Моделювання робочих процесів і обґрунтування параметрів шахтної одновалкової дробарки для міцних порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Донецький державний технічний університет

УДК 622.73: 621.926.32

Спеціальність 05.05.06 ? "Гірничі машини"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Моделювання робочих процесів і обґрунтування параметрів одновалкової шахтної дробарки для міцних порід

Тарасенко Владислав Адольфович

Донецьк ? 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Кондрахін Віталій Петрович, Донецький держаний технічний університет, професор кафедри "Гірничі машини".

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Дворніков Володимир Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри "Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини й устаткування".

- кандидат технічних наук, доцент Нечепуренко Михайло Семенович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, доцент кафедри "Гірничі машини і рудниковий транспорт".

Провідна установа: Донецький державний науково-дослідний, проектно-конструкторський інститут комплексної механізації шахт (Дондіпровуглемаш), відділ створення і дослідження ГШО для підготовчих робіт і шахтних вентиляторів, Міністерства палива та енергетики України, м. Донецьк.

Захист відбудеться 13 жовтня 2000 р. о 1200 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 у Донецьком державному технічному університеті за адресою: 83000 м. Донецьк, вул. Артема, 58, І уч.к., ауд. 1201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету (83000 м. Донецьк, вул. Артема, 58, ІІ уч.к.).

Автореферат розісланий 8 вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 доктор технічних наук, професор М.Р. Шевцов

Анотації

Тарасенко В.А. Моделювання робочих процесів і обґрунтування параметрів шахтної одновалкової дробарки для міцних порід. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 ? "Гірничі машини" ? Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню закономірностей робочого процесу шахтних валкових дробарок, вибору оптимальних структури і параметрів, що забезпечують зниження динамічних навантажень і підвищення технічного рівня дробильних машин. У роботі дане нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в розвитку теорії робочих процесів валкових дробарок на основі створення імітаційної математичної моделі функціонування одновалкової дробарки. Розроблене математичне і програмне забезпечення дозволяє на стадії проектування встановити раціональні структуру і параметри дробарки, виключити виникнення резонансних явищ, прогнозувати енергетичні характеристики процесу дробіння, продуктивність і гранулометричний склад продукту для конкретних умов експлуатації, забезпечити номінальні режими функціонування захисних пристроїв, а також підвищити довговічність дробильної машини. Результати роботи використані інститутом Дондіпровуглемаш і ДонДТУ. Розроблені методики і математичні моделі також можуть бути використані при створенні дробильних машин даного типу для загальнопромислового застосування, а також при математичному моделюванні робочих процесів конусних і щокових дробарок.

Ключові слова: шахтна дробарка, імітаційне математичне моделювання, обчислювальний експеримент, структурно-параметрична оптимізація.

Тарасенко В.А. Моделирование рабочих процессов и обоснование параметров шахтной одновалковой дробилки для крепких пород. ? Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 ? "Горные машины" ? Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена исследованию закономерностей рабочего процесса шахтных валковых дробилок, выбору оптимальных структуры и параметров, обеспечивающих снижение динамических нагрузок и повышение технического уровня дробильных машин. В работе дано новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в развитии теории рабочих процессов валковых дробилок на основе создания имитационной математической модели функционирования одновалковой дробилки.

Для формулирования рекомендаций относительно рациональной структуры и параметров дробилки с учётом формирования как номинальных, так и экстренных нагрузок, а также их случайных составляющих, обусловленных стохастичностью рабочего процесса, была проведена структурно-параметрическая оптимизация динамических свойств привода с использованием разработанной комплексной математической модели функционирования одновалковой дробилки.

Разработанная комплексная имитационная модель функционирования одновалковой гирационной дробилки включает в себя:

усовершенствованную математическую модель формирования исходного питания дробильной машины, учитывающую стохастический характер поступления породы в дробилку и предусматривающую моделирование нескольких независимых потоков с собственными параметрами и последующим их объединением в один поток;

математическую модель процесса разрушения материала в одновалковой дробилке, основанную на представлении процесса в виде совокупности последовательных актов нагружения каждого куска породы, которые при выполнении определенных условий завершаются его хрупким разрушением; при этом учитываются геометрические и прочностные параметры каждого разрушаемого куска, случайный характер выбора его к нагружению и просыпанию из одной элементарной камеры в другую из определенной совокупности находящихся в дробилке;

математическую модель формирования нагрузок на исполнительном органе, являющуюся связующим звеном между математической моделью процесса дробления и математической моделью динамики дробилки и используемую для формирования внешней нагрузки на исполнительный орган по результатам моделирования процесса дробления;

математическую модель динамики дробилки, учитывающую нелинейные связи, обусловленные наличием асинхронного электродвигателя, упругой муфты и предохранительных устройств (динамика асинхронного электродвигателя описана уравнениями Парка-Горева, которые позволяют с учётом общепринятых допущений наиболее полно описывать протекающие в двигателе динамические процессы).

Комплексная имитационная алгоритмическая математическая модель функционирования одновалковой гирационной дробилки адекватно описывает рабочий процесс дробилки и впервые наряду с нелинейностью динамических свойств привода и стохастичностью рабочего процесса учитывает переходные динамические процессы в асинхронном электродвигателе и позволяет моделировать её работу в следующих режимах: запуск вхолостую, запуск под завалом, номинальный режим функционирования, стопорение исполнительного органа недробимым препятствием с отработкой реакции предохранительных устройств, запуск застопоренной дробилки.

Так, в результате проведенных вычислительных экспериментальных исследований впервые установлено, что:

? в приводе одновалковой шахтной дробилки ДВ в установившихся рабочих режимах имеют место резонансные явления, обусловленные близостью 1-й собственной частоты привода (? 7,8 Гц) и частоты 2-й гармоники кинематической составляющей нагрузки, равной 7,5 Гц. Коэффициент вариации нагрузки в приводе достигает 2,5, что ограничивает производительность дробилки и область её применения по крепости пород. Снижение коэффициента вариации в 1,7 раза достигается за счёт выбора оптимальной структуры и параметров дробилки, в процессе которого следует учитывать максимальные экстренные нагрузки, возникающие в режимах запуска дробилки и стопорения валка недробимым предметом;

? при выборе параметров срезных элементов предохранительных устройств шахтной дробилки следует учитывать их фактическую диаграмму деформирования в режимах запуска дробилки и стопорения валка недробимым предметом. Средняя скорость нарастания касательных напряжений в срезных элементах дробилки ДВ составляет (0,6 ... 0,9)•104 МПа/с, при таких скоростях нагружения имеет место упрочнение материала срезных элементов, проявляющееся в увеличении пределов текучести (упругости) и прочности в 1,1 ... 1,5 раза в зависимости от используемого материала.

Разработано математическое и программное обеспечение, которое позволяет на стадии проектирования установить рациональные структуру и параметры дробилки, исключить возникновение резонансных явлений, прогнозировать энергетические характеристики процесса дробления, производительность и гранулометрический состав продукта для конкретных условий эксплуатации, обеспечить номинальные режимы функционирования предохранительных устройств, а также повысить долговечность дробильной машины.

Результаты исследований использованы институтом Донгипроуглемаш при подготовке испытаний экспериментального образца одновалковой дробилки ДВ, при доводке и анализе путей её дальнейшего совершенствования, а также ДонГТУ при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе. Разработанные методики и математические модели также могут быть использованы при создании дробильных машин данного типа для работы, как в условиях шахты, так и общепромышленного применения, а также при математическом моделировании рабочего процесса конусных и щековых дробилок.

Ключевые слова: шахтная дробилка, имитационное математическое моделирование, вычислительный эксперимент, структурно-параметрическая оптимизация.

Tarasenko V.A. Simulation of the working processes and optimization of parameters of the mining single-roll crusher for rock of strong. ? Manuscript.

Thesis for the Candidate of Science degree on the speciality 05.05.06 ? "Mining machines" ? Donetsk State Technical University, Donetsk, 2000.

The dissertation is devoted to the research of legitimacies of the working process of mine gyratory crushers, choice of the optimum structure and parameters providing lowering of dynamic loads and rise of the technological level of crushing engines. In operation the new solution of the actual scientific task encompassing by development of the theory of working processes of gyratory crushers on the basis of creation of an imitative mathematical model of operation of a single-roll crusher is given. The mathematic and design software allows to install the rational structure and parameters of the crusher at the stage of designing, to eliminate the origin of resonance appearances, to forecast the power characteristics of the process of subdivision, productivity and grain composition of the product for the concrete operation conditions, to provide nominal modes of operation of preventers, and also to increase longevity of the crushing engine. The outcomes of the operation are utilised at the Institute Dongiprouglemach and DonSTU. The designed techniques and mathematical models can also be utilised at creation of crushing engines of the given type pantoindustry of application, and also at mathematical modelling of a working process of conic and jaw crushers.

Key words: mine crusher, imitative mathematical simulation, computing experiment, structural - parametrical optimization.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним із найбільш трудомістких і енергоємних технологічних процесів при розробці вугільних пластів є проведення підготовчих виробіток і видача відбитої породи на поверхню. Так, на шахтах України щорічно від проведення і підтримки близько 2900 км підготовчих виробіток видається на поверхню до 70 млн. т гірничої маси. Поряд із цим останнім часом намітилась об'єктивна тенденція підвищення глибини розробки вугільних пластів. При цьому відбувається збільшення перетинів підготовчих виробіток, витрат на їх підтримку та зростання об'єму породи, що видається на поверхню.

Одним із шляхів рішення цієї проблеми є скорочення кількості гірничої породи, що видається на поверхню, за рахунок використання її для часткового або повного закладання виробленого простору. Проведення закладних робіт передбачається суцільною системою розробки вугільних пластів, застосування якої забезпечує зниження початкових капітальних витрат у порівнянні з більш поширеною стовповою системою. При суцільній системі одним із способів охорони штреків є укладка бутових смуг гірничою породою, яка одержана від їх проведення. Використання гірничої породи для закладання виробленого простору є також одним із важливих факторів поліпшення екологічної обстановки в гірничодобувному регіоні. У зв'язку з цим зростає актуальність використання механізованих закладних комплексів при розробці вугільних пластів.

Зниження експлуатаційних витрат при проведенні закладних робіт може бути досягнуто за рахунок застосування трубопровідного гідро- або пневмотранспорту. Проте для його ефективного застосування потрібно дробіння гірничої маси. Тому одним з основних елементів механізованого закладного комплексу є дробильна машина.

Оскільки підготування закладного матеріалу здійснюється в шахті, а в переважній більшості випадків - у безпосередній близькості від забою проведеної гірничої виробітки, однією із вимог є вибухобезпечність конструкції дробарки і процесу дробіння, що не завжди забезпечується традиційними типами дробильних машин. Так саме існуючі вибухобезпечні дробарки мають обмежену область застосування по міцності дробимої породи.

У зв'язку з цим виникає об'єктивна необхідність у створенні шахтних дробильних машин нового технічного рівня, що відрізняються більшою продуктивністю, надійністю та ефективністю і задовольняють різноманітним умовам експлуатації, а також придатних для дробіння міцних гірничих порід (із коефіцієнтом міцності до 16-18 одиниць по шкалі проф. М.М. Протод'яконова).

Перспективною дробаркою, що відповідає зазначеним вимогам, є одновалкова гіраційна дробарка ДВ, яка розроблена інститутом Дондіпровуглемаш за участю

ДонДТУ, експериментальний зразок якої виготовлен заводом металургійного устаткування, м. Дебальцево. Одновалкова гіраційна дробарка вперше розроблена для шахтних умов, проте у технічній літературі відсутні необхідні дані на вибір основних параметрів таких машин.

Все це свідчить про актуальність і важливість для вугільної промисловості наукової задачі, що полягає у встановленні закономірностей робочого процесу шахтних одновалкових дробарок, виборі оптимальних структури і параметрів, які забезпечують зниження динамічних навантажень і підвищення технічного рівня дробильних машин даного типу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами ДонДТУ. Основні дослідження теоретичного та прикладного характеру були виконані на базі держбюджетних науково-дослідних тем Г 30-92 № ГР UA01001402Р (керівник - д.т.н. Кондрахін В.П.) та Г 9-2000 № ГР 0100U001050 (керівник - д.т.н., проф. Гуляєв В.Г.) і хоспдоговірної науково-дослідної теми Х 94-94 № ГР 0194U009894 (керівники - д.т.н., проф. Гуляєв В.Г. і д.т.н. Кондрахін В.П.).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення технічного рівня шахтних одновалкових дробарок за рахунок розробки і реалізації імітаційної математичної моделі їх робочого процесу, що дозволяє встановити його закономірності та обґрунтувати раціональні структуру і параметри дробарки. Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені наступні задачі:

розроблена комплексна імітаційна алгоритмічна математична модель функціонування одновалкової гіраційної дробарки, що описує процеси дробіння породи і формування динамічних навантажень;

розроблені методика і прикладне програмне забезпечення для проведення обчислювальних експериментів;

виконано комплекс обчислювальних експериментальних досліджень процесу функціонування одновалкової гіраційної дробарки;

установлені закономірності формування динамічних навантажень як у сталих, так і в перехідних режимах роботи дробарки;

досліджені можливі структури та параметри дробарки і встановлені найбільш раціональні із них з позиції зниження рівня навантажень у різних режимах роботи;

дано оцінку впливу параметрів вхідного живлення на основні показники процесу руйнування матеріалу у валковій дробарці.

Ідея роботи полягає в розробці комплексної імітаційної математичної моделі робочого процесу шахтної одновалкової дробарки, що враховує параметри вхідного живлення (розміри кусків, їх міцність, щільність, форму), стохастичний характер надходження матеріалу в дробарку і процесу дробіння, та її використанні для виявлення закономірностей робочого процесу і встановлення раціональних із погляду зниження динамічного навантаження структури і параметрів дробарки ДВ з урахуванням різних режимів роботи.

Методи досліджень. Розробка математичних моделей виконана на основі методів статистичної нелінійної динаміки, теорії випадкових процесів та теорії множин. Рішення систем диференціальних рівнянь здійснювалося чисельним способом із використанням методу Рунге-Кутта четвертого порядку. При обробці результатів обчислювальних експериментів використовувалися методи математичної статистики і теорії ймовірностей. Адекватність розроблених математичних моделей забезпечувалась методом параметричної ідентифікації і оцінювалась за допомогою порівняльного аналізу результатів обчислювальних та натурних експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів. Стислий зміст нових наукових положень і результатів, отриманих автором, складається в наступному:

Робочий процес шахтної одновалкової гіраційної дробарки адекватно описується розробленою імітаційною математичною моделлю, яка вперше враховує поряд із нелінійністю динамічних властивостей приводу і стохастичністю робочого процесу перехідні динамічні процеси в електродвигуні при його запуску і перекиданні.

У приводі одновалкової шахтної дробарки ДВ у сталих робочих режимах мають місце резонансні явища, які обумовлені близькістю 1-ї власної частоти приводу (? 7,8 Гц) і частоти 2-ї гармоніки кінематичної складової навантаження, яка дорівнює 7,5 Гц. Коефіцієнт варіації навантаження в приводі досягає 2,5, що обмежує продуктивність дробарки і область її застосування по міцності порід. Зниження коефіцієнту варіації у 1,7 рази досягається шляхом встановлення оптимальних структури і параметрів дробарки з урахуванням максимальних екстрених навантажень, що виникають у режимах запуску дробарки і стопорінні виконавчого органу предметом, який не руйнується.

При виборі параметрів зрізних елементів захисних пристроїв шахтної дробарки варто враховувати їх фактичну діаграму деформування в режимах запуску дробарки і стопоріння виконавчого органа предметом, який не руйнується. Середня швидкість наростання дотичних напруг у зрізних елементах складає (0,6 ... 0,9)•10⁴ МПа/с, при таких швидкостях навантаження має місце зміцнення матеріалу зрізних елементів, що виявляється в збільшенні межі текучості і межі міцності у 1,1...1,5 рази в залежності від використовуваного матеріалу.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджується:

застосуванням основних положень теорії коливань і статистичної нелінійної динаміки, перевірених на практиці допущень і гіпотез при розробці розрахункових схем і математичних моделей, моделюванні динамічних процесів і проведенні теоретичних досліджень та обчислювальних експериментів;

коректним застосуванням теорії ймовірностей і математичної статистики при аналізі результатів обчислювальних експериментів;

достатнім ступенем збіжності характеристик великості продуктів дробіння, математичного очікування потужності і питомих енерговитрат процесу дробіння з експериментальними даними, отриманими для близьких за принципом дії і способу руйнації матеріалу дробильних машин (розбіжність менше 20 %).

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії робочих процесів валкових дробарок на основі розробки і реалізації імітаційної математичної моделі функціонування одновалкової дробарки і встановлення закономірностей робочого процесу з урахуванням динамічних властивостей і стохастичності.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості використання розроблених математичних моделей і прикладного програмного забезпечення для дослідження й оптимізації структури і параметрів дробильних машин даного типу. Результати дисертаційної роботи дозволяють:

встановити оптимальну структуру і параметри одновалкової дробарки: момент інерції маховика, ексцентріситет вала валка, частоту обертання валка, параметри зрізних елементів захисних пристроїв;

на базі пакета прикладних програм для ПЕОМ моделювати живлення дробарки, що складається із декількох незалежних потоків, стохастичний процес дробіння, процес формування динамічних навантажень у трансмісії дробарки для різних режимів її роботи, а також проводити статистичний аналіз результатів моделювання з метою одержання вхідних даних для розрахунків на міцність і тривалість.

Основні результати наукових досліджень використані:

Інститутом Дондіпровуглемаш при підготовці іспитів експериментального зразка, а також при доведенні та аналізу шляхів подальшого удосконалювання одновалкової шахтної дробарки ДВ для міцних порід;

Донецьким державним технічним університетом при виконанні науково-дослідних робіт, а також у навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем протягом п'ятьох років на базі виконуваних на кафедрі "Гірничі машини" ДонДТУ науково-дослідних робіт. Особистий внесок здобувача складається: розробка математичних моделей, постановка і рішенні задач по всіх розділах дисертаційної роботи; розробка пакету прикладних програм для проведення обчислювальних експериментів; розробка методики, підготовка матеріалу і проведення обчислювальних експериментів; статистична обробка інформації, що отримана в результаті обчислювальних експериментів; систематизація і науковий аналіз отриманих результатів. дробарка продуктивність шахтний валковий

Узагальнення результатів досліджень одновалкової гіраційної дробарки для міцних порід, розробка висновків і рекомендацій виконані автором дисертаційної роботи самостійно. Автору також належать основні ідеї роботи, методика проведення обчислювальних досліджень і рішення задач оптимізації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи і матеріали досліджень повідомлені на: Міжнародному симпозіумі "Гірнича техніка на порозі XXI віку" у Московському державному гірничому університеті (м. Москва, 1996 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технологій переробки мінеральної сировини" у Національній гірничій академії України (м. Дніпропетровськ, 1996 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання i технологій переробки мінеральної сировини" у Національній гірничій академії України (м. Дніпропетровськ, 1997 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "XXI сторіччя ? проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" у Національній гірничій академії України (м. Дніпропетровськ, 1998 р.); Науковому симпозіумі "Тиждень гірняка ? 99" у Московському державному гірничому університеті (м. Москва, 1999 р.); III Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технологій переробки мінеральної сировини" у Національній гірничій академії України (м. Дніпропетровськ, 1999 р.); Науковому симпозіумі "Тиждень гірняка ? 2000" у Московському державному гірничому університеті (м. Москва, 2000 р.); засіданнях кафедри "Гірничі машини" Донецького державного технічного університету у 2000 р.

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані у 12 наукових роботах, в тому числі 9 ? у збірниках наукових праць і матеріалах науково-технічних конференцій і 3 ? у збірниках тез конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури (152 джерела) та 7 додатків. Дисертація викладена на 271 сторінці, у тому числі ? 150 сторінок основного тексту, 14 сторінок списку літератури, 66 повних сторінок із рисунками і таблицями та 39 сторінок додатків.

Автор вважає своїм обов'язком висловити глибоку вдячність науковому керівнику доктору технічних наук, доценту Віталію Петровичу Кондрахіну за допомогу, яка подана при підготовці і проведенні теоретичних і обчислювальних досліджень. Автор також вдячний усім співробітникам кафедри "Гірничі машини" ДонДТУ за цінну науково-методичну допомогу при виконанні роботи.

Основний зміст роботи

Перший розділ дисертації присвячений обґрунтуванню актуальності та аналізу стану питання досліджень динамічних процесів у дробильних машинах, та виникаючих при цьому динамічних навантажень, а також виборові оптимальних параметрів руйнації вугілля і гірничих порід.

Вивченням проблем динаміки і створенням гірничих машин займаються різні проектно-конструкторські організації, науково-дослідні інститути, кафедри вищих навчальних закладів. До їх числа відносяться такі організації, як: Дондіпровуглемаш, ІГТМ НАН України, Діпровуглемаш, Діпромашвуглезбагачення, ДонВУГІ, ДонНДІ, Автоматгірмаш, ІГП ім. А.А. Скочинського, УкрНДІ Вуглезбагачення, ВНДІстройдормаш, НДІхіммаш, Механобр (м. Санкт-Петербург), Механобрчермет (м. Крівий Ріг), Ясинуватський машинобудівний завод, НКМЗ, ДонДТУ, НГА України, Донбаський гірничометалургійний інститут, Донбаська державна машинобудівна академія, ДонГАСА, МДГУ та інші.

Великий внесок у розвиток теорії формування навантажень в елементах гірничих машин, та їх удосконалення як динамічних об'єктів і розробку методів підвищення надійності внесли вчені: доктора технічних наук Я.І. Альшиц, М.Г. Бойко, В.О. Бреннер, В.М. Гетопанов, П.А. Горбатов, В.Г. Гуляєв, В.І. Дворніков, А.В. Докукин, Л.І. Кантович, Ю.Г. Качан, В.П. Кондрахін, Ю.Д. Красніков, Б.В. Клушанцев, А.Г. Лаптєв, М.Г. Логвінов, А.М. Москальов, Ю.А. Муйземнек, В.П. Надутий, В.В. Пак, Е.З. Позін, А.К. Семенченко, В.П. Франчук, З.Л. Фінкельштейн, В.Н. Хорін, кандидати технічних наук і інженери С.Л. Букін, С.Н. Іцкович, М.М. Лисенко, Г.В. Малєєв, В.Г. Малородов, В.О. Мізін, М.М. Мотін, В.Г. Нечепаев, М.С. Нечепуренко, О.В. Ольховський, Г.В. Петрушкін, В.Г. Потапов, Н.В. Сухін, О.Е. Шабаєв та інші.

Як показав аналіз літературних джерел із проблем математичного моделювання робочого процесу стосовно до одновалкових гіраційних дробарок типу ДВ, процес роздрібнення, формування навантажень на виконавчому органі, функціонування захисних пристроїв і динамічна навантаженність дробарки вивчені недостатньо.

В другому розділі дисертаційної роботи приведені результати першого етапу дослідження дробарки ДВ, у якому були використані спрощені математичні моделі для дослідження кінематичних складових навантаження і процесу спрацьовування захисного пристрою. Ці моделі дозволили одержати попередні дані про формування кінематичних навантажень у приводі, функціонуванні захисного пристрою, а також про можливі раціональні варіанти динамічних схем приводу дробарки. При проведенні оптимізаційних досліджень одновалкової дробарки ДВ використовувалися більш складні математичні моделі, розроблені з використанням результатів, отриманих у другому розділі.

При розробці математичних моделей одновалкової гіраційної дробарки були прийняті наступні основні припущення:

пружні і дисипативні властивості приводу прийняті лінійними і характеризуються коефіцієнтами жорсткості сi і опору вi, за винятком ділянок з пружною пальцевою муфтою (cy, вy) і захисними пристроями;

вектор сили дробіння Fp у кожній елементарній камері спрямований уздовж середньої лінії камери до осі вала валка;

згинальні деформації вала і валка дробарки, радіальні деформації x, y їх опор ? підшипникових вузлів ? прийняті у вигляді лінійних функцій результуючого вектора радіального навантаження, що діє на виконавчий орган дробарки, і характеризуються коефіцієнтами жорсткості Си і опору ви.

Особливістю розрахункової динамічної схеми і математичної моделі для дослідження кінематичних складових навантаження є методика визначення зовнішнього навантаження і наявність нелінійної пружної муфти. Дослідження проводилися для сталих режимів роботи, тобто при роботі електродвигуна на стійкій частині механічної характеристики. При цьому використовувалася спрощена математична модель електродвигуна, запропонована І.С. Пінчуком.

У результаті моделювання, аналізу власних частот і амплітудно-частотних характеристик встановлено, що в приводі одновалкової дробарки ДВ у сталих робочих режимах мають місце резонансні явища. Для їх усунення необхідно відбудувати власну частоту приводу дробарки від частоти зовнішнього навантаження шляхом вибору раціональних структури і параметрів дробарки.

Розрахункова динамічна схема процесу спрацьовування захисного пристрою крім пружної муфти містить захисний пристрій із зрізним елементом. Математична модель відрізняється урахуванням фактичних діаграм деформування зрізного елементу та описом асинхронного електродвигуна рівняннями Парка-Горєва. При її розробці додатково до перерахованих вище допущень прийнято, що навантажуєма перешкода є абсолютно жорсткою, а податливість і дисипативні властивості зв'язку "валок-перешкода" інтегрально враховують податливість і дисипативні властивості щік дробарки, вала валка та його підшипникових опор.

У результаті моделювання встановлено, що найбільші навантаження виникають у режимах пуску приводу і стопоріння виконавчого органу предметом, що не руйнується. Як показав досвід експлуатації дробильних машин у шахтних умовах, частота стопоріння виконавчого органа предметом, що не руйнується, складає два і більш раз на протязі зміни. Узагальнення результатів обчислювальних експериментів дозволило зробити висновок, що при виборі параметрів зрізних елементів варто враховувати їх фактичну діаграму деформування, тому що унаслідок високої швидкості наростання дотичних напруг має місце зміцнення матеріалу зрізних елементів. У результаті досліджень із використанням спрощених математичних моделей виявлена зміна знака навантаження в приводі, що підтверджує необхідність урахування розкриття зазорів дi у комплексній математичній моделі.

Для формулювання рекомендацій щодо раціональної структури і параметрів дробарки з урахуванням формування як номінальних, так і екстрених навантажень, а також їх випадкових складових, обумовлених стохастичним процесом дробіння породи, необхідно проведення структурно-параметричної оптимізації динамічних властивостей приводу. Ці дослідження були проведені на основі комплексної імітаційної моделі функціонування одновалкової дробарки.

Комплексна модель складається з наступних взаємозалежних математичних моделей: вхідного живлення, процесу дробіння, формування навантажень на виконавчому органі і динаміки дробарки.

Третій розділ присвячен розробці і дослідженню математичних моделей вхідного живлення і процесу дробіння.

Запропонована в роботі модель живлення відрізняється від раннє створених широкими можливостями по моделюванню потоку з довільної кількості Nп незалежних потоків із своїми власними параметрами. Ця особливість відповідає дуже ймовірному випадку живлення шахтних дробарок із декількох незалежних джерел надходження гірничої маси.

Математична модель процесу дробіння заснована на уявленні процесу у вигляді сукупності послідовних актів навантаження куска породи, що при виконанні визначених умов завершуються його крихкою руйнацією; при цьому враховуються геометричні dj і міцністні fj параметри кожного j-го куска, що руйнується, випадковий характер вибору куска породи до навантаження і просипання з камери в камеру з визначеної сукупності кусків в дробарці. Процес дробіння розглядається не тільки в часу, але й у просторі робочих камер I і II дробарки.

У результаті обчислювальних експериментів уперше для одновалкової дробарки встановлені залежності характеристик великості продукту дробіння від міцності f породи по шкалі проф. М.М. Протод'яконова.

В роботі також установлено, що: міцність породи не робить суттєвого впливу на максимально досяжну продуктивність дробарки; основним чинником, що обмежує продуктивність дробарки, є пропускна спроможність робочих камер дробіння, яка обумовлена їх геометричними параметрами і частотою обертання валка. Максимальна продуктивність дробарки у сталому режимі не перевищує 100 т/г; при продуктивності живильника до 80-100 т/г (для різної міцності породи) надкамерний простір заповнен на 10-15 %. Через це обсяг приймального бункера може бути знижений у 5-6 раз, що дозволить зменшити висоту корпуса дробарки. Переповнювання наступає при продуктивності живильника понад 90-100 т/г.

У четвертому розділі дисертації подані математичні моделі формування зовнішнього навантаження і динаміки дробарки, методика проведення структурно-параметричної оптимізації, а також результати обчислювальних експериментальних і оптимізаційних досліджень.

Математична модель формування навантажень на виконавчому органі є складовою частиною комплексної моделі функціонування дробарки і з'єднувальним кільцем між моделями процесу дробіння і динаміки.

При розробці розрахункової динамічної схеми додатково до приведених вище допущеннь було прийнято, що корпус дробарки жорстко закріплений, і його коливання не впливають на динамічні процеси у приводі. Перші сім диференціальних рівнянь системи (1) описують рух інерційних мас приводу дробарки, слідуючі два ? коливання центру мас валка з валом і противагами, а інші ? динаміку асинхронного електродвигуна.

У системі (1) позначені: М 1, М 2 і М 3 ? моменти реакцій пружних зв'язків 1?2, 4?5, 5?6 відповідно (рис. 4); m ? маса валка з противагами; щс ? кругова частота сіті; t ? поточний час процесу; Шsб, Швб, Шнб, Шsв, Швв, Шнв ? складові векторів потокозціплень обмоток статора і ротора електродвигуна; коефіцієнти відносного реактивного as, arв, arн і активного bs, brв, brн опор його обмоток; Um ? амплітуда напруги фази; ДUsб, ДUsв ? проекції вектора падіння напруги статора на осі б і в, що враховують вплив сіті; Xs ? синхронний індуктивний опір статора; р ? число пар полюсів електродвигуна; U ? передаточне відношення редуктора дробарки.

У результаті моделювання запуску асинхронного електродвигуна, виходу його в режим холостого ходу і влучення в дробарку недробимої перешкоди для базового варіанта розрахункової динамічної схеми отримані осцилограми моментів, що формуються в дробарці ДВ.

Для формулювання рекомендацій щодо раціональної структури і параметрів дробарки була проведена структурно-параметрична оптимізація динамічних властивостей привода. У якості оптимізуємих параметрів для різноманітних структур приводу прийняті: момент інерції маховика, ексцентриситет вала валка, кутова швидкість обертання виконавчого органу, діаметри зрізних елементів першого і другого захисних пристроїв, а в якості функцій цілі: середні квадратичні відхилення електромагнітного моменту двигуна, моменту в редукторі і радіального зусилля на валу валка в сталому режимі роботи, а також максимальні момент у редукторі і зусилля на опорах валка при його стопорінні.

У результаті обчислювальних досліджень установлено, що коефіцієнт варіації навантаження в приводі у номінальному режимі роботи дробарки складає 2,5. Для зниження максимальних значень і нерівномірності навантажень у приводі доцільно виключити маховик і пружну муфту з конструкції дробарки. Встановлені оптимальні структура і параметри дробарки дозволяють знизити коефіцієнт варіації навантаження в 1,7 раз. При цьому узагальнений критерій якості найбільш раціонального варіанта на 70 % більше, ніж для базового. Зниження середніх квадратичних відхилень навантажень у приводі складає 46 - 90 %, а максимальних навантажень на 33 - 45 %.



Висновки

У дисертаційній роботі автором дане нове вирішення актуальної наукової задачі, яка полягає у встановленні закономірностей робочих процесів і обґрунтуванні оптимальних структури і параметрів шахтних гіраційних валкових дробарок, що забезпечують зниження їх динамічної навантаженості і підвищення технічного рівня.

Використання результатів роботи дозволяє на стадії проектування одновалкових дробарок визначати їх оптимальні структуру і параметри, які мають забезпечити зниження динамічних навантажень і підвищення надійності за рахунок усунення резонансних режимів і забезпечення ефективного функціонування захисних пристроїв, прогнозувати енергетичні характеристики процесу дробіння, продуктивність і гранулометричний склад продукту для конкретних умов експлуатації.

Основні висновки, наукові і практичні результати, отримані автором у дисертаційній роботі, полягають у наступному:

Розроблено комплексну імітаційну модель функціонування одновалкової гіраційної дробарки, що включає в себе:

удосконалену математичну модель формування вхідного живлення дробильної машини, що враховує стохастичний характер надходження породи в дробарку і передбачає моделювання декількох незалежних потоків із власними параметрами і наступним їх об'єднанням в один потік;

математичну модель процесу руйнації матеріалу в одновалковій дробарці, засновану на уявленні процесу у вигляді сукупності послідовних актів навантаження кожного куска породи, що при виконанні визначених умов завершуються його крихкою руйнацією; при цьому враховуються геометричні і міцністні параметри кожного куска, випадковий характер вибору його до навантаження і до пересипання з камери в камеру із певної сукупності, що знаходяться у дробарці;

математичну модель формування навантажень на виконавчому органі за результатами моделювання процесу дробіння;

математичну модель динаміки дробарки, що враховує нелінійні зв'язки, обумовлені наявністю асинхронного електродвигуна, пружної пальцьової муфти і захисних пристроїв (динаміка асинхронного електродвигуна описана рівняннями Парка-Горєва).

Комплексна імітаційна модель функціонування одновалкової гіраційної дробарки адекватно описує робочий процес дробарки і вперше, поряд із нелінійністю динамічних властивостей приводу і стохастичністю робочого процесу, враховує перехідні динамічні процеси в асинхронному електродвигуні і дозволяє моделювати її роботу в наступних режимах: запуск ухолосту, запуск під завалом, номінальний режим функціонування, стопоріння виконавчого органа перешкодою, що не руйнується, з відпрацьовуванням реакції захисних пристроїв, запуск застопореної дробарки.

У результаті проведених обчислювальних експериментальних досліджень вперше встановлено, що:

а) у приводі одновалкової шахтної дробарки ДВ у сталих робочих режимах мають місце резонансні явища, обумовлені близькістю 1-ї власної частоти приводу (? 7,8 Гц) і частоти 2-ї гармоніки кінематичної складової навантаження, яка складає 7,5 Гц. Коефіцієнт варіації навантаження в приводі досягає 2,5, що обмежує продуктивність дробарки та область її застосування по міцності порід. Зниження коефіцієнта варіації в 1,7 раз досягається за рахунок вибору оптимальної структури і параметрів дробарки, у процесі якого варто враховувати максимальні екстрені навантаження, що виникають у режимах запуску дробарки і стопоріння валка предметом, що не руйнується;

б) середня швидкість наростання дотичних напруг у зрізних елементах захисних пристроїв дробарки ДВ складає (0,6 ... 0,9)•104 МПа/с. При таких швидкостях навантаження має місце зміцнення матеріалу зрізних елементів, що виявляється в збільшенні меж текучості (пругкості) і тривкості в 1,1 ... 1,5 раз в залежності від використовуваємого матеріалу. У зв'язку з цим вибір параметрів зрізних елементів повинен відбуватися з урахуванням фактичної діаграми їх деформування в режимах запуску дробарки і стопоріння виконавчого органу предметом, що не руйнується;

в) кутова швидкість обертання виконавчого органу дробарки ДВ змінюється в дуже незначному діапазоні значень і складає 1,6 % ... 5,6 % від середньої величини 23,6 с-1 для першої зборки редуктора і 1,2 % ... 3,6 % від 19,3 с-1 ? для другій. При цьому максимальне значення кутової швидкості не перевищує 26 с-1, що відповідає швидкості взаємодії виконавчого органа з породою 0,26 м/с. Таким чином, вибухобезпечність сухого процесу руйнації матеріалу в дробарці ДВ забезпечується у всіх режимах роботи з урахуванням нерівномірності обертання під дією кінематичних і випадкових складових корисного навантаження;

г) для розглянутих представних умов експлуатації дробарки розроблені наступні рекомендації:

для зниження максимальних навантажень у приводі і забезпечення ефективного функціонування захисних пристроїв у перехідних режимах роботи (при пуску дробарки і стопорінні її перешкодою, що не руйнується) доцільно виключити маховик і пружну муфту з конструкції одновалкової дробарки ДВ;

у випадку, якщо основне значення буде віддаватися зниженню нерівномірності навантаження в приводі при забезпеченні достатнього запасу міцності стосовно екстрених навантажень у перехідних режимах роботи, доцільно збільшити момент інерції маховика з 16,8 кг·м 2 до 40 ... 100 кг·м 2;

для зниження нерівномірності навантаження доцільно зменшити величину ексцентриситету вала валка на 20 % з одночасним збільшенням на 20 % частоти обертання виконавчого органу;

д) основним чинником, що обмежує продуктивність дробарки, є пропускна спроможність робочих камер дробіння, обумовлена їхніми геометричними параметрами і частотою обертання виконавчого органа. Максимальна продуктивність дробарки в номінальному режимі роботи не перевищує 100 т/г;

е) для проектної продуктивності дробарки 60 т/г переповнювання верхнього приймального бункера не відбувається, при цьому надкамерний простір при продуктивності живильника до 80-100 т/г заповнено породою на 10-15 %. Таким чином, обсяг приймального бункера може бути зменшений у 5-6 раз, що дозволить зменшити висоту корпуса дробарки;

ж) збільшення міцності породи не робить суттєвого впливу на максимально досяжну продуктивність дробарки, проте, при цьому спостерігається значний ріст навантаження в приводі. Із зростанням продуктивності живильника питомі енерговитрати процесу дробіння знижуються (для значень до 30 т/г), на ділянці от 30 до 70 т/г суттєвої зміни їх не відбувається, а збільш 70 т/г має місце зріст, обумовлений занадто багатим дрібленням матеріалу.

З використанням розробленого математичного і програмного забезпечення, а також методики проведення обчислювальних досліджень і оптимізаційних експериментів отримані й обгрунтовані оптимальні структура та параметри одновалкової шахтної дробарки ДВ для міцних порід, що забезпечують зниження нерівномірності навантажень і екстрених їх значень при пуску приводу, стопорінні виконавчого органу предметом, що не руйнується, і сталим режимом роботи.

Результати досліджень використані інститутом Дондіпровуглемаш при підготовці іспитів експериментального зразка одновалкової дробарки ДВ, при доведенні й аналізі шляхів її подальшого удосконалювання, а також ДонДТУ при проведенні науково-дослідних робіт і в навчальному процесі.

Результати досліджень можуть бути використані при створенні одновалкових дробарок для роботи, як в умовах шахти, так і загальнопромислового застосування, а також при математичному моделюванні робочого процесу конусних та щокових дробарок.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Основні матеріали дисертації опубліковані в наукових фахових виданнях у наступних роботах:

Кондрахин В.П., Мотин Н.Н., Тарасенко В.А. Математическая модель для исследования кинематических составляющих нагрузок в приводе одновалковой гирационной дробилки // Международный симпозиум "Горная техника на пороге XXI века". Московский государственный горный университет. - М.: - 1996. - С. 300-306.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Моделирование на ЭВМ кинематических составляющих нагрузок в приводе одновалковой шахтной дробилки // Известия Донецкого горного института. Донецкий горный институт. - Донецк: ДГИ, 1996. - № 2 (4). - С. 83-88.

Кондрахин В.П., Мотин Н.Н., Тарасенко В.А., Яшаров П.А. Определение максимальных нагрузок на рабочем органе валковой дробилки гирационного типа // Сборник трудов горно-электромеханического факультета. Донецкий государственный технический университет. - Донецк: ДонГТУ, 1996. - С. 87-91.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Математическая модель формирования максимальных нагрузок в приводе одновалковой дробилки с предохранительным устройством // Известия Донецкого горного института. Донецкий горный институт. - Донецк: ДГИ, 1997. - № 2 (6).

- С. 58-61.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Комплексная имитационная модель функционирования одновалковой гирационной дробилки // XXI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых. Сб. научн. трудов НГА Украины. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, - 1998. - Том 6. - № 3 - С. 67-71.

Тарасенко В.А. Проведение вычислительных экспериментов с использованием сложных имитационных моделей горных машин // XXI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых. Сб. научн. трудов НГА Украины. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, - 1998. - Том 6. - № 3 - С. 71-75.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Математическая модель динамики одновалковой дробилки // Науковi працi Донецького державного технічного університету. Випуск 7, серія гірнича електромеханіка. - Донецьк: ДонДТУ, - 1999. - С. 124-129.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Моделирование нагрузок в приводе одновалковой дробилки с предохранительным устройством // Научный вестник НГА Украины. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, - 1999. № 3 - С. 73-75.

Гуляев В.Г., Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Структурно-параметрическая оптимизация шахтной одновалковой гирационной дробилки // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, - 1999. № 8 - С. 137-139.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Обоснование параметров, структуры привода и исходных данных для расчета шахтной одновалковой гирационной дробилки // Международная конференция "Современные пути развития горного оборудования и технологий переработки минерального сырья". Национальная горная академия Украины. - Днепропетровск: НГА Украины, - 1996. - С. 15-16.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Моделирование максимальных нагрузок в приводе одновалковых дробилок // Международная конференция "Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання i технологій переробки мінеральної сировини". Национальная горная академия Украины. - Днепропетровск: НГА Украины, - 1997. - С. 53-54.

Кондрахин В.П., Тарасенко В.А. Имитационная модель процесса дробления породы в гирационной одновалковой дробилке // Международная конференция "Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання i технологій переробки мінеральної сировини". Национальная горная академия Украины. - Днепропетровск: НГА Украины, - 1997. - С. 54-55.

Особистий внесок автора в роботах, які опубліковані у співавторстві:

[1, 5, 11] - розробка розрахункових динамічних схем і математичних моделей; [2] - аналіз результатів розрахунків; [3, 10] - узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень; [4, 6, 12] - розробка програмного забезпечення і проведення обчислювальних експериментів, аналіз отриманих результатів; [7, 8] - участь у розробці розрахункових динамічних схем математичних моделей.

Размещено на Allbest.ru

...