Теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных параметров дробилок виброударного действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Шишкин, Евгений Витальевич

• Шишкин, Евгений Витальевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шишкин, Евгений Витальевич

Ведение

Глава 1. Дробилки виброударного действия Ю

1.1. Дробилки с кинематическим приводом

1.1.1. Щековые дробилки с простым движением щеки

1.1.2. Специальные щековые дробилки с эксцентриковым приводом

1.2. Инерционный вибровозбудитель

1.3. Дробилки, приводимые от самосинхронизирующихся вибровозбудителей

1.4. Построение виброударных режимов

1.5. Виброударные дробилки с парой самосинхронизирующихся вибраторов

1.6. Цели и задачи исследования

Глава 2. Вибрационная конусная дробилка

2.1. Конструктивная и динамическая схемы дробилки

2.2. Уравнения плоских колебаний рамы и щёк

2.3. Вынужденные колебания корпуса и конуса

2.4. Устойчивость синхронно-синфазного режима

Глава 3. Вибрационная щековая дробилка с нежёстким креплением вибровозбудителей

3.1. Особенности конструктивной и динамической схемы

3.2. Уравнения плоских колебаний рамы и щёк

3.3. Колебания несущей системы в синхронно-синфазном режиме

3.4. Уравнения энергетического баланса

3.5. Самосинхронизация инерционных вибровозбудителей

Глава 4. Экспериментальные исследования вибрационной щековой дробилки с нежестким креплением вибровозбудителей

4.1. Устройство и принцип работы дробилки

4.1.1. Устройство дробилки

4.1.2. Принцип работы дробилки

4.1.3 Основные технические данные и характеристики

4.1.4. Состав изделия

4.2. Методика проведения экспериментов

4.2.1. Цель экспериментов

4.2.2. Планирование эксперимента

4.2.3. Определение числа опытов

4.3. Испытания опытного образца виброщековой дробилки

ВЩД 80x300 с наклонной камерой дробления

4.3.1. Механические испытания опытного образца

4.3.2. Технологические испытания опытного образца

4.4. Выводы по главе Заключение Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных параметров дробилок виброударного действия»

Актуальность работы. В настоящее время на основе фундаментальных исследований в области физики твёрдого тела и теории колебаний разработаны новые способы разрушения материала и оборудование, позволяющие повысить производительность, стабильность рабочего режима, степень дробления материала и качество конечного продукта, а также снизить затраты энергии.

В значительной степени принципы рационального разрушения материала реализованы в созданной в ОАО "Механобр-техника" вибрационной щековой дробилке. В этой дробилке впервые был использован эффект самосинхронизации приводных инерционных вибровозбудителей, что позволило существенно упростить конструкцию и снизить уровень динамических нагрузок на различные элементы дробилки.

Явление самосинхронизации вибраторов уже сравнительно давно используется при конструировании вибрационных машин различного назначения. Теоретический анализ явления самосинхронизации изложен в работах Д.А. Плисса, И.И. Блехмана, Б.П. Лаврова, Р.Ф. Нагаева, О.П. Барзукова, К.Ш. Ходжаева, Л. Шперленга и других отечественных и зарубежных учёных. В создание вибрационной щековой дробилки (ВЩД) наибольший вклад внесли Б.П. Лавров и В.Я. Туркин.

Теоретические исследования, а также опыт эксплуатации ВЩД показали, что в рабочем диапазоне частот имеются две существенно различные собственные частоты колебаний несущей системы. Одна из них сос соответствует симметричным колебаниям машины, а другая ык — кососимметричным. При этом устойчивый синхронно-синфазный режим вращения роторов вибраторов возможен либо в дорезонансном частотном диапазоне (0 < со < сос), либо в зарезонансном (ш > сок). Существенно, что необходимую для дробления интенсивность вибраций возможно обеспечить только при со > со*. Это предопределило следующие основные недостатки ВЩД:

• прохождение через два разнохарактерных резонанса, соответствующих значениям сос и сол, при пуске и выбеге машины;

• возбуждение интенсивных поворотных колебаний несущей системы при возмущениях рабочего режима;

• сравнительно высокие динамические нагрузки на подшипники валов вибраторов, расположенных непосредственно на дробящих щёках.

Во многом вышеперечисленные недостатки устранены в новых дробилках виброударного действия, предложенных в ОАО "Механобр-техника": вибрационной конусной дробилке (ВКД) и вибрационной щековой дробилке с нежёстким креплением вибровозбудителей (ВЩД-2). Однако на сегодняшний день теоретические исследования динамики новых дробилок отсутствуют, и проведение таких исследований является актуальным для повышения эффективности и надёжности работы дробилок виброударного действия.

Целью работы является научно обоснованный выбор геометрических и инерционных параметров дробилок виброударного действия и их настройка на рабочую синхронную частоту для обеспечения устойчивой работы с заданными производительностью и степенью дробления.

Идея работы состоит в учёте влияния измельчаемого материала на устойчивость рабочего режима дробилок виброударного действия путём введения линейно-вязкого демпфера между дробящими телами.

Основные задачи исследований:

1. Разработка динамических моделей дробилок виброударного действия: вибрационной конусной дробилки и вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей.

2. Теоретическое обоснование возможности максимального повышения запаса по устойчивости синхронно-синфазного режима работы дробилок.

3. Проведение экспериментальных исследований для определения влияния разрушаемого материала на динамику несущей системы и запас по устойчивости рабочего синхронно-синфазного режима вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей.

Методы исследований

Для решения поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий теоретическую и экспериментальную части. В теоретическую часть входило построение динамических моделей дробилок на основе методов теоретической механики и теории колебаний, исследование динамики несущей системы проводилось апробированными методами теории синхронизации.

Экспериментальные исследования были проведены на опытном образце вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей (ВЩД 130x300) и преследовали цель определения коэффициента эквивалентного вязкого трения. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.

Защищаемые научные положения:

1. При условии превышения рабочей синхронной частоты над парциальной частотой колебаний конуса достигается синхронно-противофазное движение корпуса и конуса, обеспечивающее устойчивый режим работы вибрационной конусной дробилки с заданными производительностью и степенью дробления.

2. Устойчивый синхронно-синфазный режим работы вибрационной конусной дробилки существует в зарезонансном частотном диапазоне при условии, что сумма квадратов геометрических параметров дробилки, отнесённая к моменту инерции системы, больше массы конуса, отнесённой к произведению массы корпуса на общую массу машины.

3. При увеличении расстояния между осями вибровозбудителей и общей жёсткости системы устойчивый синхронно-синфазный режим работы вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей реализуется в межрезонансном частотном диапазоне.

Научная новизна работы:

1. Впервые установлены закономерности изменения коэффициентов запаса по устойчивости синхронно-синфазного режима работы вибрационной конусной дробилки и вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей в зависимости от рабочей частоты в различных диапазонах её изменения.

2. Построены амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики дробилок виброударного действия и разработаны рекомендации по выбору рабочей синхронной частоты.

3. Теоретические и экспериментальные исследования позволили получить зависимость коэффициента запаса по устойчивости от производительности и частоты, а также сформулировать условие получения максимальной производительности вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется использованием апробированных современных методов теории нелинейных колебаний и теории синхронизации и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероятности 95%.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны инженерные методики для определения законов колебаний элементов вибрационной конусной дробилки и вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей, а также коэффициентов запаса по устойчивости рабочего синхронно-синфазного режима.

2. Даны рекомендации по выбору научно обоснованных геометрических и инерционных параметров дробилок виброударного действия.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на научных конференциях молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 1999-2002 г.г.), на XIV Симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем» (Звенигород, 2003 г.).

Личный вклад автора

Разработана теория устойчивых колебаний и самосинхронизации инерционных вибровозбудителей дробилок виброударного действия и предложена методика их расчёта при синхронно-синфазном режиме работы этих машин.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 работ в периодических изданиях и сборниках научных трудов.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 104 страницах, содержит 31 рисунок , б таблиц и список литературы из 94 наименований.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Шишкин, Евгений Витальевич

4.4. Выводы по главе По результатам проведённых исследований установлено:

• Обеспечен синхронный противофазный режим с чёткими встречными колебаниями щёк.

• Опорная рама не испытывает вибрационных нагрузок.

• Неодинаковые начальные условия при пуске дробилки (закручивание торсионов в одну сторону, неодинаковое воздействие масс щёк, вибраторов на систему) не оказывают отрицательных явлений на синхронность работы машины.

• Увеличение частоты вращения роторов двигателей приводит к повышению степени дробления и понижению производительности.

• Гранулометрические кривые имеют вид вогнутых кривых, что свидетельствует о наличии в продукте материала мелких классов крупности.

• Коэффициент запаса по устойчивости рабочего режима с ростом производительности систематически уменьшается.

Заключение

В диссертационной работе даны разработанные автором теоретические и практические положения, представляющие собой в комплексе решение актуальной научной задачи — обеспечение устойчивой работы дробилок виброударного действия с заданными производительностью и степенью дробления благодаря установлению их рациональных геометрических и инерционных параметров и настройке на рабочую синхронную частоту, что имеет существенное значение для развития горно-обогатительного оборудования и конструирования современных дробилок виброударного действия.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Разработанная механико-математическая модель виброконусной дробилки с шестью степенями свободы позволяет получить законы колебаний машины в рабочем режиме и построить на их основе все амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики.

2. Противофазное синхронное движение корпуса и конуса дробилки существует, если рабочая синхронная частота превышает парциальную частоту свободных колебаний конуса.

3. Для устойчивости рабочего синхронно-синфазного режима в зарезонансном частотном диапазоне для проектируемой виброконусной дробилки ВКД-300 необходимо, чтобы сумма квадратов геометрических параметров дробилки, отнесённая к моменту инерции системы, численно была больше 0,0004.

4. Получены законы колебаний элементов вибрационной щековой дробилки с нежестким креплением вибровозбудителей. Установлено, что в рабочем частотном диапазоне дробилки ВЩД 80x300 расположены две собственные частоты свободных колебаний сос = 62 с"1 и со* = 200 с"1. Свободные колебания на частоте сос являются симметричными, а на частоте со* — кососимметричными, причем озс < со*.

5. Анализ устойчивости рабочего режима показывает, что в отличие от традиционной вибрационной щековой дробилки, работа в вибрационной щековой дробилке с нежестким креплением вибровозбудителей возможна в межрезонансном частотном диапазоне (сос < со < со*). При этом не достигается кососимметричный резонанс машины.

6. Экспериментальные исследования вибрационной щековой дробилки с нежестким креплением вибровозбудителей (ВЩД 80x300) показали, что с ростом производительности машины (от 0,48 до 0,93 кг/с) безразмерный коэффициент запаса по устойчивости уменьшается (от 1,9 до 1,1).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шишкин, Евгений Витальевич, 2003 год

1. Абрамович И.М. и др. Явление самосинхронизации вращающихся тел. Открытия, изобретения. 1988. - №1.

2. Алабужев П.М., Яцун С.Ф. Математическое моделирование вибрационных технологических процессов. II Всесоюзн. конф. «Нелинейные колебания механических систем»: Тез. докл. 4.1. -Горький, 1990.

3. Алифов A.A., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источником энергии. М.: Наука, 1985.

4. Андреев С.Е. и др. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М., Недра, 1980.

5. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981.

6. Арнольд В.И. Обыкновенные дифференциальные уравнения. 3-е изд. М.: Наука, 1984.

7. Арнольд В.И. Математические методы классической механики. М.: Наука, 1989.

8. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1988.

9. Афанасьев М.М. и др. Динамика рабочего органа конусной дробилки. Машиноведение, 1976, № 6, с. 8-14.

10. Ю.Афанасьев М.М. и др. Динамика, системы принудительной синхронизации механических вибровозбудителей с асинхронным приводом. Изв. АН СССР. Машиноведение, 1983, № 4.

11. П.Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968.

12. Бабицкий В.И. Теория виброударных систем: Приближённые методы. М.: Наука, 1978.

13. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю. Теоретическая механика в примерах и задачах. М.: Наука. 1990.

14. Барзуков О.П. и др. Уточнённый метод расчёта перемещения материала в камере дробления конусных дробилок. Обогащение руд, 1983, № 4, с. 3-6.

15. Баутин H.H., Леонтович Е.А. Методы и приёмы качественного исследования динамических систем на плоскости. 2-е изд. М.: Наука, 1990.

16. Белецкий В.В. Экстремальные свойства резонансных движений. М., Наука, 1981.

17. Берёзкин E.H. Курс теоретической механики. М.: Наука, 1974.

18. Блехман И.И., Нагаев Р.Ф. Оптимальная стабилизация синхронных движений механических вибраторов. Горький, 1967.

19. Блехман И.И. Синхронизация динамических систем. М.: Наука, 1971.

20. Блехман И.И. Синхронизация в природе и технике. М.: Наука, 1981.

21. Блехман И.И. Вибрационная механика. М. Физматлит, 1994.

22. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфаев H.A. Введение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1988.

23. Бутенин Н.В., Фуфаев H.A. Введение в аналитическую механику. М.: Наука, 1991.

24. Виба Я.А. Оптимизация и синтез виброударных машин. Рига: Зинатне, 1988.

25. Вибрации в технике: Справочник. М.: Машиностроение, 1989. Т.4.

26. Виннер Г.М. Устойчивость равновесия механической системы с неудерживающей связью. Вестник МГУ, №4, 1989.

27. Виттенбург Й. Динамика систем твёрдых тел. М.: Мир, 1980.

28. Влияние профиля дробящего пространства на эффективность дробления и износостойкость броней. A.M. Шестаков, В.А. Джур и др. Изв. вузов. Горный журнал, 1980, №3, с. 111-115.

29. Волосов В.М., Моргунов Б.И. Метод осреднения в теории нелинейных колебательных систем. М.: Изд-во МГУ, 1971.

30. Гальперин Г.А., Земляков А.Н. Математические биллиарды. М.: Наука, 1990.31 .Гончаревич Н.Ф., Фролов К.В. Теория вибрационной техники и технологии. М.: Наука, 1981.

31. Горбиков С.П. Особенности строения фазового пространства динамических систем с ударными взаимодействиями. Изв. АН СССР.-Сер. МТТ, 1987, №3, с. 23-26.

32. Горшков С.Н. Двухсторонняя вибрационная щековая дробилка. Авторское свидетельство № 149667, класс 50с, 101 с приоритетом от 26 августа 1961 г. Бюллетень изобретений, 1962, № 16.

33. Даламбер Ж. Динамика. М.; JL: Гостехиздат, 1950.

34. Демидович Б.П. Лекции по математической теории устойчивости. М.: Наука, 1967.

35. Дубошин Г.Н. Небесная механика. Аналитические и качественные методы. М.: Наука, 1964.

36. Евдокимов Ю.А. и др. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М., 1980.

37. Журавлёв В.Ф., Климов Д.М. Прикладные методы в теории колебаний. М.: Наука, 1988.

38. Журавлёв В.Ф., Фуфаев H.A. Механика систем с неудерживающими связями. М.: Наука, 1993.40.3укас Дж. А., Николас Т. и др. Динамика удара. М.: Мир, 1985.

39. Иванов А.П. Моделирование систем с механическими соударениями. М.: Изд-во Моск. ин-та приборостроения, 1992.

40. Иванов А.П. Аналитические методы в теории виброударных систем. ПММ. 1993, б. Т. 57, вып. 2, с. 5-21.

41. Иванов А.П. Динамика систем с механическими соударениями. М. Международная программа образования, 1997.

42. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. 5-е изд. М.: Наука, 1976.

43. Карапетян A.B., Румянцев В.В. Устойчивость консервативных и диссипативных систем. Итоги науки и техники. Общая механика. Т.6. М.: ВИНИТИ, 1983.

44. Кильчевский H.A. Динамическое контактное сжатие твёрдых тел. Удар. Киев: Наукова думка, 1976.

45. Кобринский А.Е., Кобринский A.A. Виброударные системы. М.: Наука, 1973.

46. Кобринский А.Е., Кобринский A.A. Двумерные виброударные системы. М.: Наука, 1981.

47. Козлов В.В., Трещёв Д.В. Биллиарды. Генетическое введение в динамику систем с ударами. Изд-во МГУ, 1991.

48. Коловский М.З. Динамика машин. Д.: Машиностроение, 1989.

49. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973.

50. Лавров Б.П. Вибрационные машины с самосинхронизирующимися вибраторами. Каунасский политехи, ин-т: Тр. по теории и применению явления синхронизации в машинах и устройствах. Вильнюс: Минтис, 1966, с. 55-63.

51. Левитский Н.И. Колебания в механизмах. М.: Наука, 1988.

52. JIe Суан Ань Динамика систем с кулоновым трением (теория и эксперимент). Санкт-Петербург, 1999.

53. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: Физматгиз, 1961.

54. Ляпунов A.M. Лекции по теоретической механике. Киев: Наукова думка, 1982.

55. Мак-Миллан В.Д. Динамика твёрдого тела. М.: ИЛ, 1951.

56. Маркеев А.П. Теоретическая механика. М.: Наука, 1990.

57. Меркин Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения. М.: Наука, 1976.

58. Моисеев H.H. Асимптотические методы нелинейной механики. М.: Наука, 1981.

59. Нагаев Р.Ф. Динамика виброударной дробилки с парой самосинхронизирующихся вибраторов. Изв. АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение, 1963, № 5.

60. Нагаев Р.Ф. Периодические режимы вибрационного перемещения. М.: Наука, 1978.

61. Нагаев Р.Ф. Консервативные системы. Вибрации в технике: Справочник: В 2-х т. М.: Машиностроение, 1979, Т. 2, с. 141-149.

62. Нагаев Р.Ф. Механические процессы с повторными затухающими колебаниями. М.: Наука, 1985.

63. Нагаев Р.Ф., Гузев В.В. Самосинхронизация инерционных вибровозбудителей. Л., Машиностроение, 1990.

64. Нагаев Р.Ф. О пространственном соударении твёрдых тел. Изв. РАН МТТ, 1992.

65. Нагаев Р.Ф. Квазиконсервативные синхронизирующиеся системы. Санкт-Петербург: Наука, 1996.

66. Нагаев Р.Ф., Шкадов Р.И. Теория механических колебаний с примерами из практики горного дела. СПб., СПГГИ (ТУ), 1993.

67. Нагаев Р.Ф., Архипов М.И., Туркин В.Я. Динамика безударного режима вибрационной щековой дробилки. Записки СПГГИ (ТУ). Т. 141, 1995.

68. Нагаев Р.Ф., Шишкин Е.В. Динамика вибрационной конусной дробилки. М., Известия РАН, Проблемы машиностроения и надёжности машин, 2000, №6.

69. Нагаев Р.Ф., Туркин В .Я., Шишкин Е.В. Динамика вибрационной щековой дробилки с нежёстким креплением вибровозбудителей. JL: Обогащение руд. 2002, №3.

70. Неймарк Ю.И. Метод точечных отображений в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1972.

71. Неймарк Ю.И., Фуфаев H.A. Динамика неголономных систем. М.: Наука, 1967.

72. Никитин H.H. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1990.

73. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1977.

74. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1991.

75. Парс JI. Аналитическая механика. М.: Наука, 1971.

76. Привапо К.И. Математические основы теории планирования эксперимента. Курск, 2001.

77. Рагульскене B.J1. Виброударные системы. Теория и применение. Вильнюс: Минтис, 1974.

78. Рагульскис JI.K., Рагульскис K.M. Колебательные системы с динамически направленным вибровозбудителем. Л., Машиностроение, 1987.

79. Раус Э. Дж. Динамика системы твёрдых тел. Т. 1. М.: Наука, 1983.

80. Ревнивцев В.И. Пути реализации рациональной организации процесса раскрытия минералов. В кн.: Развитие теории, совершенствование техники и технологии подготовки руд к обогащению. Л., 1982, с. 3-7.

81. Ревнивцев В.И., Денисов Г.А., Зарогатский Л.П., Туркин В.Я. Вибрационная дезинтеграция твёрдых материалов. М.: Недра, 1992.

82. Самсонов В.А. Очерки о механике: Некоторые задачи, явления и парадоксы. М.: Наука, 1980.

83. Саушев А.В. Планирование эксперимента. СПб., 2001.

84. Стоимёнов Л.Г. О решении проблемы косого удара тел. Модели удара шероховатых тел. Прикл. механика, 1992. Т. 28, вып. 8, с. 3-10.

85. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1998.

86. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. 2-е изд. М.: Наука, 1979.

87. Туркин В.Я. Сравнительные испытания ударно-вибрационной щековой дробилки. Обогащение руд: Научно-техн. реф. бюл. ВНИИ Механобр. JL, 1971, №3, с. 15-16.

88. Фейгин М.И. Вынужденные колебания систем с разрывными нелинейностями. М.: Наука, 1994.

89. Ходжаев К.Ш. Синхронизация механических вибраторов, связанных с линейной колебательной системой. Изв. АН СССР: Механика твёрдого тела, 1967, №4, с. 14-24.

90. Яблонский А.А. Курс теоретической механики, часть И. Динамика. М.: Высшая школа, 1984.

91. Blekhman I.I. Vibrational mechanics. Nonlinear dynamic effects, general approach, applications. Copyright 2000 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

92. Nagaev R.Ph. Mechanical processes with repeated attenuated impacts. Singapore, 1999 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.