Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 621.926.54

Спеціальність 05.05.06 - гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів внутрішньокамерного завантаження вертикальних вібраційних млинів

Титов Олександр Олександрович

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничих машин Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Франчук Всеволод Петрович, Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри гірничих машин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Кириченко Віталій Іванович, Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, професор кафедри електропривода;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Корольов Петро Петрович, Донбаський гірничо-металургійний інститут (м. Алчевськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач сектора прикладної механіки кафедри машин металургійного комплексу.

Провідна установа - Інститут геотехнічної механіки Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ).

Захист дисертації відбудеться "_30_" жовтня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий "28" вересня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, канд. техн. наук О.В. Анциферов

Анотації

Титов О.О. Обґрунтування параметрів внутрішньокамерного завантаження вертикальних вібраційних млинів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - гірничі машини. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002.

Аналітично досліджено процеси переміщення завантаження молольних тіл і здрібнюваного матеріалу під впливом коливань помольної камери вертикального вібраційного млина, обґрунтовано умови ефективного руйнування матеріалу в шарі молольних тіл, що забезпечують залучення до процесу ефективного подрібнення усієї сукупності молольних тіл та руйнування великих і міцних частинок вихідного матеріалу. Отримано аналітичні залежності для розрахунку раціональних величин технологічного зазору в помольній камері, діаметра молольних тіл, внутрішніх висоти та діаметра помольної камери, заповнення камери здрібнюваним матеріалом, експериментально встановлено значення емпіричних коефіцієнтів. Розроблено і успішно впроваджено інженерну методику розрахунку параметрів вертикального вібраційного млина для тонкого подрібнення міцних та абразивних матеріалів.

Ключові слова: вертикальний вібраційний млин, помольна камера, молольні тіла, здрібнюваний матеріал, тонке подрібнення, руйнування від утомленості, технологічний зазор, заповнення.

Титов А.А. Обоснование параметров внутрикамерной загрузки вертикальных вибрационных мельниц. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - горные машины. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена вопросам разработки методов расчета рациональных параметров загрузки помольных камер вертикальных вибрационных мельниц, состоящей из мелющих тел и измельчаемого материала, для тонкой дезинтеграции прочных и абразивных материалов. На основании аналитического обзора обоснована предпочтительность для переработки указанных материалов мельницы с жестким эксцентриковым вибровозбудителем, а также использование двухстороннего режима взаимодействия загрузки поочередно с крышкой и днищем помольной камеры.

Для описания двухстороннего взаимодействия загрузки с камерой предложена виброударная модель, асимметричная относительно крышки и днища. Получены численные решения для границ зоны рациональных значений технологического зазора в камере как функции коэффициента динамичности режима колебаний камеры и коэффициента сопротивлений перемещению загрузки. Показано, что при наличии абразивного износа рабочих поверхностей интенсивность их взаимодействия в пределах зоны поддерживается на максимальном уровне.

Разработана квазистатическая модель послойного взаимодействия загрузки мелющих тел с рабочей поверхностью помольной камеры, позволяющая учесть распределение интенсивности взаимодействия мелющих тел по объему камеры. Обоснованы условия эффективного разрушения хрупкой кубической частицы в слое мелющих тел, обеспечивающие вовлечение в процесс эффективного измельчения всех мелющих тел и разрушение наиболее крупных и прочных частиц исходного питания. Выведены аналитические зависимости для диаметра мелющих тел и высоты помольной камеры, при которых возможно эффективное измельчение материала с известными исходной крупностью, модулем Юнга и пределом прочности на одноосное сжатие.

Разработаны модели синхронных с частотой колебаний камеры перемещений измельчаемого материала в порах загрузки мелющих тел. Составлено уравнение баланса механической энергии загрузки, которая расходуется на трение измельчаемого материала в ее порах и разрушение частиц. Установлено, что рациональное отношение массы измельчаемого материала к массе мелющих тел прямо пропорционально корню квадратному из диаметра мелющих тел.

Проведены исследования измельчения одиночных частиц сплава ВК 8 на установке типа гравитационного копра. Показана как адекватность аппроксимации экспериментальных кривых усталостного разрушения частиц степенными функциями удельной объемной энергии нагружения, так и справедливость для одноциклового разрушения модели деформации частицы в виде хрупкого куба.

На лабораторной вертикальной вибромельнице исследован процесс тонкого измельчения карбида кремния и электрокорунда в периодическом режиме загрузки и разгрузки камер. Как установлено двухфакторным дисперсионным анализом, на рациональное заполнение камеры материалом наиболее сильно влияет диаметр мелющих тел, влияние конечной крупности незначительно, при этом возможно полное разделение эффектов влияния факторов. Подтверждена адекватность математической модели для расчета заполнения камеры материалом, определены значения эмпирических коэффициентов.

На базе выполненных исследований создана инженерная методика расчета параметров вертикальной вибрационной мельницы для тонкого измельчения прочных и абразивных материалов. Методика включает расчет параметров рабочего органа мельницы на основе полученных автором зависимостей, а также расчет силовых и энергетических параметров привода мельницы с использованием известных методик. Разработанная методика внедрена Институтом геотехнической механики НАН Украины при проектировании схем переработки железорудного концентрата, крошки гранита, корунда, и Национальным техническим университетом "ХПИ" (г. Харьков) при создании и настройке на технологический режим рабочего органа вертикальной вибромельницы МВВЛ-3 для измельчения карбида кремния и электрокорунда. В результате удалось на 10% повысить однородность гранулометрического состава продуктов измельчения, а также качество полученных на их основе изделий технической керамики.

Ключевые слова: вертикальная вибрационная мельница, помольная камера, мелющие тела, измельчаемый материал, тонкое измельчение, усталостное разрушение, технологический зазор, заполнение.

Titov A.A. Grounding of the parameters of the vertical vibrating mills' chamber interior load. - Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.05.06 - Mining Machines. The National Mining University, Dniepropetrovsk, 2002.

Concerning vertical vibrating mills the processes of grinding media and ground material load motion are investigated analytically. The conditions of the material efficient destruction in the grinding media layer, providing participation of all grinding media in the efficient grinding process and destruction of the biggest and strongest feed particles, are grounded. The analytical dependences to calculate rational values of the technological gap, the grinding media diameter, the grinding chamber interior height and diameter, the chamber filling with the material are obtained, the values of empirical factors are determined experimentally. The engineering technique for calculation of the vertical vibrating mill parameters for fine grinding of hard and abrasive materials is developed and applied successfully.

Key words: vertical vibrating mill, grinding chamber, grinding media, ground material, fine grinding, fatigue destruction, technological gap, filling.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Серед усієї сукупності етапів переробки корисних копалин подрібнення - найбільш енергоємний процес, при цьому витрати енергії на роздроблення одиниці маси гірської породи значно зростають із збільшенням необхідної тонкості помелу, підвищення якої відповідає сучасній тенденції розвитку гірничопереробної галузі. Як гірничі машини для одержання здрібнених продуктів застосовують різні типи млинів, серед яких вібраційні - одні з перспективних у області тонкого подрібнення. При здрібнюванні міцних і абразивних матеріалів найкращі вертикальні вібраційні млини, що реалізують віброударне навантаження. Високоінтенсивний ударний вплив на здрібнюваний матеріал забезпечує (порівняно з іншими типами вібромлинів) підвищені величини питомої продуктивності під час переробки важкоруйнівних матеріалів з мінімальним спрацюванням робочих поверхонь. Зокрема, перспективне застосування зазначених млинів при переробці абразивів (карбід кремнію, електрокорунд), матеріалів порошкової металургії, вольфрамовмісних сплавів. Дані матеріали використовують при виготовленні різального інструменту гірничовидобувних машин, високоякісної технічної кераміки для потреб машинобудування, радіоелектроніки та інших галузей промисловості. З погляду на це напрямок досліджень за темою дисертації - актуальний.

Максимальна ефективність процесу подрібнення досягається лише за умови раціональної взаємодії елементів робочого органа млина - помольної камери та внутрішньокамерного завантаження, що складається з молольних тіл і здрібнюваного матеріалу. Внутрішньокамерне завантаження - найважливіший елемент робочого органа, що забезпечує передачу енергії від помольної камери до подрібнюваного матеріалу. У зв'язку з новизною застосування вертикальних вібраційних млинів ще мало вивчені фізичні явища і недостатньо розроблені питання теорії та методів визначення параметрів завантаження залежно від властивостей здрібнюваних міцних і абразивних матеріалів та інтенсивності віброударного навантаження. Тому встановлення закономірностей взаємодії помольної камери, молольних тіл і подрібнюваного матеріалу - одна з актуальних задач цього наукового напрямку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з науковим напрямком кафедри гірничих машин Національного гірничого університету і виконана в межах досліджень за держбюджетними темами МП-57 "Аналіз стійкості періодичних режимів руху технологічного завантаження та спільне використання інтенсифікуючих процес дезінтеграції чинників у вертикальному і роторному млинах" (1997-1999 рр.) з номером держреєстрації 0198U005293 та МП-63 "Дослідження процесу ударної взаємодії системи мас у коливному обмеженому об'ємі та розробка методики динамічного розрахунку з позицій віброударних систем" (2000-2001 рр.) з номером держреєстрації 0100U001830.

Мета роботи. Розробка методів розрахунку та вибору раціональних параметрів внутрішньокамерного завантаження вертикальних вібраційних млинів для тонкого подрібнення міцних і абразивних матеріалів з урахуванням співвідношення їх властивостей та інтенсивності взаємодії робочих поверхонь.

Для здійснення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- розробка методу розрахунку раціональних значень технологічного зазору у помольній камері за умов зношення робочих поверхонь;

- визначення раціональних геометричних параметрів робочого органа, які гарантують ефективне руйнування крихких матеріалів, беручи до уваги розподіл інтенсивності взаємодії молольних тіл за об'ємом камери;

- розробка методу розрахунку раціонального заповнення помольних камер здрібнюваним матеріалом;

- створення інженерної методики розрахунку параметрів вертикального вібраційного млина для тонкого подрібнення міцних і абразивних матеріалів.

Об'єкт дослідження - процес тонкого подрібнення міцних і абразивних матеріалів у вертикальних вібраційних млинах.

Предмет дослідження становить система взаємодій між помольною камерою та внутрішньокамерним завантаженням, що являє собою сукупність молольних тіл і подрібнюваного матеріалу.

Ідея дисертаційної роботи полягає у використанні віброударних, реологічних та гідравлічних моделей для опису процесів переміщення завантаження молольних тіл в помольній камері, переміщення здрібнюваного матеріалу в порах завантаження, а також взаємодії завантаження з робочою поверхнею камери і руйнування частинок при розрахунку раціональних величин параметрів робочого органа.

Методи досліджень. Поставлені задачі вирішувалися шляхом вивчення літературних джерел, використання системного підходу в теоретичних дослідженнях раціональності параметрів внутрішньокамерного завантаження з аналізом структури предмета дослідження і розбиттям на взаємозв'язані локальні блоки, його формалізації за допомогою математичного апарату теоретичної механіки, опору матеріалів, реології, гідравліки, застосуванням окремих критеріїв для поетапної раціоналізації структури предмета досліджень. Експериментальні дослідження здійснювалися шляхом визначення умов ефективного руйнування окремих частинок і критерію ефективності подрібнення, планування експериментів (у т.ч. факторних), аналізу та узагальнення результатів вимірів, проведених на лабораторному устаткуванні, розробленому і виготовленому за участю автора. Обробка отриманих даних, встановлення адекватності аналітичних залежностей та вірогідності значень емпіричних коефіцієнтів здійснені на ПЕОМ з використанням стандартних методів математичної статистики.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Межові величини зони раціональних значень технологічного зазору вертикального вібраційного млина є функцією коефіцієнта режиму коливань помольної камери та коефіцієнта опору переміщенню завантаження в камері.

2. Розмір молольних тіл і висота помольної камери перебувають у нелінійній залежності від вихідної крупності та властивостей здрібнюваного матеріалу, таких як модуль Юнга і граничне напруження одновісного стиску.

3. Відношення маси здрібнюваного матеріалу до маси молольних тіл прямо пропорційне кореню квадратному з діаметра молольних тіл.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Встановлено межові величини зони раціональних значень технологічного зазору вертикального вібраційного млина, яка відрізняється тим, що при наявності абразивного зношення подрібнювальних поверхонь інтенсивність їх взаємодії у межах зони підтримується на максимальному рівні.

2. Встановлено, що криві руйнування від утомленості окремих частинок здрібнюваного матеріалу з достатньою точністю апроксимуються степеневими залежностями, які являють собою функції питомої об'ємної енергії навантаження частинок.

3. Для визначення діаметра молольних тіл та висоти помольної камери розроблено модель взаємодії завантаження з робочою поверхнею камери, яка відрізняється тим, що враховує розподіл інтенсивності взаємодії молольних тіл за об'ємом камери.

4. Уперше встановлено, що раціональна маса завантаження здрібнюваного матеріалу залежить від діаметра молольних тіл, який визначає режими синхронних з частотою коливань камери рухів матеріалу в порах завантаження молольних тіл.

Обґрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечуються задовільним збігом аналітичних та експериментальних значень раціонального коефіцієнта масового заповнення помольної камери здрібнюваним матеріалом з максимальними значеннями коефіцієнта варіації відхилень не більше 21 і 16% відповідно для карбіду кремнію та електрокорунду; довірчими інтервалами для емпіричного коефіцієнта заповнення камери матеріалом при подрібненні карбіду кремнію і електрокорунду та показників степеня кривих руйнування від утомленості сплаву ВК 8 не більше 10…15% при довірчій імовірності 95%; адекватністю моделі навантаження матеріалу між молольними тілами з похибкою визначення границі міцності на стиск для сплаву ВК 8 рівною 33%.

Наукове значення роботи зводиться до розробки аналітичних залежностей і обґрунтування параметрів завантаження молольних тіл з урахуванням розподілу енергії взаємодії завантаження та робочої поверхні камери між шарами молольних тіл; визначення власне області раціональних значень технологічного зазору, у межах якої технологічна ефективність млина підтримується на максимальному практично постійному рівні; встановлення аналітичної залежності раціонального заповнення камери здрібнюваним матеріалом від параметрів завантаження молольних тіл.

Практичне значення роботи полягає у розробці науково обґрунтованої інженерної "Методики розрахунку параметрів вертикального вібраційного млина для тонкого подрібнення міцних і абразивних матеріалів", у створенні та настройці на раціональний технологічний режим робочого органа відповідно до рекомендацій зазначеної методики.

Реалізація результатів. Основні результати дисертаційної роботи використані в Інституті геотехнічної механіки (ІГТМ) НАН України при розробці проекту схеми переробки мінеральної сировини, зокрема, залізорудного концентрату, кришива граніту, корунду з використанням вертикальних вібраційних млинів; у Національному технічному університеті "Харківський Політехнічний Інститут" при створенні і настройці на технологічний режим робочого органа вертикального вібраційного млина під час приготування вихідних порошкових мас для виробництва у лабораторно-промислових обсягах карбідокремнієвих виробів для потреб радіоелектроніки. Методика розрахунку параметрів вертикального вібраційного млина впроваджена в ІГТМ НАН України при проектуванні вертикальних вібраційних млинів.

Особистий внесок автора. Виділено зону раціональних значень технологічного зазору в помольній камері вертикального вібраційного млина, у межах якої технологічні показники роботи млина підтримуються на максимальному практично постійному рівні, встановлено факт переважального впливу коефіцієнта динамічності режиму коливань камери на ширину зони, в явному вигляді отримані аналітичні вирази для розрахунку меж зони. Досліджено руйнування окремих частинок крихкого матеріалу під впливом ударних навантажень, розроблено і виготовлено лабораторну установку, обґрунтовано критерій ефективного руйнування та одержано модифіковані залежності руйнування від утомленості реальних частинок неправильної форми, визначено числові значення емпіричних коефіцієнтів. Обґрунтовано аналітичний вираз розподілу поглинутої енергії ударної взаємодії завантаження з помольною камерою між шарами молольних тіл, встановлено аналітичні залежності діаметра молольних тіл та висоти помольної камери від властивостей здрібнюваного матеріалу і режиму коливань камери. Виведено аналітичну залежність раціонального рівня заповнення помольної камери здрібнюваним матеріалом від параметрів шару молольних тіл, проведено лабораторні дослідження та одержано значення емпіричного коефіцієнта. Створено інженерну методику розрахунку параметрів вертикального вібраційного млина для тонкого подрібнення міцних і абразивних матеріалів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на V і VI міжнародних конференціях "Теорія та практика процесів подрібнення, розділення, змішування і ущільнення" (м. Одеса, 1997 і 1998); на міжнародній науково-практичній конференції "Сучасний стан та стратегія розвитку високоефективних технологій переробки мінеральної сировини" (Донецька обл., Білосарайська коса, 2001); на засіданні міжнародної наукової школи "Вібротехнологія - 2001" (м. Одеса, 2001); на V міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні тенденції інтенсифікації технологічних процесів переробки корисних копалин" (Донецька обл., сел. Мелекине, 2002); на міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу" (м. Дніпропетровськ, 2002).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 9 друкованих працях, 6 з них - у наукових фахових виданнях.

Обсяг і структура роботи. Дисертація налічує 178 сторінок і складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 125 назв, 7 додатків. Текстова частина проілюстрована 41 рисунком, має 8 таблиць і додатки на 16 сторінках.

Зміст роботи

У розділі 1 здійснено огляд типів, конструкцій і технологічних можливостей струминних, планетарних, баштових, вібраційних млинів та млинів МАЯ. Докладно розглянуто конструкції млинів, створених у Національному гірничому університеті - примусового подрібнення, які впроваджені Д.К. Крюковим, Г.Г. Півняком, В.І. Кириченком, та вертикальних вібраційних, що розроблені під керівництвом В.М. Потураєва та В.П. Франчука. У результаті встановлено, що для тонкої дезінтеграції міцних і абразивних матеріалів перспективне застосування вертикальних вібраційних млинів з жорстким ексцентриковим віброзбуджувачем. Віброзбуджувач передає помольним камерам гармонічні коливання вздовж вертикальної осі, викликаючи рух технологічного завантаження. Регулюючи технологічний зазор між верхнім шаром молольних тіл та кришкою камери (у статиці), можливо забезпечити співудар завантаження (за період коливань) тільки з днищем камери - однобічний режим взаємодії, або по черзі з днищем і кришкою - двобічний режим. Енергонапруженість завантаження для останнього режиму більш ніж удвічі вища, тому для тонкого подрібнення міцних матеріалів він кращий. Віброударний механізм навантаження у млинах зазначеного типу дає змогу ефективно руйнувати міцні матеріали з мінімальним спрацюванням робочих поверхонь.

З метою визначення прийнятних підходів до опису механіки руху технологічного завантаження на вібруючих поверхнях проаналізовані роботи І.І. Блєхмана, П.Ф. Овчинникова, П.М. Заїки, А.П. Субача, А.П. Бабічева, Л.М. Чорного, П.С. Берника, В.М. Потураєва, В.П. Франчука, О.В. Анциферова та інших дослідників. Виявлено, що у зазначених роботах не враховані зміни динаміки взаємодії завантаження з вібруючою робочою поверхнею внаслідок абразивного зносу завантаження і камери, що особливо актуально для вертикальних вібраційних млинів. Так, раціональні значення технологічного зазору для двобічної взаємодії системи "завантаження - камера" не перевищують 2...3 амплітуд коливань, і навіть незначне збільшення зазору через зношення молольних тіл та камери істотно знижує інтенсивність віброударної взаємодії. Тому як найбільш перспективні рекомендовані обґрунтовано спрощені моделі взаємодії системи "завантаження - камера", що відбивають основні особливості останньої та відночас дозволяють своє подальше ускладнення (шляхом урахування величин зносу) без суттєвого утруднення аналізу.

Зроблено аналіз досліджень руйнування матеріалів у віброподрібнювачах, виконаних О.Д. Лєсіним, Г.С. Ходаковим, І.Ф. Гончаревичем, К.В. Фроловим, В.П. Франчуком, О.Г. Кухарем, Ф. Сайто, Г.П. Моцаренком та ін. Ураховувалася можливість застосувати існуючі моделі руйнування матеріалів до подрібнення крихких частинок від ударних навантажень, яке відбувається поблизу межи зон миттєвого руйнування та руйнування від утомленості. Як було відзначено, питання про визначення відповідних межі зазначених зон граничних умов руйнування, тісно пов'язаних з процесом розвитку у частинках великих магістральних тріщин, практично не висвітлене.

Огляд робіт М.Л. Моргуліса, Г.Е. Роуза, О.А. Тарасенка, П.П. Корольова, В.У. Климовича та інших дослідників стосовно обґрунтування і вибору раціональних параметрів вібромлинів, а також низки перерахованих вище праць дав можливість встановити основні тенденції розвитку та недоліки існуючих підходів. По-перше, автори відзначають зв'язок вибору раціональних розмірів помольних камер і молольних тіл з механізмом передавання енергії ударних імпульсів вглиб завантаження. При названому виборі, проте, не враховується співвідношення властивостей здрібнюваного матеріалу та інтенсивності взаємодії молольних тіл у заданій точці камери, згасаючої з віддалянням від вібруючої поверхні. По-друге, дослідження щодо раціонального заповнення помольних камер молольними тілами не враховують зносу подрібнювальних поверхонь і не придатні для високоінтенсивних режимів роботи млина, що вимагають тонкого регулювання заповнення. По-третє, заповнення камер здрібнюваним матеріалом - найменш вивчене у аналітичному сенсі питання.

Розділ 2 містить результати аналітичних досліджень з визначення раціональних параметрів внутрішньокамерного завантаження вертикального вібраційного млина.

В основу розрахунку технологічного зазору покладено віброударну модель, що описує режим двобічної взаємодії (за період коливань камери) завантаження з помольною камерою.

Переміщення завантаження зумовлюється суворо заданими гармонічними коливаннями недеформівної камери вздовж своєї вертикальної осі; і - відповідно переміщення кришки та днища камери. За припущення взяті уявлення завантаження зосередженою масою та абсолютно непружний характер взаємодії завантаження з камерою. На завантаження діють сила в'язких опорів та сила тяжіння , що визначають характер руху завантаження разом з камерою (ділянки 0-1, 2-3, 4-0 на розрахунковій схемі) та у відриві від неї (ділянки 1-2, 3-4). Для опису даної моделі застосовані безрозмірні величини переміщень, швидкостей, прискорень та сил, отриманих із своїх розмірних аналогів як віднесені відповідно до амплітудних значень переміщення, швидкості, прискорення камери та сили інерції завантаження.



- коефіцієнт режиму; , - відповідно амплітуда і частота коливань камери; - безрозмірний час.

Унаслідок розв'язання системи рівнянь отримано залежності для граничних величин технологічного зазору і , за яких досягаються максимальні значення швидкостей зустрічі завантаження відповідно з кришкою та днищем камери.

Результати числового розв'язання свідчать, що максимумам швидкостей зустрічі завантаження з кришкою та днищем камери відповідають різні величини технологічного зазору і , між якими лежить область раціональних значень зазору. Ця область характеризується тим, що збільшення зазору від до через абразивний знос робочих поверхонь завантаження і камери призводить до компенсації зменшення швидкості зустрічі за рахунок зростання . Остання обставина зумовлює практичну незмінність середньої інтенсивності взаємодії системи "завантаження - камера", яка навіть за умов абразивного зношення підтримується на максимальному рівні.

Спираючись на дослідження руху молольних тіл, проведені В.П. Франчуком, запропоновано модель взаємодії завантаження та камери. Розглянуто завантаження із сумарної кількості горизонтальних шарів , які рухаються упорядковано і вертикально зі швидкістю відносно твердої перешкоди (робочої поверхні камери). Узято такі припущення: процес ударних взаємодій квазістатичний; коефіцієнт відновлення швидкості при контактуванні шарів дорівнює нулю. Виходячи з припущень, початкова кінетична енергія шару з довільним номером рівномірно розсіюється на міжшарових межах нижче даного шару, що становить . Повна величина енергії, поглинутої на нижній межі шару за один цикл взаємодії завантаження з перешкодою, визначається підсумовуванням по одиничних шарах.

Як умову ефективного руйнування здрібнюваного матеріалу розглянуто гарантоване руйнування крихкої частинки кубічної форми при одноразовому центральному навантаженні по протилежних гранях між сусідніми молольними тілами.

Процес подрібнення вважаємо раціональним, якщо, з одного боку, всередині завантаження між парою молольних тіл з мінімальною енергією взаємодії можуть бути зруйновані частинки граничної крупності, що відповідає максимальному взаємному віддаленню молольних тіл, і, з іншого боку, між шаром 1 та поверхнею камери 0 можуть бути зруйновані частинки вихідного живлення крупністю , яка за звичай перевищує граничну крупність. Заміняючи кожен шар завантаження молольним тілом діаметром , доведено, що для двобічної взаємодії завантаження і камери умова руйнування (4) повинна виконуватися відповідно на поверхні камери при і , а всередині завантаження - при і . Значення середнього коефіцієнта відносного розпушення завантаження молольних тіл для однобічного режиму взаємодії з камерою та параметра беруться за результатами досліджень розпушення завантаження, виконаних В.М. Потураєвим та В.П. Франчуком.

Для одного з найбільш прийнятних режимів коливань помольних камер (=7 мм; =100 с-1) при =3.

Для розрахунку заповнення помольних камер здрібнюваним матеріалом запропоновано математичні моделі синхронних з частотою коливань камери переміщень порошкового матеріалу в порах завантаження молольних тіл. Завантаження в камері площею поперечного перерізу зведено до цілого недеформівного тіла масою і пор з ефективною площею прохідного перерізу . Завантаження рухається відносно помольної камери зі швидкістю і не впливає на переміщення камери. Вважаємо також, що дія сили тяжіння обумовлює розміщення матеріалу в біляднищевій області камери. вібраційний млин абразивний подрібнення

Розглянуто етап динамічного навантаження матеріалу на днищі камери з такими припущеннями: 1) кінетична енергія завантаження витрачається на тертя здрібнюваного матеріалу в порах завантаження та руйнування деякого "залишкового" шару частинок, які аж до руйнування будуть утримуватися фрикційними силами у зонах деформування, утворених молольними тілами; 2) зміна потенціальної енергії завантаження та робота тертя об стінки камери дорівнюють нулю. Раціональною вважається така маса здрібнюваного матеріалу, за якої завантаження зближається з камерою на товщину вельми тонкого "залишкового" шару і руйнує його, згасивши при цьому свою швидкість до нуля.

Відповідно до реологічної моделі Сен-Венана

- сила тертя ущільненого під навантаженням матеріалу у порах завантаження; - граничне напруження зсуву;

- бічна поверхня еквівалентних каналів течії; , - відповідно початкова та кінцева (достатня для руйнування "залишкового" шару) швидкості завантаження; , - відповідні початкова і максимальна (при ) висоти порошку в порах, остання пропорційна масі порошку .

Для визначення величини розглянуто другий етап руху порошку в порах - при відривному русі завантаження. На даному етапі (завантаження рухається вгору відносно камери) єдина сила, що сприяє переміщенню порошку вниз відносно завантаження і відповідно визначає саму можливість його повторного проникнення в зони деформування між подрібнювальними поверхнями - опір внутрішньокамерного газового середовища. Провівши аналогії з турбулентною течією рідини, отримані рівняння відповідно усталеної фільтрації газу крізь шар порошку та витікання газонаповненого порошку з пор завантаження.

Розділ 3 присвячений плануванню, розробці методик та аналізу результатів експериментів, що дають можливість установити адекватність розглянутих у розд. 2 математичних моделей.

Досліджено подрібнення окремих частинок на спеціально розробленій та виготовленій установці типу гравітаційного копра з ударом вільнопадаючого вантажу по встановленій на підставці частинці. Завдяки конcтрукції установки можна було регулювати енергію удару, а також уловлювати всі відокремлювані осколки, які потім піддавали аналізу під мікроскопом.

Задача досліджень - одержання втомних залежностей руйнування окремих крихких частинок та визначення на їх основі граничних енергетичних параметрів навантаження, що забезпечують умову ефективного руйнування матеріалу (4).

Здійснювалося малоциклове (кількість циклів до руйнування <140) втомне навантаження частинок сплаву ВК 8. На попередньому етапі експерименту встановлено, що частинку варто вважати умовно зруйнованою, коли маса її залишку (найбільшого осколка) становить менше 67% від початкової, у широкому діапазоні втомних довговічностей. Зазначена умова відповідала моменту розкриття найбільших магістральних тріщин, тобто утворенню великих осколків. Основний етап експерименту містив визначення залежності кількості циклів до руйнування частинки від величини відношення енергії одиничного удару до об'єму частинки; еквівалентний діаметр частинок становив 1,5...2,5 мм, кількість паралельних вимірів - 10.

Застосування традиційних степеневих залежностей руйнування від утомленості в координатах "напруження - кількість циклів до руйнування" до частинок малих розмірів важко здійсненно. Тому традиційні втомні залежності модифіковані до вигляду "об'ємна енергія навантаження - кількість циклів до руйнування" шляхом поширення принципу механічної подібності на здрібнювані частинки. У підсумку отримано рівняння відповідно для квазістатичної (I) і, власне, утомної (II) областей утомної кривої.

Підтверджено, що експериментальні дані з достатньою точністю апроксимуються наведеними залежностями, отримано значення =3,68 та =1,40 з довірчими інтервалами відповідно не більше 11 і 15%.

Названий метод дає змогу визначити граничну об'ємну енергію одноциклового навантаження частинок матеріалу за допомогою екстраполяції втомної кривої на кількість циклів =1, що не вимагає чіткої фіксації зазначеного моменту. За умови припущення витрати енергії навантаження виключно на деформації крихкої частинки величина тотожна граничній об'ємній енергії пружних деформацій. Розрахунки за виразом (4) дають експериментальне значення граничних стискальних напружень для сплаву ВК 8 =6,0 ГПа, що задовільно збігається з довідковими даними =4,5 ГПа.

Отже, розглянута у розд. 2 модель деформації частинки між молольними тілами з заміною частинки на куб із стороною, рівною діаметру частинки, за умови прикладання навантаження по протилежних гранях куба адекватна експериментальним даним.

Процес віброподрібнення досліджено на порошках карбіду кремнію та електрокорунду з вихідною крупністю 630…400 мкм для виявлення основних факторів, що визначають величину раціонального заповнення помольних камер здрібнюваним матеріалом. Для цього сплановано і проведено двофакторний експеримент, де функція відгуку - раціональне значення масового коефіцієнта заповнення, варійованими факторами обрані діаметр молольних тіл та крупність кінцевого продукту, кількість паралельних вимірів - 3.

Вважалося, що раціональне заповнення камери подрібнюваним матеріалом повинне забезпечувати максимальне значення питомої продуктивності за кінцевим продуктом.

Результати експерименту щодо подрібнення карбіду кремнію (SiС) та електрокорунду (Al₂O₃). Експериментальні залежності раціональних значень масового коефіцієнта заповнення порівняні з аналітичними, визначеними за формулою (9) при =18 мм. Наведені залежності мають однаковий характер для обох досліджених матеріалів та заданого діапазону розмірів молольних тіл.

Двофакторний дисперсійний аналіз виявив переважальний вплив на раціональне заповнення діаметра молольних тіл, при цьому вплив крупності кінцевого продукту незначний, а взаємодією факторів можна знехтувати. Одночасно можливе відокремлення ефекту впливу діаметра молольних тіл від впливу кінцевої крупності.

Максимальні значення коефіцієнта варіації відхилення аналітично розрахованих даних від експериментальних не перевищують (=6 мм) для карбіду кремнію і електрокорунду відповідно 21 та 16%.

Отримано значення емпіричного коефіцієнта у формулі (9), що становлять 0,414 та 0,492 м-1/2 відповідно для карбіду кремнію і електрокорунду, довірчі інтервали відповідно не більше 10 та 12% при довірчій імовірності 95%.

У розділі 4 розглянуто методику розрахунку параметрів вертикального вібраційного млина для тонкого подрібнення міцних і абразивних матеріалів, а також впровадження та перспективи подальшого використання результатів дисертаційної роботи.

Серед параметрів робочого органа млина першими визначаються межові величини технологічного зазору як такі, що забезпечують максимальність інтенсивності взаємодії завантаження з помольною камерою незалежно від розмірів останньої.

Далі за виразом (5) визначаємо діаметр молольних тіл , після чого розраховуємо висоту помольної камери у відповідності з (6).

Грунтуючись на дослідженнях О.Г. Кухаря, запропоновано формулу для визначення середньої пористості кульового завантаження, яка дає змогу розрахувати масу молольних тіл в одній помольній камері чи внутрішній діаметр камери з рівняння

В останню чергу розраховується маса здрібнюваного матеріалу (9).

Потім з використанням відомих методик визначаються параметри приводу млина, головні з яких - потужність двигуна та максимальне значення збурювального зусилля віброзбуджувача.

Інженерну методику розкрито на прикладі розрахунку параметрів вертикального вібраційного млина для сухого помелу карбіду кремнію у періодичному режимі завантаження і розвантаження помольних камер.

Спираючись на розроблену методику, завдяки раціоналізації параметрів робочого органа лабораторного вертикального вібраційного млина МВВЛ-3 на 10% підвищено однорідність гранулометричного складу продуктів подрібнення карбіду кремнію і електрокорунду та якість виготовлених на їх основі виробів технічної кераміки.

Отримані в дисертаційній роботі результати відкривають можливість моделювати кінетику втомного подрібнення матеріалів у вертикальному вібраційному млині з урахуванням параметрів режиму коливань робочого органа, його геометрії, а також фізико-механічних властивостей та гранулометричних характеристик здрібнюваного матеріалу. Перспективно і практичне використання відомостей про динамічні та енергетичні параметри режиму навантаження мікрооб'ємів порошку між молольними тілами під час розробки технологій механохімічної активації матеріалів у млині зазначеного типу.

Висновки

Представлена дисертація - закінчена науково-дослідна робота, в якій за підсумками аналітичних і експериментальних досліджень вирішена актуальна наукова задача, що полягає у встановленні закономірностей взаємодії помольної камери, молольних тіл та здрібнюваного матеріалу, розробці на їх основі методів розрахунку і обґрунтування раціональних параметрів внутрішньокамерного завантаження вертикальних вібраційних млинів для тонкого подрібнення міцних і абразивних матеріалів з урахуванням їх властивостей та розподіленої по об'єму камери інтенсивності взаємодії робочих поверхонь.

Найважливіші наукові результати, висновки та рекомендації:

1. Встановлено, що для максимально ефективної переробки абразивних матеріалів значення технологічного зазору в помольній камері вертикального вібраційного млина повинні перебувати в області, нижня і верхня межі якої в діапазоні значень коефіцієнта режиму 5...15 та коефіцієнта опору 0...0,15 становлять відповідно 1,5...2,7 і 2,3...3,1 амплітуд коливань помольної камери.

2. Для забезпечення ефективного подрібнення матеріалу із заданими властивостями отримані аналітичні залежності для визначення діаметра молольних тіл та висоти їх завантаження у камері, враховуючи розподіл інтенсивності взаємодії молольних тіл по об'єму камери.

3. Встановлено, що значення масового коефіцієнта заповнення помольної камери здрібнюваним матеріалом прямо пропорційне кореню квадратному з діаметра молольних тіл, величина якого визначає режими синхронних з частотою коливань камери рухів матеріалу в порах завантаження молольних тіл.

4. Встановлено, що криві малоциклового руйнування від утомленості окремих частинок здрібнюваного матеріалу адекватно апроксимуються степеневими залежностями, які являють собою функції питомої об'ємної енергії навантаження частинок.

5. Вірогідність аналітичних залежностей та їх придатність для практичних розрахунків підтверджена такими даними: максимальні значення коефіцієнта варіації відхилення аналітичних значень раціонального коефіцієнта масового заповнення камери матеріалом від експериментальних не перевищують 21 і 16% відповідно для карбіду кремнію та електрокорунду; довірчі інтервали для емпіричного коефіцієнта заповнення камери матеріалом при подрібненні карбіду кремнію і електрокорунду та показників степеня кривих руйнування від утомленості сплаву ВК 8 - не більше 10...15% при довірчій імовірності 95%; похибка визначення границі міцності на стиск для сплаву ВК 8 відповідно до моделі навантаження матеріалу між молольними тілами дорівнює 33%.

6. Робочий орган вертикального вібраційного млина, спроектований з використанням розроблених у дисертації методів розрахунку, дає можливість поліпшити якість готового продукту подрібнення, зокрема, на 10% підвищити однорідність гранулометричного складу здрібненого порошку та зменшити вихід браку спечених керамічних виробів, виготовлених на його основі. Зазначені вироби мають при цьому стабільніші фізико-механічні властивості та не нижчі за якістю ніж зразки, одержані при використанні у технологічному процесі по-дрібнення робочого органа традиційної конструкції.

7. Результати роботи впроваджено в Інституті геотехнічної механіки (ІГТМ) НАН України на етапі проектування вертикальних вібраційних млинів; у Національному технічному університеті "ХПІ" при створенні та настройці на технологічний режим робочого органа вертикального вібраційного млина.

Основні положення дисертаційної роботи відображені у таких публікаціях

Титов А.А. Исследование разрушения частиц сплава ВК 8 при циклическом ударном нагружении // Науковий вісник НГА України. - 2000. - №5. - С. 43-45.

Титов А.А. Обоснование рационального количества измельчаемого материала в помольной камере вертикальной вибрационной мельницы // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2001. - Вип. 11(52). - С. 79-88.

Титов А.А. Расчет граничных величин технологического зазора вертикальной вибрационной мельницы // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2001. - Вип. 12(53). - С. 104-113.

Франчук В.П., Анциферов А.В., Титов А.А. Исследование влияния заполнения помольных камер измельчаемым материалом на эффективность виброударной дезинтеграции // Обработка дисперсных материалов и сред. - Одесса: НПО "Вотум", 2001. - Вып. 11. - С. 65-67.

Франчук В.П., Анциферов А.В., Титов А.А. Обоснование параметров технологической загрузки вертикальной вибрационной мельницы // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2001. - Вип. 13(54). - С. 3-9.

Франчук В.П., Анциферов А.В., Титов А.А. Методика расчета параметров вертикальной вибрационной мельницы для измельчения высокопрочных хрупких материалов // Вибрации в технике и технологиях. - 2002. - №1. - С. 54-57.

Анциферов А.В., Жилкин В.Н., Титов А.А. Экспериментальное исследование периодических движений технологической загрузки вертикальной вибрационной мельницы // Теория и практика процессов измельчения, разделения, смешения и уплотнения: Материалы V междунар. конф. - Одесса, 1997. - С. 69-72.

Анциферов А.В., Титов А.А. Методика расчета перемещения технологической загрузки вертикальной вибрационной мельницы // Теория и практика процессов измельчения, разделения, смешения и уплотнения: Материалы VI междунар. конф. - Одесса, 1998. - Т.2. - С. 36-40.

Франчук В.П., Титов А.А. Исследование влияния свойств загрузки виброударных мельниц на ее массовые характеристики // Проблемы механики горно-металлургического комплекса: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Дніпропетровськ: Навчальна книга, 2002. - С. 190-191.

Размещено на Allbest.ru

...