол вибрации.

Отмеченные расхождения объясняются тем, что энергоемкость процесса транспортирования зависит главным образом от угла наклона рабочего органа, угла вибрации, амплитуды и частоты колебаний и свойств транспортируемого материала. Поэтому по данному критерию не всегда возможно объективно оценить энергетическую эффективность работы ВТМ.

По нашему мнению, оценку энергетической эффективности работы ВТМ целесообразно производить по обобщенному энергетическому критерию К _р - отношению энергии (Е, Дж), которая затрачивается на перемещение материала по всей длине рабочего органа к массе транспортируемого груза (m_гр, кг₎:

К _р = Е/m_гр, (Дж/кг). (1)

Минимальное значение обобщенного энергетического критерия соответствует максимальной эффективности рабочего процесса ВТМ.

Величина энергии, при прочих равных условиях, зависит от скорости перемещения горной массы по рабочему органу. Экспериментально установлено, что для некоторых трудногрохотимых материалов режим безотрывного транспортирования позволяет получить более высокую эффективность классификации. Для резонансных ВТМ, работающих с относительно большими амплитудами (15…30 мм) и частотой 3…5 Гц, при факторе режима Г<1 математическая модель рабочего процесса требует корректировки, так как коэффициент трения в момент страгивания куска горной массы существенно больше, чем при движении, что влияет на начальные условия относительного движения куска. Схема действия сил на кусок горной породы, который условно обозначен как сфера, приведена на рис. 1. Движение куска горной породы рассматривается на нескольких этапах.

Первый этап движения. Кусок горной породы и рабочий орган движутся совместно до тех пор, пока направленная вдоль его поверхности сила инерции (F_ин) и скатывающая сила (F_ск) не превысят силу трения (F_тр).

Момент начала движения куска относительно рабочей поверхности (время t_н) находится после решения уравнения равновесия (F_ин = F_тр- F_ск) из формулы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

, (2)

где в - угол вибрации, град.;б - угол наклона рабочего органа, град.; щ - угловая частота собственных колебаний рабочего органа ВТМ, рад/с; f_н - статический коэффициент трения пары: кусок - сталь; А₀ - амплитуда колебаний рабочего органа, м; g - ускорение свободного падения, м/с².

На втором этапе перемещения куска движущей является сила равная по модулю силе трения, которая разгоняет кусок относительно рабочего органа. Дифференциальное уравнение движения куска относительно рабочего органа на втором этапе имеет вид

= f_к[g-А₀щ²sin(б+в)sinщt] + gsinб (3)

где f_к - кинематический коэффициент трения пары кусок-сталь.

Аналогичным способом находятся и затем интегрируются уравнения движения куска горной породы на остальных этапах.

При определенном соотношении параметров режима вибротранспортирования и коэффициента трения во время движения рабочего органа от нижнего положения вверх возможно движение груза назад.

Среднюю скорость движения куска по рабочему органу, зная его перемещения (с учетом знака, т.е. направления движения) на каждом этапе (S_i), можно определить из формулы

V_гр = щ(?S_i)/ 2р. (4)

Уравнения (2)…(4) справедливы для стабильных значений статического и кинематического коэффициентов трения.

Для определения скорости вибротранспортирования горных пород, имеющих нестабильный коэффициент трения, была разработана стохастическая модель. В её основе используются дифференциальные уравнения движения куска горной породы на различных этапах.

На рис.2,3,4 приведены графики скорости и перемещения куска горной породы по рабочему органу за один цикл колебаний рассчитанные по стохастической модели. В результате экспериментов установлено, что фактические скорости транспортирования кусков равны: 1 - для амплитуды 18,5 мм и частоты 3,33 Гц, скорость куска гранита - 115…125 мм/с (расчетная скорость 126,9 мм/с); 2 - для амплитуды 19 мм и частоты 4,4 Гц, скорость куска гранита - 160…166 мм/с (расчетная скорость 161,4 мм/с); 3 - для амплитуды - 15,4 мм и частоты 2,95 Гц, скорость диабазового порфирита 40…44 мм/с (расчетная скорость 42,4 мм/с).

Полученные результаты несущественно отличаются от расчетных, что свидетельствует о адекватности стохастической модели вибротранспортирования горной массы.

Глава 3

Энергоемкость рабочего процесса резонансных ВТМ существенно зависит от диссипативных свойств колебательной системы. Замерив амплитуды резонансных колебаний рабочего органа с двигателем и без него, определили коэффициент поглощения (ш = [1 - (А_n/А₁)²]/n; А₁ - амплитуда первого колебания, мм; А_n - амплитуда n -го колебания, мм; n - число колебаний.) для резонансных ВТМ, работающих с частотой 1,5…5,0 Гц (табл.2).

Таблица 2

Результаты экспериментального исследования резонансной ВТМ

Анализ результатов показывает, что потери энергии в металлоконструкциях и упругих опорах резонансных грохотов на низких частотах практически в 2…3 раза меньше, чем в опорах двигателя и элементах передаточного механизма. Это позволяет сделать вывод о том, что уменьшение потерь целесообразно производить в опорах скольжения импульсного двигателя и элементах его соединений.

Изменение технологической нагрузки приводит к изменению фактора режима работы: Г = [Ащ²sin(в +б)]/gcosб». Уменьшение фактора режима работы существенно снижает скорость транспортирования груза, а в некоторых случаях рабочий процесс прекращается.

В табл. 3 приведены средние значения по трем опытам в каждой точке значения режимных параметров (f - резонансная частота, А - амплитуда колебаний, m_гр - масса транспортируемого груза, V - скорость транспортирования, Р - мощность двигателя, Е_к, -энергия, потребляемая из сети двигателем за один импульс), и критерий энергетической эффективности работы (К_р, Дж/кг) физической модели резонансной ВТМ.

Таблица 3

Результаты эксперимента на физической модели резонансной ВТМ

На рис. 5 приведена зависимость обобщенного коэффициента энергетической эффективности от относительной нагрузки рабочего органа физической модели резонансной ВТМ, из которой видно, что рациональное значение К_р достигается при относительной нагрузке, не превышающей 0,6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Зависимость обобщенного коэффициента энергетической эффективности от относительной нагрузки рабочего органа резонансной ВТМ:1, 2, 3, 4 - потребляемая за один импульс энергия соответственно 10,8; 17,4; 23,4; 29,6 Дж

Статистическая обработка результатов эксперимента позволила получить следующие математические модели:

Е_к = 10,8 Дж; К_р =184 m_о ²-263 m_о + 197 (5)

Е_к = 17,4 Дж; К_р =276 m_о ²-396 m_о + 250 (6)

Е_к = 23,4 Дж; К_р =623 m_о ²-741 m_о + 290 (7)

Е_к = 29,6 Дж; К_р =688 m_о ²-839 m_о + 298 (8)

Уравнения справедливы при 30 > E_к >10 Дж. Корреляционные отношения соответственно:₁=0,98; ₂=0,85; ₃=0,72; ₄=0,75.

Скорость безотрывного вибротранспортироваия горной массы зависит от амплитуды и частоты колебаний. На рис. 6 приведена зависимость скорости движения гранита по горизонтальной стальной плите от амплитуды её колебаний при частоте, равной 3,33 Гц и угле вибрации 30 град..

Рис. 6. Зависимость скорости движения гранита от амплитуды колебаний при постоянной частоте 3,33 Гц

Регрессионное уравнение зависимости скорости движения (V,см/с) от амплитуды колебаний (А, мм) имеет вид

V =2,01А -27,1 (9)

Корелляционное отношение данного уравнения равно 0,89.

Важнейшим параметром, характеризующим режим транспортирования горной массы, являются затраты энергии непосредственно на её перемещение. Аналитически определить их в «полубыстроходном» режиме работы ВТМ при случайном изменении коэффициента трения практически невозможно. В связи с этим на опытно-промышленной резонансной ВТМ были проведены эксперименты по определению затрат энергии на транспортирование горной массы, результаты которых приведены на рис.7. Регрессионная зависимость энергетического критерия от произведения массы груза на скорость его транспортирования имеет вид

К_р =7900(m_гр V)^-0,86 (10)

где К_р,Дж/кг; m_грV,кг*см/с

Уравнение (9) адекватно при изменении скорости транспортирования от 1 до 20 см/с. Корелляционное отношение этого уравнения равно 0,81. Следует отметить, что увеличивать скорость вибротранспортирования с целью повышения производительности для относительно мелких (меньше 1 мм) классов нецелесообразно, так как при этом эффективность классификации становится недопустимо низкой.

m_грV,кг*см/с

Рис. 7. Зависимость энергетического критерия от произведения массы груза на скорость его транспортирования

Снижение обобщенного коэффициента энергетической эффективности при увеличении энергии,потребляемой двигателем, происходит за счет того, что с возрастанием движущего импульса растет амплитуда и, соответственно, скорость перемещения горной массы. При этом интенсивность увеличения скорости превышает интенсивность роста потребляемой энергии за один импульс. Следует отметить, что увеличивать энергию движущего импульса с целью уменьшения обобщенного коэффициента энергетической эффективности для данного линейного двигателя без изменения его геометрических и конструктивных параметров затруднительно. Это объясняется тем, что с повышением величины движущего импульса тепловые нагрузки двигателя установленного на опытном образце резонансной ВТМ приближаются к предельным. При этом существенно возрастает вероятность отказа из-за перегрева обмотки двигателя. Увеличение относительной технологической нагрузки более 0,3 приводит к существенному уменьшению амплитуды, а также фактора режима работы и, соответственно, скорости транспортирования груза и производительности ВТМ. Для обеспечения минимальных затрат электроэнергии при вибротранспортировании и классификации горной массы относительная нагрузка рабочего органа резонансных ВТМ должна быть не более 0,3.

На рис. 8. приведена зависимость разности амплитуд колебаний рабочего органа от отношения удельных затрат энергии к величине массы груза.

Рис. 8. Зависимость разности амплитуд колебаний рабочего органа от отношения удельных затрат энергии к величине массы груза

Из графиков видно, что уменьшение мощности импульсного двигателя и возрастание рабочей нагрузки может привести к существенному снижению амплитуды и, следовательно, скорости транспортирования.

Глава 4

В четвертой главе приводится методика расчета основных параметров резонансной ВТМ. Структурная схема алгоритма расчета параметров машины приведена на рис. 9.

Рис. 9. Структурная схема алгоритма расчета параметров резонансной ВТМ

По данному алгоритму был произведен выбор параметров ВТМ с магнитно-индукционным двигателем для классификации шихты. Результаты испытаний этого двигателя подтвердили обоснованность принятых режимных и конструктивных параметров. Разгон ведомой массы до максимальной амплитуды происходил за 2-3 с, что вполне приемлемо для таких установок, а нагрев обмотки был в пределах нормы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, на базе выполненных исследований, решена актуальная задача повышения эффективности работы резонансных вибротранспортных машин с импульсным линейным двигателем за счет выбора рациональных параметров и совершенствования конструкции на основе уточненной математической модели рабочего процесса.

Основные научные выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. При расчете скорости вибротранспортирования горной массы необходимо учитывать изменение коэффициента трения на различных этапах её движения.

2. Предложенная стохастическая модель с достаточной для практики степенью точности описывает процесс безотрывного вибротранспортирования горной массы.

3. Рабочий процесс вибротранспортных машин с инерционным или кинематическим возбуждением требует существенно больших энергетических затрат, чем у резонансных ВТМ с импульсным линейным двигателем.

4. Для обеспечения минимальных затрат электроэнергии при вибротранспортировании и классификации горной массы относительная нагрузка рабочего органа резонансных ВТМ должна быть в пределах 0,2…0,3.

5. Оценку энергетической эффективности работы ВТМ целесообразно производить по обобщенному энергетическому критерию (К_р) - отношению энергии (Е, Дж), которая затрачивается на перемещение материала по всей длине рабочего органа к его массе (m_гр, кг₎.

6. Результаты диссертационной работы использовались при проектировании резонансного трехпродуктового грохота для классификации лигатуры в ОАО Уралредмет».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

1.Афанасьев А.И. /Анализ энергозатрат резонансных вибротранспортных машин /А.И.Афанасьев, А.Ю.Закаменных // Известия вузов. Горный журнал. - 2008 г. - №4. - С. 101-106.

2. Закаменных А.Ю. Стохастическая модель вибротранспортирования горной массы в вибропитателе-грохоте/ А.Ю.Закаменных // Известия вузов. Горный журнал. - 2008 г. - №8. - С. 122-124.

3. Афанасьев А.И./Структура энергозатрат резонансных вибропитателей и грохотов /А.И.Афанасьев, А.Ю.Закаменных // Материалы 13-й Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», г. Екатеринбург, 26-28 мая 2008 г. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С. 318-324.

Размещено на Allbest.ru