Исследование процесса разрушения горных пород щековыми дробильными машинами и разработка методов совершенствования их конструкций

Проблема дробления твердых материалов и, прежде всего минерального сырья в виде горных пород различного состава и прочности, является насущной на протяжении всей истории человечества. Измельченные материалы лежат в основе всей строительной промышленности, дорожного строительства, горной промышленности. На дробление горных пород используются огромные энергетические ресурсы. Известно, что ежегодно, начиная с 1980;х годов, из недр Земли извлекается около 20 млрд.т. минерального сырья и десятки миллиардов тонн пустой породы. Вся эта горная масса в той или иной степени подлежит измельчению, дроблению на обогатительных фабриках, в строительной индустрии, на что расходуются десятки ГВт часов энергии. Все, что связано с совершенствованием процессов дробления, с созданием высокопроизводительных и малоэнергоемких дробильных машин относится к проблеме государственной значимости. Актуальными являются практически все научные и технические решения в этом направлении.

В настоящей работе ставятся и решаются задачи, связанные с осмыслением поведения кусков горных пород в камере дробления щековых дробильных машин, рассматриваются стадии разрушения камней, задача сводится к известной классической задаче теории упругости, к задаче Нейбера. Использование решений этой задачи позволяет находить предельные силы воздействия на разрушаемые объекты через универсальную характеристику — коэффициент крепости М. М. Протодьяконова. Решается задача о суммировании действующих сил и определения общей нагрузки на ведущие звенья дробилок. Теоретические выводы проверяются физическим экспериментом на макете дробилки.

Далее, в работе ставится задача о конструировании нового поколения дробильных машин, заключающаяся в использовании в их кинематических схемах замкнутых изменяемых контуров, позволяющих увеличивать жесткость воздействия на дробимый материал, обосновываются новые конструкции дробилок, защищенные патентами Российской Федерации, и методы кинематического и динамического исследования таких машин.

Целью работы является установление основных характеристик процесса движения, взаимодействия и разрушения кусков горной породы в камере дробления, разработка метода поиска кинематических схем щековых дробилок нового поколения.

Идея работы заключается в широком использовании эффекта одновременного нагружения с целью приближения математической модели к реальным условиям, структурной теории механических систем к описанию взаимодействия разрушаемых кусков в камере дробления и синтезу принципиально новых кинематических схем щековых дробильных машин.

Задачи исследования:

• Изучить процесс взаимодействия между щеками дробильной машины и объектом разрушения, обосновать математическую модель процесса нагружения куска горной породы в камере дробления. Найти качественные и количественные взаимосвязи, определяющие энергетические затраты, потребные на дробление камней.

• Установить математическую модель расположения камней в камере дробления.

• Разработать метод синтеза кинематических схем щековых дробильных машин, удовлетворяющих заданным условиям.

• Разработать и обосновать направление поиска кинематических схем щековых дробилок нового поколения.

• Найти способы кинематического и динамического исследования, а также уравновешивания дробильных машин, включающих в свой состав замкнутый изменяемый контур.

• Установить закономерности, по которым осуществляется нагружение щек дробильной машины, найти количественные показатели этих нагружений.

Методы исследования основаны на использовании.

• известных положений механики разрушения;

• решений задач теории упругости для осесимметричного нагружения тел вращения;

• принципов математической статистики;

• приемов теории машин и механизмов.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Любой кусок горной породы, находящийся в камере дробления щековой дробилки, может быть представлен в виде трехопорноготрехшарового твердого тела. Взаимное расположение кусков в камере и их совместное движение при заданном движении подвижной щеки дробилки в кинематическом смысле вполне адекватно описывается структурными формулами и законами движения механических систем.

• Силовое воздействие кусков горной массы, их частичное локальное разрушение, в местах контактов приводит к основному разрушающему их нагружению, как фиктивных канонических областей, в частности в виде шаров, напряженно-деформированное состояние которых может быть описано известной задачей Нейбера теории упругости. Величины усилий, приводящих к разрушению в центре кусков могут находиться на основании известных показателей крепости горных пород.

• Моделирование сил взаимодействия щек дробильной машины с кусками горных пород в пространстве камеры дробления позволяет вполне доказательно судить о суммарных воздействиях на подвижную щеку машины и прогнозировать затраты энергии на разрушение всего объема горной массы. Суждения о затратах энергии на разрушение породы подтверждаются результатами физического эксперимента.

• Наиболее рациональным путем совершенствования кинематических схем щековых дробилок является путь механического усиления и ужесточения связи между приводом машины и подвижной ее щекой. Новым поколением щековых дробилок могут являться машины, содержащие в своей кинематической схеме подвижные замкнутые изменяемые контуры. Нахождение новых кинематических схем дробильных машин достигается через специально разработанные приемы и процедуры.

• Щековые дробильные машины, включающие в свой состав замкнутые изменяемые контуры, кинематически и динамически смогут исследоваться по методикам, разработанным автором и изложенным в диссертации.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов обеспечена тем, что выполненные теоретические исследования основываются на классических положениях теории упругости, на известных законах механики разрушения и законах теоретической механики. При решении частных задач в работе используются широко применяемые методы теории машин и механизмов, методы математической статистики и обоснованный физический эксперимент Научная новизна работы заключается в.

• обосновании новой модели взаимодействия куска горной породы со щеками дробилки;

• определении взаимосвязей, позволяющих описывать расположение кусков горной породы в камере дробления;

• установлении закономерности, связывающей усилия сопротивления разрушению с размерами и количеством кусков горной породы в камере дробления;

• обосновании закономерности, позволяющей определять все • многообразие кинематических схем щековых дробильных машин при заданных структурных условиях;

• разработке нового поколения кинематических схем щековых дробилок, в состав которых входит замкнутый изменяемый контур.

На основе метода синтеза были разработаны новые кинематические схемы щековых дробилок, на которые получены три патента РФ на изобретения. Разработанная методика создания кинематических схем и анализа силового воздействия на подвижную щеку дробильной машины внедрена на Гурьевском филиале ОАО «Евразруда» (Кемеровская область, г. Гурьевск) и на ООО «Сталь КМК» (Кемеровская область, г. Новокузнецк).

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4 Международной научно-практической конференции «Перспективы развития Горно-добывающей промышленности», г. Новокузнецк, 1997 г.- на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 2000, 2001, 2002 г. в г. Новокузнецкена VIII Международной научной конференции «Перспективы технологии разработки и использования минеральных ресурсов», г. Новокузнецк, 2001 г.- на X Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов «, г. Новокузнецк, 2001 г.- на VIH Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии», ТПУ, г. Томск, 2002 г.- на пятнадцатой научно-практической конференции по проблемам механики и машиностроения, СибГИУ, г. Новокузнецк, 2004 г.

По теме диссертации опубликовано 8 научных статей, получено 3 патента на изобретения.

4.5. Выводы.

1. Для исследования работы дробильной машины необходимо перейти к физической и математической модели.

2. Для определения скоростей и ускорений звеньев дробильной машины необходимо из кинематической цепи выделить группы Ассура и построить для каждой план скоростей и ускорений. При исследовании кинематики трехповодковой группы необходимо отыскивать так называемую точку Ассура.

3. Соответствия коэффициента неравномерности хода машины допускаемому значению определяется величиной маховой массы и законом изменения угловой скорости ведущего звена, которые находятся с помощью графического построение диаграммы энергомасс или с помощью численного метода, предложенного Зиновьевым.

4. Уменьшить воздействия инерционных сил на конструкцию дробильной машины можно с помощью уравновешивания функциональной цепи методом ноль — векторов и методом подобия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе исследований были получены следующие результаты:

1. Процессы разрушения горных пород в щековых дробилках подчиняются известным законам дробления (Кирпичева-Кика, Ребиндера, Бонда). Однако наиболее простым способом оценки энергозатрат при разрушении горных, пород может быть принят способ профессора Протодьяконова М. М., связывающий крепость пород по коэффициенту крепости f с напряжениемна сжатие при одноосном нагружении образцов.

2. Поведение камней в камере дроблениявполне корректно может быть описано на основании представления их в виде звеньев механической системы, подчиняющихся известным теоремам кинематики как раздела классической механики.

3. Установление4 действительных направлений относительного движения камней в камере дробленияv позволяет в соответствии с первым законом трения Кулона безошибочно определять направления сил трения и решать задачу взаимодействия щеки дробилки с отдельными кусками пород и кусков между собой;

4. Куски горных пород в камере дробления, в первом приближении могут моделироваться как трехопорные шаровые тела, геометрически оцениваемые радиусами описывающих их сфер.

5. Процесс разрушения отдельных камней в камере дробления состоящий из ряда фаз, в частностифаз локальных разрушений в местах контактов, вполне адекватно приводит к схеме нагружения, характерной для известной задачи Нейбера, описывающей сжатие сферического тела сосредоточенными в полюсах силами.

6. Решение задачи Нейбера применительно к дроблению кусков-горных пород в камере дробления дает возможность достаточно приемлемо для технических расчетов определять предельные силы воздействия, приводящие к разрушению кусков. Суммирование одновременно действующих сил между кусками пород и движущейся щекой дробилки позволяет находить величины суммарных сил, необходимых для совершения всего процесса дробления.

7. Основываясь на решении задачи суммирования усилий между щеками дробилки и кусками горной массы, на физическом эксперименте, выполненном на модели щековой дробилки, можно утверждать, что изменение крутящего момента на ведущем валу дробилки подчиняется определенному закону, близкому к полусинусоидальному, интегрирование которого позволяет находить мощности привода дробильных машин.

8. Разработанный в диссертации алгоритм синтеза структуры плоских механизмов с кинематическими парами пятого класса позволяет определять все многообразие кинематических схем дробильных машин по заданному числу звеньев.

9. Создание щековых дробилок нового — третьего поколения должно основываться на использовании в их кинематических схемах замкнутых изменяемых контуров, позволяющих обеспечить значительно более жесткое воздействие на разрушаемую среду. Новый подход подтвержден тремя схемами принципиально новых щековых дробилок, защищенных патентами Российской Федерации. Кинематические и динамические характеристики новых щековых дробилок могут быть найдены вполне адекватно с использованием классических методов теории машин основанных на подходах JI.B. Ассура, Ф. Виттенбауэра, В. А. Щепетильникова, В. И. Доронина.