ОГЛАВЛЕНИИ
Предисловие........................................................................4
Глава 1. Описание объекта исследования и степени его изученности в современной
вибрационной технике.......................................................8
1.1. Общие сведения о вибрационных грохотах, их классификация
по динамическим признакам. Краткий обзор основной литературы............8
1.2. Характеристики надежности и качества вибрационных грохотов...........14
1.3. Динамические схемы вибрационных грохотов, их описание и сравнение. Параметры колебаний грохотов...............................................17
1.4. Цель, задачи и методика исследований. Обзор содержания работы........32
Глава 2. Исследование динамики вибрационных грохотов с самоспнхронпзнрующн-
мися вибровозбудителям и..................................................38
2.1. Самосинхронизирующиеся вибровозбудители, проблема их стабильности....38
2.2. Анализ стабильности синхронного и синфазного вращения вибровозбудителей в вибрационных грохотах с пространственной динамической схемой.........44
2.3. Исследование влияния технологической нагрузки на самосинхронизацию вибровозбудитслей..........................................................54
2.4. Методика оценки и нормирования стабильности вибрационных грохотов с самосинхронизирующимися вибровозбудителями, рекомендации для проектирования и наладки...................................................61
Глава 3. Задачи обеспечения прочности вибрационных грохотов.......................68
3.1. Конструктивные схемы коробов грохотов, способы соединения основных несущих элементов. Нагрузки и разрушения, возникающие в коробах
при различных условиях эксплуатации....................................68
3.2. Физическое моделирование вибрационных грохотов, исследование
и отработка их конструкций на моделях..................................80
3.3. Исследование сварочных остаточных напряжений, возникающих в коробах
в процессе изготовления................................................87
3.4. Исследование температурного поля и температурных напряжений, возникающих при переработке горячих материалов. Термические остаточные напряжения................................................................103
2
3.5. Особенности применения метода конечных элементов для анализа жесткости
и прочности коробов вибрационных грохотов...............................118
3.6. Основные принципы рационального проектирования коробов вибрационных грохотов; краткие выводы по главе...........................................129
Глава 4. Моделирование процесса вибрационного грохочения и технологический
расчет грохотов.............................................................138
4.1. Обзор исследований процесса вибрационного грохочения...................138
4.2. Теоретические основы процесса грохочения...............................143
4.2.1. Дифференциальное уравнение кинетики грохочения...................143
4.2.2. Кинетика грохочения идеально сегрегированного материала..........148
4.2.3. Расчет гранулометрического состава продуктов грохочения..........151
4.3. Проверка полученных формул и идентификация параметров модели...........154
4.3.1. Оценка скорости просеивания материала............................154
4.3.2. Верификация метода расчета гранулометрического состава продуктов грохочения..............................................................164
4.4. Пакет прикладных программ для технологического расчета грохотов........167
Глава 5. Исследование особенностей динамики рабочего режима вибрационных
грохотов со специальными рабочими поверхностями (ситами)....................174
5.1. Описание конструкций; области их технологического применения.
Постановка задачи исследования..........................................174
5.2. Производительность вибрационных грохотов с активными (резонирующими) рабочими поверхностями...............................................183
5.2.1. Определение скорости транспортирования материала................185.
5.2.2. Определение производительности грохота...........................189
5.3. Анализ потоков, возбуждаемых ситом, колеблющимся в водной среде 198
5.4. Краткие выводы по главе................................................209
Глава 6. Заключение.................................................................211
6.1. Практическое использование результатов исследований....................211
6.2. Общие выводы по работе.................................................225
Список литературы
229
ПРЕДИСЛОВИЕ
Процесс разделения кусковых и сыпучих материалов, а также твердой фазы пульп и суспензий на продукты различной крупности с помощью просеивающих поверхностей с калиброванными отверстиями, традиционно называемый грохочением, является весьма распространенным на всех без исключения предприятиях, добывающих и перерабатывающих минеральное сырье.
В горно-обогатительной технологии, например, этот процесс впервые был использован более 250 лет назад при сортировке товарного угля и длительное время выполнялся исключительно на ручных ситах. В конце XVIII века появились первые машины для ситовой классификации — барабанные вращающиеся грохоты, а еще через 50 лег, в середине XIX века, — плоские качающиеся грохоты, приводимые в движение тем или иным видом кинематического привода.
Вероятно, как и в других областях техники, темпы совершенствования и создания новых машин и аппаратов для грохочения соответствовали потребностям практики. Уже в XX в., по мере зарождения и осмысления идей вибрационной техники, появляются конструкции грохотов с вибрационным приводом, который в отличие от жесткого кинематического привода называют динамическим или силовым. Самый ранний опыт промышленного применения этих первых относительно небольших и несовершенных по нынешним представлениям грохотов, за которыми закрепилось название вибрационных, убедительно демонстрирует их технологические преимущества как по производительности, так и по качеству разделения материала на классы крупности.
Исследование, совершенствование, развитие и широкое внедрение этих машин было предопределено ростом объемов переработки полезных ископаемых и появлением новых технологий в обогащении и металлургии. Годы массового появления вибрационных грохотов самого различного технологического назначения на предприятиях — это вторая половина нынешнего столетия, что стало особенно заметно с начала 60-х годов. Начиная с этого времени, технологические требования к грохотам постоянно возрастали и становились чрезвычайно разнообразными. В одних случаях возникала необходимость выделения достаточно крупных кусков, например, 300-0 мм или 400-0 мм, из потока материала, максимальная крупность куска в котором достигает 1500-1800 мм, в других случаях 1раница разделения составляла несколько десятков микрон, причем это могло касаться как сухого порошкообразного материала, так и твердой фазы пульп и суспензий.
4
Оперативное удовлетворение потребностей сырьевых отраслей промышленности в вибрационных грохотах базировалось на тесном творческом сотрудничестве ряда научных и инженерных центров, научно-исследовательских, экспериментально-конструкторских организаций и вузов — это институты «Механобр», Гипромашобогащение, ВНИИстройдормаш, ВНИПИИстромсырье, ВНИИиеруд, ИГД им. А.А.Скочинского, Институт машиноведения им.
A.А.Благонравова, Московский и Екатеринбургский горные институты в Российской Федерации; институты Гипромашуглеобогащение, его Днепропетровский филиал, УкрНИИуглеобогащение, Институт геотехнической механики, Днепропетровский горный институт и Донецкий политехнический институт на Украине, обеспечивающие необходимую научную базу и выпускающие конструкторскую документацию — с машиностроительными заводами, которые серийно выпускают грохоты различных типоразмеров и технологического назначения — механическим заводом института «Механобр», воронежским заводом «Рудгормаш», костромским заводом «Строммашина», Уралмашзаводом в Российской Федерации; Луганским заводом угольного машиностроения на Украине; Карагандинским машзаводом в Казахстане.
Если говорить персонально, то наибольший вклад в создание теоретических основ вибрационной техники внесли И.И.Блехмаи, И.И.Быховский, Р.Ф.Ганисв, И.Ф.Гончаревич,
B.В.Гортинский, Э.Э.Лавендел, Б.П.Лавров, Р.Ф.Нагаев, В.Н.Потураев, К.Ф. Фролов, К.Ш.Ходжаев. Практика проектирования, расчета и технологического применения многочисленных вибрационных машин и устройств была развита в значительной мерс благодаря работам В.А.Баумана, Ю.Ю.Гяцявичюса, Г.А.Денисова, И.И.Кавармы, Н.Г.Картавого, В.К.Преснякова, К.М.Рагульскиса, А.О.Спиваковского, А.Я.Тишкова, А.Д. Учителя, В.П.Франчука, М.В.Хвингии, А.Г.Червоненко, A.B.Юдина.
Особую роль в названном сотрудничестве институтов и производственных предприятий играл институт «Механобр», где с момента его создания в 1920 году интерес к процессу грохочения и созданию новых конструкций грохотов является традиционным. Отметим, что уже первым официальным печатным изданием научных трудов «Механобра» в 1924 г. становится монография, посвященная именно грохотам, — это книга профессора Л.Б.Левенсона [161 ], возглавлявшего в те годы техническое бюро «Механобра».
В последние пятьдесят лет «Механобр» становится центром исследований и создания технологической и транспортной вибрационной техники, предназначенной для обогащения полезных ископаемых, в том числе и вибрационных грохотов [57, 238]. Именно здесь разрабатывались и исследовались рациональные схемы натежиых в эксплуатации
5
вибрационных возбудителей колебаний, обеспечивающих интенсивный динамический режим, методики их проектирования и расчета; рациональные и конструктивные формы и методы расчета рабочих органов грохотов (коробов) и отдельных их элементов, обеспечивающие их достаточную жесткость и прочность.
Непосредственное участие в названных работах принимал автор этой диссертации, сначала как инженер-расчетчик и исследователь (с 1968 г.), а затем (с 1980 г.) как заведующий последовательно сектором, лабораторией, отделом грохочения и классификации. В 1985 году при создании на основе Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР Межотраслевого научно-технического комплекса «Механобр» автору диссертации было поручено научное, методическое и организационное руководство проблемой исследования и создания новых конструкций вибрационных грохотов в рамках бывшего СССР.
В эти годы было завершено создание и постановка на серийное производство ряда
Л ^ Л
уникальных грохотов с площадью просеивающей поверхности 18 м , 21 м и 24 м , необходимых для комплектации технологических линий реконструируемых и вновь построенных угольных, горнорудных и металлургических предприятий большой производительности; значительно обновлен и модернизирован на основе самых последних исследований и новых инженерных решений типоразмерный ряд грохотов меньших размеров. Указанный период характеризовался также выполнением под руководством автора цикла исследований и разработок, направленных на создание техники тонкого 1рохочения пульп и суспензий, что позволило в ряде технологий, где это принципиально важно, перейти от гидравлической классификации по равиопадаемосги к ситовому разделению по крупности, без чего немыслимо селективное раскрытие минералов, ставшее в настоящее время основной тенденцией при подготовке минерального сырья к дальнейшему обогащению. Суммируя сказанное выше, отметим, что, по существу, было завершено решение крупномасштабной народнохозяйственной проблемы обеспечения всех отраслей промышленности современными и надежными машинами для грохочения*.
Исследования по данной проблеме и общие результаты ее практического решения были вюпочены в работу «Вибрационная техника — научные основы, создание, серийное производство и широкое использование в народном хозяйстве», за которую автор диссертации, наряду с И.И.Бяехманом, Б.П.Яавровым, Р.Ф.Нагаевым, К.В.Фроловым, И.Ф.Гончарсвичем и другими, удостоен премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 1998 г.
6
В эти же годы автору удалось завершить цикл исследований по теории процесса грохочения, обеспечивающих методические основы технологического расчета грохотов и намечающих пути дальнейшей интенсификации их рабочего процесса.
Основные результаты перечисленных работ в течение 1968-1998 гг. публиковались в научно-технической печати, в двух монографиях автора — «Проектирование и расчет вибрационных грохотов» [81] и «Вибрационное грохочение сыпучих материалов» [97], а также были изложены в справочнике «Вибрации в технике» [106], где редакционный совет под руководством академика В.Н.Челомея доверил автору написание разделов «11роекгированис вибрационных машин» и «Машины для разделения сыпучих смесей».
Данная диссертационная работа является попыткой наиболее полного обобщения и систематизации исследований, выполненных автором, а в ряде случаев ангорским коллективом под его руководством и при его непосредственном участии в течение 1968-1998 гг. в институте «Механобр».
В 1968-1971 гг. в «Механобре» еще работал выдающийся конструктор обогатительного оборудования К.А.Рундквист, знакомство и последующие контакты с которым многое определили в судьбе автора. Взгляды, знания и опыт автора в области вибрационной техники сформировались, главным образом, под влиянием И.И.Блехмана, а также Б.П.Лаврова, в процессе многолетней совместной творческой работы со своими коллегами
Э.А.Лграновской, О.П.Барзуковым, Г.Б.Букаты, А.С.Жгулевым, Л.И.Ильиным, А.Д.Рудиным.
Автор хотел бы подчеркнуть свою признательность всем упомянутым лицам.
К сожалению, в диссертации невозможно перечислить всех руководителей и специалистов министерств, ведомств, институтов, в том числе и «Мсханобра», конструкторских бюро, машиностроительных заводов, обогатительных и металлургических предприятий, с которыми автор соприкасался в течение 30 лег работы и которые неизменно становились его союзниками и помощниками. Всех их автор вспоминает с искренней благодарностью.
7
ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ И СТЕПЕНИ ЕГО ИЗУЧЕННОСТИ В СОВРЕМЕННОЙ ВИБРАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ
1.1. Общие сведения о вибрационных грохотах, их классификация по динамическим признакам. Краткий обзор основной литературы
В общем случае грохот представляет собой устройство (машину или аппарат), предназначенное для разделения кускового и сыпучего материала, а также твердой фазы пульп и суспензий на продукты различной крупности с помощью просеивающих поверхностей с калиброванными отверстиями. В ряде технологий на грохотах производят обезвоживание продуктов и совмещенные операции, включающие промывку материала с последующим выделением из отмытой зернистой части мелких классов и обезвоживанием.
Вибрационные грохоты широко используют в горнорудной промышленности для разделения материалов перед дроблением [8), промывки материала перед обогащением в тяжелых средах и последующей отмывки суспензий [92, 2101, обезвоживания продуктов обогащения. Для аналогичных целей вибрационное грохочение используют в горной химии, угольной промышленности [187] и при производстве строительных материалов 144, 108]. В последних двух случаях вибрационные грохоты применяют для разделения готового продукта (угля, щебня, песчано-гравийных масс) на кондиционные товарные классы перед отправкой потребителям. В металлургической промышленности на вибрационных грохотах удаляют некондиционную по крупности мелочь из сырых окатышей, после обжига которых эту операцию повторяют. Аналогичную операцию выполняют и с агломератом после спекания — сначала горячим, а затем охлажденным. Перед доменной плавкой контрольному грохочению для удаления мелочи подвергают все сырьевые материалы, загружаемые в печь.
Сравнительно недавно вибрационное грохочение начали применять при подготовке тон-коизмельченного сырья к последующему прессованию и спеканию в абразивном, огнеупорном, керамическом, электродном и других производствах, базирующихся на порошковой технологии. Еще более новым применением вибрационного грохочения является разделение тонкоизмельченной твердой фазы рудных пульп перед обогатительными операциями [89].
На вибрационных грохотах материал разделяется по крупности (или обезвоживается) в процессе вибрационного перемещения по просеивающей поверхности [62,173]. Это является характерным, но не основным признаком вибрационного грохота, поскольку вибрационное перемещение реализуется в целой группе грохотов, которую принято называть плоскими подвижными грохотами с колебательным движением просеивающей поверхности [209].
8
Класс вибрационных грохотов выделяется из названной группы типом привода, или, более строго, способом возбуждения колебаний. Можно сказать, что вибрационный грохот — это грохот с вибрационным приводом; иногда в отличие от жесткого кинематического привода этот привод называют динамическим, или силовым. Принципиальная особенность вибрационного грохота как раз и состоит в том, что при используемом в нем динамическом приводе характер колебательного движения, амплитуда и форма траекторий грохота определяются исключительно динамическими факторами — силовым воздействием, генерируемым приводом, т. е. возмущающей силой, количеством движущихся масс и их значением, а также количеством, расположением и характеристиками упругих элементов.
Вибрационный (или динамический) привод называют вибровозбудителем. В подавляющем большинстве конструкций грохотов используют центробежные (дебалансные) вибровозбудители’ (74, 106], гораздо реже — электромагнитные [106].
Одновальный дебалансный статически неуравновешенный вибровозбудитель (рис. 1.1, а) имеет дебаланс 1, центр массы которого расположен в точке Сш, жестко связан с валом, вращающимся вокруг оси О в подшипниках, соединенных с корпусом 2. Статический момент массы вибровозбудителя равен тг, где т — масса дебаланса, е — эксцентриситет массы. При вращении возбудителя с угловой скорость со развивается центробежная сила Т7 = що2, которая передастся на корпус 2 через подшипники. Таким образом, в этом случае возмущающая сила Р представляет собой векгор постоянного модуля, вращающийся с угловой скоростью со.
В электромагнитных вибровозбудителях (см. рис. 1.1, б) силы, вынуждающие колебания, создаются в результате воздействия переменного во времени магнитного поля на ферромагнитные тела [106].
В силу устоявшихся традиций в работах теоретического плана этот внбровозбудитель называют центробежным, инженеры-механики и технологи чаще пользуются термином «дебалансный». Отметим, что иногда еще встречается термин «инерционный».
Рис.1.1. Схема внбровозбудителей колебаний:
а — центробежного (дсбалансного); б — электромагнитного
9
При протекании по обмотке сердечника переменного тока в нем наводится магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями. Возникающие между торцевыми сечениями сердечника / и якорем 2 поверхностные силы изменяются во времени и возбуждают колебания якоря и связанного с ним тела 3. Электромагнитный возбудитель генерирует пульсирующую вынуждающую силу направленного (прямолинейного) действия.
Вне зависимости от способа возбуждения колебаний в самом общем случае вибрационный грохот включает в себя следующие основные узлы (рис. 1.2): основной рабочий орган — короб 1, опирающийся на упругие виброизолирующие элементы 5 и представляющий собой пространственную рамную металлоконструкцию; к коробу к базовому элементу грохота крепятся остальные узлы — просеивающие поверхности 2 и вибровозбудитель 3, снабженный обычно какими-либо приводными устройствами. В данном случае на рис. 1.2 для примера показан грохот с дебалансным вибровозбудителем, приводимым во вращение от электродвигателя через клиноременную передачу, опирающийся через упругие элементы в виде цилиндрических витых пружин па опорную раму б. Г рохот может быть также упруго подвешен к перекрытию или специальному укрытию. В коробе грохота установлены и жестко закреплены два яруса сит.
Рнс.1.2. Пример схематического изображения вибрационного грохота:
1 — короб; 2 — просеивающая поверхность; 3 — внбровозбудитель; 4 — приводное устройство; 5 — упругие виброизолирующие элементы; б — опорная рама
По динамическим признакам вибрационные грохоты подразделяются следующим образом.
1. По способу возбуждения колебаний: с дебалансным вибровозбудителем,
с электромагнитным вибровозбудителем.
2. По количеству вибровозбудителей:
с одним вибровозбудителем, с двумя и т. д.
10
3. По способу синхронизации работы вибровозбудителей (если их более одного):
с принудительной механической синхронизацией.
с самосинхронизацией [ 53, 157],
с принудительной электрической синхронизацией [18].
4. По числу колеблющихся масс: одномассные, двух массные, трехмассные.
5. По соотношению вынуждающей и собственных частот: дорезонансные, резонансные и околорезонансные, зарезонансные, межрезонансные.
6. По форме колебаний рабочего органа — короба: с круговыми колебаниями и близкими к ним, с прямолинейными (направленными) колебаниями, с эллиптическими колебаниями, с комбинированными колебаниями (неоднородным полем колебаний).
Укажем для примера, что с точки зрения приведенных здесь признаков, грохот, изображенный на рис. 1.2, является одномассным зарезонансным грохотом с круговыми колебаниями, возбуждаемыми одним дебалансным вибровозбудителем.
Абсолютное большинство выпускаемых и эксплуатируемых в настоящее время в мире вибрационных грохотов являются одномассными зарезонансными машинами с дсбаланс-ными вибровозбудителями. На рис. 1.3 представлены их схемы.
Рис.1.3. Динамические схемы одномассных зарезонансных грохотов с дебаланснымн вибровозбудителями:
а — наклонный грохот с круговыми и близкими к ним колебаниями; б — горизонтальный грохот с прямолинейными колебаниями
Для получения круговых и близких к ним колебаний используют дебалансный вибровозбудитель, аналогичный изображенному на рис. 1.1. Установка его в центре тяжести грохота О обеспечивает получение однородного поля колебаний (рис. 1.3, а). Для нормального вибрационного транспортирования материала этот тип грохота должен иметь значительный наклон просеивающих поверхностей к горизонту — угол а обычно составляет 15-30°.
11
Основное отличие вибрационного грохота, схема которого изображена на рис. 1.3, б, состоит в том, что в нем установлено два идентичных дебалансных вибровозбудителя с параллельно расположенными осями. Вибровозбудигсли вращаются с одинаковой угловой скоростью со в противоположных направлениях. Принцип работы сдвоенного вибровозбудителя показан на рис. 1.4. Возмущающая сила Р каждого из дебалансных возбудителей может быть разложена на две составляющие, одна из которых Рх направлена по оси ОХ, а вторая Ру — но оси ОУ, совпадающей с линией центров 0\0г. Взаимная фазировка вибровозбудителей такова, что в любой момент времени их углы поворота ф| и (р2 равны и составляющие Ру постоянно взаимно компенсируются, а устройство в целом сообщает грохоту прямолинейные колебания вдоль оси ОХ, возбуждаемые силой, которая является равнодействующей двух составляющих Рх.
Для принудительной синхронизации вращения двух дебалансных вибровозбудителей долгое время устанавливалось зубчатое зацепление, как это показано на рис. 1.4. Такие сдвоенные вибровозбудигсли получили в практике название самобалансных; аналогичный термин закрепился и за грохотами, на которых эти вибровозбудители устанавливали. В современных конструкциях используется явление самосинхронизации вибровозбудителей [53, 156], не требующее установки каких-либо кинематических синхронизирующих элементов.
Рнс.1.4. Самобалансный вибровозбудитель прямолинейных колебаний с синхронизирующим зубчатым зацеплением
Просеивающие поверхности в грохотах с прямолинейными колебаниями располагают либо горизонтально, либо для улучшения транспортирования материала с небольшим наклоном — угол а до 5-6°. Угол Р (рис. 1.3, б) между линией действия возмущающего усилия сдвоенного вибровозбудителя и просеивающей поверхностью (угол вибраций) устанав-
12
ливастся в пределах 35-45°. Вибровозбудители могут быть расположены выше или ниже просеивающей поверхности, но в любом случае для получения однородного поля колебаний результирующая возмущающая сила должна проходить через центр тяжести грохота О.
Различные этапы изучения, развития и совершенствования конструкций грохотов находили свое отражение в периодически появляющихся монографиях и фундаментальных справочниках. 'Гак, в книгах Л.Б.Левенсона (1924 г.) [161] и В.А.Олевского (1941 г.) [180] речь шла еще об изучении кинематических грохотов. Первыми из известных нам монографий, посвященных специально вибрационным грохотам, были, по-видимому, книги З.Б.Канто-ровича (1937 г.) [145] и В.А.Баумана (1938 г.) [43], а затем, в послевоенные годы, В.А.Олевского (1953 г. и 1955 г.) [181, 182]. Еще через пять лет, в 1960 г., появилась монография И.Ф.Гончаревича с соавторами [120], где рассмотрение многих вопросов расчета хрохотов даже с точки зрения современных позиций можно считать весьма актуальным.
Дальнейшее обобщение и осмысление теории и практики проектирования и расчета грохотов, а также собственно процесса грохочения стало предметом двух монографий автора данной диссертации [81,97].
Кроме того, описанию вибрационных грохотов были посвящены объемные разделы в ряде справочников, адресованных широкому кругу специалистов. Первым из них был справочник по вибрационной технике для строительства и производства строительных материалов [108], написанный В.А.Бауманом и И.М.Быховским с соавторами. Несколько позднее появилось два издания справочника по обогащению руд, где соответствующий раздел редактировал В.А.Олевскнй [208, 209]. Наконец, 6-томный справочник «Вибрации в технике» [106] включил в состав 4-го тома два раздела, касающиеся проектирования и расчета грохотов, подготовленные автором диссертации.
Нельзя не отметить и ряд монографий и справочников, где в первую очередь рассматривались технологические особенности грохочения и с этой точки зрения затрагивались отдельные конструкции грохотов и их узлов. К таким книгам относится известный переводной справочник по обогащению А.Ф.Таггарта (1933 г.) [215], а также монографии Л.Б.Левенсона (1933 г.) [160], а позднее его же с соавторами (1940 и 1952 гг.) [162, 163], К.К.Лиандова (1948 г.) [165], И.В.Пономарсва (1970 г.) [187], С.Е.Андрсева, В.В.Зверевича и
В.А.Перова (1966 и 1980 гг.) [8].
Несомненно, вопрос проектирования и расчета вибрационных грохотов не был оторван от общего развития теории и практики вибрационной техники. Последние 30-35 лет были характерны бурным ее развитием и проникновением во многие технологии. В эти годы был
13
выполнен ряд фундаментальных исследований, нашедших отражение в изданиях, определивших сегодняшний день вибрационной техники. Это, прежде всего, работы И.И.Бяехмана [52, 53, 62], И.И.Быховского и В.Л.Баумана [44, 74], А.О.Спиваковского и И.Ф.Гончаревича [206, 207], а также И.Ф.Гончаревича и К.В.Фродова [119, 123], И.И.Кавармы [143], Р.Ф.Нагаева [172, 173], В.Н.Потураева, А.Г.Чсрвоиснко, В.П.Франчука [189], А.Я.Тишкова [221], А.Д.Учителя [226, 227], К.Ш.Ходжаева [106], А.В.Юдина [ 237].
Естественно, что в эти же годы в периодической научно-технической печати появлялось достаточно большое количество публикаций, касающихся тех или иных частных вопросов исследования, проектирования и расчета грохотов, а также технологии грохочения. Большая часть этих работ найдет отражение в дальнейших разделах диссертации при исследовании тех проблем, к которым они имеют непосредственное отношение.
1.2. Характеристики надежности и качества вибрационных грохотов
На вибрационные грохоты в полной мере распространяются все оценки, а также нормы качества и надежности, которые приняты для машин соответствующего назначения в общем машиностроении.
Вместе с тем, имеется несколько характеристик качества и надежности, учитывающих специфику проектирования, наладки и эксплуатации вибрационных грохотов как агрегатов с динамическим возбуждением колебаний. К этим характеристикам относятся стабильность, коэффициент усиления возмущающего усилия и уравновешенность.
Стабильность. В процессе проектирования вибрационного грохота необходимо не только решить задачу синтеза колебаний его рабочего органа — короба, но и тем или иным способом обеспечить, чтобы этот закон существенно не искажался как вследствие неточностей изготовления грохота, так и вследствие изменений во времени массы материала, находящегося на рабочем органе, т. с. технологической нагрузки, характеристик подводимой энергии и параметров самой системы, определяемых износом или приработкой деталей, а, возможно, и другими причинами. Поэтому для вибрационных грохотов особое значение имеет свойство стабильности рабочего режима, т. е. режима колебаний рабочих органов, которое можно определить следующим образом.
Обозначим через Ь\, Ьъ bt контрольные параметры, определяемые полем колебаний U(x, у, z, t) рабочих органов грохота. Эти параметры непосредственно характеризуют технологические показатели вибрационного грохота или существенно влияют на эти показатели и определяют их. К первой группе параметров, непосредственно характеризую-
14
щих технологические показатели, могут быть отнесены, например, скорость транспортирования материала но рабочему органу и производительность грохота, эффективность грохочения и т. п. Ко второй группе параметров, существенно влияющих на технологические показатели, естественно отнести амплитуду и частоту колебаний рабочего органа машины.
В общем случае контрольные параметры Ь\, Ь2, Ь, независимо от их физического
смысла являются функционалами от 11(х, у, г, 0» т. е. Ь{ = Ь,{Щх, у, г, /)}, и могут быть изображены графически.
По технологическим условиям работу вибрационного грохота можно считать удовлетворительной, если конец вектора Ь, лежит в пределах некоторой области В пространства контрольных параметров Ь\, Ь2, ..., и неудовлетворительной, если конец вектора Ь, попадает за пределы этой области.
Таким образом, под стабильностью 5’ режима колебаний рабочих органов вибрационного грохота понимают вероятность того, что конец контрольного вектора Ь> не выйдет за пределы заданной области В в течение некоторого промежутка времени Т0 (полного срока службы машины или времени ее межремонтной эксплуатации).
Вибрационный грохот считается удовлетворительно стабильным, если его стабильность 5 не ниже некоторого допустимого уровня Оценка стабильности грохота зависит ог допускаемого технологическим процессом диапазона изменения поля колебаний рабочего органа.
Стабильность является одним из аспектов, одной из важных компонент понятия надежности, под которой, как известно, понимается вообще способность устройства к выполнению заданных функций при условии, что его эксплуатационные показатели не выходят за заданные пределы в течение требуемого промежутка времени. Несомненно, надежность грохота вообще — более общее понятие, т. к. учитывает его прочность и долговечность. Стабильность рабочего режима представляет собой ту составную часть надежности грохота, которая учитывает его специфику как вибрационного устройства.
Изложенные представления о стабильности вибрационного грохота, согласующиеся с общими представлениями о пространствах теории надежности, введены впервые И.И.Блехманом (49] и впоследствии развиты им в совместной работе с 'А.Д.Рудиным [65]. Аналогичное понятие использовалось Б.П.Лавровым [157]. Наиболее полно вопросы стабильности изложены в монографии И.И.Блехмана [53].
Стабильность 5 можно вычислить по формулам теории вероятности, если известны функциональные связи между контрольными параметрами Ь\> Ь2, •••> 6, и совокупностью определяющих параметров машины или обрабатываемой среды а\, а2, ..., аь от которых
15
контрольные параметры bi, Z>2> •••> b, существенно зависят и которые могут варьировать в каких-ro пределах вследствие неточности изготовления деталей и узлов машины и их сборки или по каким-то причинам изменяться со временем в процессе эксплуатации машины. В число параметров аи аъ •••> сц moot входить массы отдельных элементов или узлов вибрационного грохота, жесткости упругих элементов, параметры характеристик двигателя и элементов привода, масса материала на рабочем органе машины (технологическая нагрузка).
В связи с широким распространением вибрационных грохотов с направленными (прямолинейными) колебаниями, возбуждаемыми двумя самосинхронизирующимися дебаланс-ными вибровозбудителями, вопрос об их стабильности будет рассмотрен отдельно, в главе 2.
Указанные машины, если они выполнены по одномассной схеме и работают в зарезонансном режиме, достаточно стабильны в случае привода от обычных вибровоз-будигелей с кинематическими синхронизирующими элементами. Поэтому вопрос о стабильности вообще для них сводится, по существу, к анализу стабильности синхронного вращения дебалансных вибровозбудителей с требуемой фазировкой.
Коэффициент усиления возмущающего усилия. Важнейшей характеристикой вибрационного грохота является степень использования возмущающей силы, развиваемой вибровозбудителем. Для количественной оценки этой характеристики используется показатель, представляющий собой отношение амплитуды возмущающей силы F, необходимой для сообщения рабочей массе Л/* гармонических колебаний с заданной амплитудой А, и частотой со, к амплитуде возмущающей силы, развиваемой вибро-возбудитслсм. Этот показатель называют коэффициентом усиления
к- м^г Ку=——■
Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз колебательная система повышает возмущающую силу, передаваемую от вибровозбудителя рабочему органу грохота — коробу.
Уравновешенность. Уравновешенность вибрационного грохота характеризует степень передачи динамических нагрузок на фундаменты или поддерживающие опоры.
Степень уравновешенности нерезонансного вибрационного грохота оценивают обычно с помощью коэффициента передачи динамического усилия
16
где /-ф — сила, передаваемая фундамент}’, Т7 — возмущающая сила, развиваемая вибровозбудителем.
По существу, коэффициент АГд показывает, какая часть развиваемой источником колебаний динамической нагрузки передастся фундаменту. Однако его применение, как уже отмечено, ограничено областью нерезонансных машин, где амплитуда возмущающей силы, сообщаемой рабочему органу, совпадает с амплитудным значением возмущающей силы, развиваемой приводом, то есть в случае, когда коэффициент усиления равен единице.
Б резонансных машинах источником передаваемых фундаменту неуравновешенных динамических нагрузок является не возмущающая сила, а отличающаяся от нее сила инерции, развиваемая рабочим органом машины. Поэтому для сопоставления вибрационных машин различных систем представляется целесообразным за коэффициент передачи динамического усилия принять отношение
Кя р >
1 и
где /4 = М}А#Г — амплитудное значение инерционной силы, развиваемой рабочим органом. Если бы от какой-либо массы А/,, колеблющейся с амплитудой Л1 и частотой со динамические усилия передавались непосредственно на фундамент, то было бы /ч = и Кл - 1. Б идеальном случае, когда Еф = 0, коэффициент передачи Кл равен нулю.
1.3. Динамические схемы вибрационных грохотов, их описание м сравнение. Параметры колебаний грохотов
Динамической схемой вибрационного грохота принято называть его идеализацию в виде совокупности твердых или упругих тел, обладающих массами (моментами инерции), сое;щненных невесомыми упругими элементами и кинематическими направляющими так же, как и в реальной машине. При этом под действием возбуждающих сил тела динамической схемы совершают колебания, достаточно точно совпадающие по размерам, траекториям и ориентации с колебаниями реальной машины.
Основным требованием к динамической схеме грохота является обеспечение необходимого, выбранного из условий оптимального протекания технологических процессов закона колебаний одной из масс (в частном случае одномассной машины эта масса может быть единственной), являющейся ее рабочим органом — коробом. При этом динамическая схема должна обеспечить и требуемый уровень основных эксплуатационных свойств вибрационного грохота, а именно: стабильности, коэффициента усиления возмущающего усилия и
17
уравновешенности. Сравнение различных динамических схем машин по этим свойствам представлено в табл. 1.1. Хорошие данные по какому-либо признак)' в таблице условно характеризуются знаком «++», удовлетворительные — знаком «+», неудовлетворительные — знаком «-» и крайне неудовлетворительные — знаком «—».
ТАБЛИЦА 1.1
Сравнение динамических схем грохотов по эксплуатационным свойствам
г в8 § 2 н & Вибровоз- будитель Режим работы Схема Уравно- вешен- ность Коэффи- циент усиления Сте- биль- нссть
Одномассный Дебалано- ный Зарезонанс- ный ' не + + +
Электро- магнитный Резонанс- ный 2 £ + —
Двухмассный Дебалано- ный п г Й 17^ >1 7/»//, + + —
Электро- магнитный ++ ♦ —
Трехмассный Де балансный Межрезо- нансный ' ? Ъ + + +
Электро- магнитный ++ + +
Одномассные машины с дебалансным приводом (табл. 1.1, схема 1), уже обозначенные ранее (рис. 1.3), при работе на зарезонансном участке амплитудно-частотной характеристики обладают достаточно высокой стабильностью рабочего режима — амплитуда колебаний рабочего органа в этом случае практически не зависит от некоторого «дрейфа» частоты возбуждения (рис. 1.5, а). При мягкой виброизоляции эти машины передают на опоры и фундаменты (или подвески) сравнительно небольшие динамические нагрузки [87]. Вместе с тем, в одномассных машинах с дебалансным приводом всех видов низка эффективность
18
использования возмущающего усилия, что приобретает особенно существенное значение в крупных грохотах с большой массой колеблющегося рабочего органа. В этом случае возможность создания высокопроизводительной машины с достаточно высокими значениями параметров колебаний ограничивается долговечностью подшипников.
Рис.1.5. Амплитудно-частотные характеристики рабочего органа вибрационною грохоча:
а — одномассного; б — двухмассного; в — трехмассного (сор — рабочая частота; со0, Хь ^2 — частоты собственных колебаний системы)
Одномассные схемы с электромагнитным приводом (табл. 1.1, схема 2) из-за своей неуравновешенности практически не получили распространения. Они использованы лишь в единичных образцах машин сравнительно небольшого размера, массы и производительности.
Введение второй массы в динамические схемы грохотов (табл.1.1, схемы 3 и 4) позволяет улучшить виброизоляцию, эго особенно важно для машин с электромагнитным приводом. Повышение уравновешенности, в свою очередь, дает возможность использовать резонансный или околорезонансный режим колебаний и улучшить использование возмущающей силы (т. с. коэффициент усиления). Для систем с дебалансным вибровозбудителем колебаний (табл. 1.1, схема 3) это реальный путь снижения динамических нагрузок на подшипниковые узлы. Введение второй массы в схемы машин в большинстве случаев не оказывает заметного влияния на увеличение веса и габаритных размеров всей установки; ее можно использовать как дополнительный рабочий орган или как вспомогательное вибрирующее устройство, питающее, подводящее или, наоборот, отводящее материал, и т. п.
Довольно широко используются двухмассные схемы с электромагнитным возбуждением (табл. 1.1, схема 4). Их достоинства определяются общими достоинствами электромагнитных вибровозбудителей: отсутствием трущихся деталей, достаточно легким запуском и регулировкой амплитуды колебаний.
В то же время двухмассные системы, работающие в резонансном или околорезонансном режиме, имеют низкую стабильность, что объясняется крутизной их амплитудно-частотной
19
характеристики (рис. 1.5, б). Амплитуда колебаний может изменяться в процессе эксплуатации как из-за самопроизвольного изменения жесткости упругих элементов между массами, которые в отличие от мягких виброизолирующих упругих элементов принято называть основными, или рабочими, а также из-за неуправляемого изменения массы рабочего органа и воздействия перерабатываемого материата. Кроме того, в случае электромагнитного возбуждения обычно имеет место некоторый «дрейф» частоты возбуждения. Двухмассная система с дебалансным вибровозбудителем (схема 3) в этом смысле предпочтительнее.
Стремление одновременно удовлетворить нескольким, порою противоречивым требованиям, предъявляемым к вибрационным грохотам, привело к появлению трехмассных систем.
В трехмассных машинах как с дебалансным, так и с электромагнитным возбуждением (табл. 1.1, схемы 5 и 6), работающих в межрезонаиспом режиме (рис. 1.5, <?), можно добиться значительного повышения стабильности при одновременном сохранении уравновешенности и высокой, свойственной резонансным машинам эффективности использования возмущающего усилия, развиваемого приводом.
Помимо увеличения числа масс в линейных колебательных системах, известны и другие пути улучшения основных эксплуатационных показателей вибрационных грохотов. К ним относятся, например, использование нелинейных упругих элементов для повышения стабильности рабочего режима при сохранении высокого коэффициента усиления. Та же цель может быть достигнута и посредством введения дополнительного вязкого сопротивления в двухмассный резонансный вибрационный грохот. Но, кроме вполне определенных достоинств, эти пути имеют и некоторые недостатки — значительное усложнение упругой системы, увеличение непроизводительных энергозатрат.
Большинство выпускаемых и эксплуатируемых в настоящее время в мире современных вибрационных грохотов различных типоразмеров и самого различного технологического назначения являются одномассными мягко амортизированными машинами с дебалансными вибровозбудителями, работающими в зарезонансном режиме (табл. 1.1, схема 1; а также рис. 1.3). С учетом этого обстоятельства остановимся на их особенностях более подробно.
Дебалаисные вибровозбудители применяются обычно в частотном диапазоне 10-25 Гц (600-1500 мин“1) для возбуждения колебаний с круговыми, эллиптическими или прямолинейными траекториями и амплитудами в пределах 3-10 мм. Грохот снабжается одним или двумя вибровозбудителями.
20
В случаях применения двух дебалансных возбудителей согласование их вращения достигается как принудительной механической синхронизацией — кинематическими связями типа зубчатого зацепления (рис. 1.4), т. с. передачами без проскальзывания, так и путем использования явления самосинхронизации; в два последних десятилетия благодаря развитию соответствующей теории и методов расчета [52, 53, 157] синхронизация используется в подавляющем большинстве конструкций, в том числе и со сложными динамическими схемами.
Поскольку ось вращения дебалансного возбудителя в процессе вращения перемещается в пространстве вместе с рабочим органом, вибровозбудитель наряду с основной гармоникой генерирует несколько высших, тем меньших, чем меньше амплитуда и больше момент инерции вращающихся частей.
Амплитуда колебаний грохота, снабженного деб&зансным вибровозбудителем, регулируется изменением статического момента дебалансов путем увеличения эксцентрично расположенного суммарного груза (рис. 1.1) или эксцентриситета массы (ступенями, если деб&занс составлен из нескольких частей, или плавно, если дебапансы имеют соответствующее устройство), как правило, при неработающем грохоте. Частота вращения регулируется изменением передаточного отношения элементов привода, например клиноременной передачи. В лабораторных образцах грохотов для этой цели иногда применяют двигатели постоянного тока, управляемые напряжением питания двигателя.
Наиболее ответственный узел дебазансного вибровозбудителя — подшипник (или подшипники) его вала, работающий в весьма тяжелых условиях: он воспринимает и передает рабочему органу грохота значительную центробежную силу при большой частоте вращения и наличии вибрации (колебаний в пространстве) самого подшипникового узла. Из-за значительных сил и частот вращения в подшипниках, несмотря на весьма малые коэффициенты трения качения, выделяется заметное количество энергии в виде тепла, что вызывает необходимость принятия мер для эффективного отвода тепла и поддержания стабильного теплообмена [47]. Эта проблема существенно усложняется для грохотов, перерабатывающих высоконагрстыс материалы — агломерат или окатыши. В таких случаях приходится не только конструктивно отдалять вибровозбудители от зоны активного теплоизлучения [15] и организовывать принудительную циркуляционную смазку или, как минимум, картерную, но и дополнительно предусматривать водяное охлаждение подшипниковых узлов и картера [56, 58].
21
В вибрационных грохотах с дебалансным вибровозбудителем в процессе пуска и остановки возникают интенсивные колебания при примерном совпадении частоты вращения вата дебаланса с частотами свободных колебаний системы на виброизолирующих упругих опорах, т. е. при прохождении через резонанс [5]. Амплитуды колебаний при этом могут в несколько раз превосходить амплитуды рабочего режима [6]. Соответственно возрастают силы, передаваемые через виброизолирующис опоры на строительные конструкции [87]. Возникает опасность прямых соударений машин с опорными, ограждающими, питающими (подводящими материал) и отводящими (принимающими материал) конструкциями.
Для снижения уровня колебаний во время прохождения через резонанс при проектировании вибрационных грохотов с дебалансным и вибровозбудителями может- быть применен ряд способов [64, 229]: использование автоматически (или вручную) регу лируемых дебалансов, статический момент которых при прохождении через резонанс уменьшается [22]; применение электрического или механического торможения вала при выбеге и форсированного пуска при разгоне; использование электродвигателей с повышенным пусковым моментом (иногда в сочетании с электрическим торможением); использование нелинейно-упругих виброизолирующих опор и специальных упоров (буферов) [16. 211]; управляемое изменение жесткости упругих элементов.
В вибрационных грохотах, как правило, реализуется безударный режим и гармонические колебания — упомянутые ранее высшие гармоники не превышают нескольких процентов от основной. Таким образом, известная задача синтеза вибрационного поля [106] для вибрационного грохота сводится к обеспечению необходимой формы поступательных колебаний рабочего органа. Рассмотрим весьма кратко эту задачу для мягко виброизолированиых одномассных вибрационных грохотов с дебалансными возбудителями колебаний (рис.1.3). Здесь и ниже термин «мягко виброизолированиый грохот» означает, что частоты вращения установленных на нем вибровозбудителей, с одной стороны, значительно выше, чем частоты его свободных колебаний на упругих опорах или подвесках, а с другой — значительно ниже частот его свободных колебаний как свободного упругого тела. В этих условиях при определении вынужденных колебаний грохота его можно рассматривать как свободное твердое тело.
В большинстве случаев в вибрационных грохотах создают однородное поле плоскопараллельных поступательных колебаний с круговыми или прямолинейными траекториями; круговые траектории используют в грохотах с наклонной просеивающей поверхностью (рис. 1.3, а), прямолинейные траектории — в грохотах с горизонтальной или слабоиаклониой
22
- Київ+380960830922