Обоснование рациональных режимных параметров рабочего процесса авторезонансных вибротранспортных машин

Актуальность работы. В горнодобывающей промышленности процессы транспортирования и классификации твердых полезных ископаемых являются одними из наиболее масштабных и относительно энергоемких операций. 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.

Вибрационные машины просты по конструктивному устройству. Основными конструктивными элементами являются привод и рабочий орган. Особенным разнообразием отличаются типы приводов, от схемы которых в большой степени зависит общая конструкция машины. В настоящее время наибольшее распространение в горной промышленности получили инерционные, эксцентриковые и поршневые (пневматические и гидравлические) вибраторы. Их работа в области резонанса недостаточно эффективна, так как при изменении технологической нагрузки и других возмущениях колебательная система выходит из нормального рабочего режима.

Альтернативой перечисленным механизмам являются использующие электрическую энергию линейные электромагнитные двигатели. Применение этих двигателей для создания возмущающей или ударной силы позволяет обойтись без сложной трансмиссии, так как передаточным элементом служит тяга. Основными недостатками известных конструкций являются относительно небольшая величина движущего импульса, а также низкий коэффициент полезного действия, что может привести в некоторых случаях к перегреву основного элемента линейного двигателя — обмотки.

В этой связи исследования, направленные на изучение электромеханических процессов для повышения эффективности работы горных машин с линейными электромагнитными двигателями, являются актуальной научной задачей.

Объект исследования — авторезонансные вибротранспортные горные машины с линейным электромагнитным вибровозбудителем.

Предмет исследования — асимметричные установившиеся и переходные рабочие процессы авторезонансной вибротранспортной машины с линейным вибровозбудителем.

Цель работы — повышение эффективности работы вибротранспортных резонансных горных машин с линейным электромагнитным вибровозбудителем за счет разработки математической модели рабочего процесса, определения их рациональных параметров и совершенствования конструкции.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности рабочего процесса резонансной вибротранспортной машины можно осуществить путем выбора рациональных режимных и конструктивных параметров ВТМ и электромагнитного вибровозбудителя.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Энергоемкость работы резонансной ВТМ с линейным электромагнитным двигателем определяется величиной рабочего зазора, а также временем включения его за один цикл колебаний рабочего органа.

2. Амплитуда колебаний рабочего органа определяется параметрами тяговой характеристики электромагнитного двигателя, моментом включения и временем работы его за один период колебаний.

3. Производительность резонансной ВТМ при полубыстроходном режиме транспортирования определяется виброскоростью рабочего органа и возрастает с увеличением асимметрии колебаний. Рациональный коэффициент асимметрии колебаний рабочего органа определяется трибологическими характеристиками горной массы и параметрами вибрации.

4. Электромагнитный линейный двигатель с возрастающей тяговой характеристикой обеспечивает стабильный резонанс при изменении технологической нагрузки и ударном нагружении рабочего органа.

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

Практическая ценность диссертации состоит в разработке методики расчета режимных параметров авторезонансных низкочастотных вибротранспортных машин.

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 авторезонансной вибрационной машины для грохочения хвостов обогащения золотосодержащих руд.

Апробация работы. Основные результаты работы и её отдельные положения докладывались на: Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений», Екатеринбург, 2011 г., Международной научно-технической конференции «Транспорт 21 века: Исследование, инновации, инфраструктура», Екатеринбург, 17−19 ноября 2011 г., «Неделе горняка», Москва, 23−28 января 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах международных конференций, в том числе 6 работ в журналах из списка ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, содержит 92 страницы текста, 34 рисунка и 13 таблиц, 2 приложения.

3.5. Выводы.

1 .При расчете упругих опор на статическую прочность следует учитывать возможность падения куска горной породы, масса которого соизмерима с массой рабочего органа.

2. Возвращение колебательной системы в стационарный режим как при ударном нагружении, так и при пуске под нагрузкой, происходит за 3.5 цикла колебаний.

3. Наиболее опасным случаем нагружения упругих опор резонансной ВТМ является попутный удар — падение куска горной массы на рабочий орган, движущийся вниз в момент прохождения им положения статического равновесия.

4. Для обеспечения приемлемых производительности и энергетической эффективности резонансной ВТМ, а также безопасного теплового режима работы, относительный рабочий зазор должен быть равен 8р= 0,25, коэффициент асимметрии колебаний 0,6. 0,85.

5. Тепловая нагруженность обмоток линейных электромагнитных двигателей при прочих равных условиях зависит от формы обмотки и её массы.

6. Увеличение технологической нагрузки приводит к снижению частоты колебаний, увеличению длительности включения двигателя и, соответственно, повышению энергозатрат и тепловой нагруженности линейного двигателя.

4. ВЫБОР ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ.

И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ АВТОРЕЗОНАНСНЫХ ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН.

4.1. Исходные данные и методика расчета.

Одним из основных условий при разработке ВТМ является получение наибольшей для конкретного производства эффективности работы, которая достигается у вибропитателей и виброконвейеров при максимальной производительности и приемлемой энергоемкости процесса. Как отмечают И. И. Блехман/И. Ф. Гончаревич [20,31] и др. ученые, выбор оптимальных режимных и конструктивных параметров ВТМ является сложной задачей, так как приходится выполнять противоречивые требования и вводить на них соответствующие ограничения. Производительность ВТМ, при прочих равных условиях, зависит от угла наклона и угла вибрации рабочего органа, которые в современных машинах соответственно равны: а — 0−20° и р = 25−35°. Существенное влияние на производительность ВТМ оказывает статический и кинематический коэффициенты трения, а также гранулометрическая характеристика материала. Зависимость производительности от крупности материала указывается во всех технических характеристиках грохотов и вибротранспортных машин. Разработанный в УГГУ авторезонансный вибропитатель-грохот испытывался на средне- (-40 +1 мм) и мелкокусковых (-1+0 мм) материалах. Поэтому в дальнейшем расчет производится для материалов крупностью -40мм. Конструктивные параметры ВТМ определяются для минимального угла наклона рабочего органа, а = 2.3°. Это дает возможность в дальнейшем сравнивать результаты расчетов с характеристиками существующих ВТМ, а также иметь возможность увеличивать производительность и, соответственно, регулировать эффективность грохочения.

Согласно рекомендациям, приведенным в работе [3], принимаем угол вибрации (Р), равный 30°.

Для обеспечения безотрывного транспортирования горной массы при заданной производительности, т. е. скорости движения горной массы, необходимо определить частоту (/р) и максимальную амплитуду колебаний РО.

Максимальная амплитуда колебаний РО при заданной частоте для «полубыстроходного» режима движения горной массы определяется из формулы.

Определять по соответствующим уравнениям рациональное значение угла вибрации и угла наклона РО, как это предлагают В. А. Брусин [101] и И. И. Блехман [20] затруднительно, так как они предложены для симметричных колебаний, и в их основе лежит постулат о равенстве и постоянстве кинематического и статического коэффициентов трения.

Используя программу расчета скорости вибротранспортирования (см. приложение 1), а также конкретные трибологические характеристики горной массы, т. е. кинематический и статический коэффициенты трения, принимая коэффициент асимметрии колебаний КА = 0,7, находим скорость вибротранспортирования (V, см/с) для, а = 2,5°.

Для обеспечения приемлемой эффективности грохочения необходимо обоснованно принимать скорость транспортирования горной массы [99−100]. При «полубыстроходном» режиме движения горной массы максимально допустимая скорость, при которой обеспечивается прохождение куска через отверстие, равное (0,9.0,95находится из формулы [99] где й— диаметр отверстия сита.

По известной гранулометрической характеристике горной массы выбирается удельная производительность (ду) грохота [3, 102, 103].

20] max S cosa.

27г/р У sin (a + р).

4.1).

4.2).

Затем определяется площадь просеивающей поверхности (5″, м2) грохота из уравнения $ = = (4.3) где ЬяВсоответственно, длина и ширина просеивающей поверхности, м.

Длина просеивающей поверхности, согласно общепринятым соотношениям между длиной и шириной для грохотов легкого и среднего типов, определяется из формулы.

Ь = ВКЪ, (4.4) где Къ — отношение длины просеивающей поверхности грохота к ширине, равное 1,2.3,5.

Эта длина должна быть больше минимальной, которая определяется необходимой эффективностью грохочения, вероятностью прохождения частицы горной породы и размерами ячейки [99]. Подставив уравнение (4.4) в уравнение (4.3), получим.

Ь = (4.5).

По заданной производительности (?), кг/с) находим массу груза на рабочем органе (т^), массу самого РО (тро): тгр=дь/ггр, (4.6) где Ь — длина транспортирующей поверхности РО, см.

Так как технологическая нагрузка обычно составляет 20% от массы РО, то её (тро, кг) для грохотов легкого типа можно определить из уравнения тро = 5ттр. (4.7).

При реостатном регулировании тока двигателя необходимая мощность на входе в систему «преобразователь-двигатель» находится согласно рекомендациям, изложенным в главе 3 по формуле.

Р = -645 + 92А/Р + 266+ 241КА. (4.8).

По принятой частоте колебаний и массе рабочего органа определяется приведенная суммарная жесткость опор

Сп = (2я/р)2тро. (4.9).

По максимальной амплитуде (Атах) колебаний находится максимальное тяговое усилие в конце хода РО.

Д = 1,2АтахСп. (4.10).

Используя тяговые характеристики линейного двигателя (см. глава 3 диссертации) определяются: намагничивающая сила, число витков обмотки, сопротивление обмотки, тепловая мощность.

Намагничивающая сила имеет максимальное значение при минимальном рабочем зазоре. Как показали испытания двигателя, минимальный зазор, величина которого определяется чувствительностью сенсорного датчика С1 (см. рис. 3.2), не превышает 4 мм. При таком зазоре обеспечивается надежное выключение двигателя, уменьшение ударного импульса при стопорении якоря в конце его хода и, соответственно, снижение шума при работе ВТМ. Поэтому нами были проведены испытания с целью определения зависимости тягового усилия двигателя, установленного в ВТМ, от намагничивающей силы при постоянном рабочем зазоре 4 мм. Во время испытаний рабочий орган нагружался известным грузом, в обмотку подавался ток и последний увеличивался до того момента, пока РО не начнет двигаться. Это усилие определялось из условия равновесия (тяговое усилие равно усилию в упругих элементах, которое в свою очередь равно составляющей силы тяжести):

ГТ = (тпр0+ /ИррХ^БтР +^ХР 5 (4.11) где ттр — масса груза, находящегося на рабочем органе, кгГтрсила трения в упругих опорах рабочего органа и подшипниках скольжения двигателя.

В работах [108. 110] изложена методика определения эквивалентной силы трения в упругих опорах и двигателе, Её можно определить, если известны потери энергии в упругих элементах, элементах трансмиссии и двигателе из формулы: тр = vMmaxCn/8, (4.12) где |/ - коэффициент поглощения.

Используя результаты исследований потерь энергии на трение в резонансной ВТМ, приведенные в [111], найдем отношение силы трения (Fxp) к максимальному тяговому усилию в конце рабочего хода (FT).

FTV!FT = (|/^maxCn/8)(l, 2^maxCn)" 1 «0,1|/. (4.13).

Если на рабочем органе резонансной ВТМ нет горной массы, то потери энергии на трение (|/) не превышают 10% [111]. Таким образом, уравнение (4.11) можно представить в виде.

Ft ~ (mvo+ /w^gsinp. (4.14).

Результаты испытаний электромагнитного линейного двигателя приведены в табл. 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности работы авторезонансных вибропитателей-грохотов на основе выбора рациональных режимных и конструктивных параметров ВТМ, обеспечивающих повышение производительности и снижение энергоемкости вибротранспортирования горной массы.

1. Разработана математическая модель движения рабочего органа резонансного питателя-грохота с нелинейным силовым воздействием. Установлено, что величина амплитуды колебаний при ходе рабочего органа вперед и, соответственно, коэффициент асимметрии колебаний зависит от: величины рабочего зазора, времени действия движущего усилия, величины смещения фазы движущего усилия относительно фазы колебаний рабочего органа, закона изменения тягового усилия.

2. Для обеспечения приемлемых производительности и энергетической эффективности резонансной ВТМ, а также безопасного теплового режима работы, относительный рабочий зазор должен быть равен 5р = 0,25, коэффициент асимметрии колебаний 0,6. 0,85. Уменьшение относительного рабочего зазора меньше 0,1 приводит к увеличению частоты колебаний, снижению амплитуды и повышению энергоемкости процесса транспортирования горной массы. Увеличение относительного зазора больше 0,3 приводит к повышению энергоемкости.

3. Для горизонтально расположенного рабочего органа изменение коэффициента асимметрии колебаний с 1 до 0,6 приводит к возрастанию скорости вибротранспортирования и, соответственно, производительности резонансной ВТМ, при прочих равных условиях на 10.30%. Дальнейшее уменьшение коэффициента асимметрии не приводит к заметному росту скорости, так как кусок перестает скользить по рабочему органу назад.

4. Частота колебаний при постоянном рабочем зазоре электромагнитного двигателя зависит от положения рабочего органа и, соответственно, якоря в момент включения. Чем ближе РО к положению равновесия, тем меньше время хода РО назад, тем выше частота колебаний. При включении двигателя в момент, когда РО движется вниз и подходит к положению статического равновесия, резонансные колебания переходят в вынужденные с большей частотой ив 1,5. .2 раза большими энергозатратами.

5. Увеличение относительной технологической нагрузки приводит к снижению частоты колебаний и, соответственно, увеличению длительности включения двигателя, что повышает расход энергии на транспортирование горной массы.

6. Возвращение колебательной системы в стационарный режим как при ударном нагружении, так и при пуске под нагрузкой происходит за 3. .5 циклов колебаний. Наиболее опасным случаем нагружения упругих опор резонансной ВТМ является попутный удар — падение куска горной массы на рабочий орган, движущийся вниз в момент прохождения им положения статического равновесия.

7. Мощность электромагнитного двигателя резонансной ВТМ возрастает с увеличением относительного зазора. При этом скорость вибротранспортирования горной массы и, соответственно, производительность при прочих равных условиях нелинейно уменьшается. Включение линейного двигателя в момент нахождения РО в заднем положении при постоянном моменте выключения приводит к уменьшению потребления энергии в 1,5 раза и увеличению производительности на 25% по сравнению с включением двигателя в тот момент, когда РО движется вниз и проходит положение равновесия.

8. Уточненная имитационная модель движения куска с достаточной степенью точности определяет скорость вибротранспортирования и, соответственно, производительность резонансных ВТМ с несимметричными колебаниями при случайном изменении коэффициентов кинематического и статического трения горных пород.