авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Обоснование рациональных режимных параметров рабочего процесса авторезонансных вибротранспортных машин

На правах рукописи

СУСЛОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АВТОРЕЗОНАНСНЫХ ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН Специальность 05.05.06 – «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Афанасьев Анатолий Ильич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кожушко Герман Георгиевич кандидат технических наук Глебов Андрей Валерьевич Ведущее предприятие – ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится « » 2012 г. в 10 часов на заседании диссер тационного совета Д.212.280.03 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева,

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 2012 г.

»

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Хазин М. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В горнодобывающей промышленности процессы транспортирования и классификации твердых полезных ископаемых являются одними из наиболее масштабных и относительно энергоемких операций. На эти операции затрачивается значительная доля энергии, производящейся в нашей стране. При транспортировании и классификации горной массы широко ис пользуются вибрационные машины. Практика эксплуатации вибротранспорт ных машин (ВТМ) показывает, что в результате их усовершенствования можно добиться определенного роста показателей работы горнодобывающего пред приятия. Таким образом, дальнейшее развитие вибротранспортных машин име ет важное экономическое значение.

Основными конструктивными элементами являются привод и рабочий орган. В настоящее время наибольшее распространение в горной промышлен ности получили инерционные, эксцентриковые и поршневые (пневматические и гидравлические) вибраторы. Их работа в области резонанса недостаточно эф фективна, так как при изменении технологической нагрузки и других возмуще ниях колебательная система выходит из нормального рабочего режима.

Альтернативой перечисленным механизмам являются использующие электрическую энергию линейные электромагнитные двигатели. Применение этих двигателей для создания возмущающей или ударной силы позволяет обой тись без сложной трансмиссии, так как передаточным элементом служит тяга.

Основными недостатками известных конструкций являются относительно не большая величина движущего импульса, а также низкий коэффициент полезно го действия, что может привести в некоторых случаях к перегреву основного элемента линейного двигателя – обмотки.

В этой связи наиболее актуальными являются исследования, направлен ные на изучение электромеханических процессов для повышения эффективно сти работы горных машин с линейными электромагнитными двигателями.

Объект исследования – авторезонансные вибротранспортные горные машины с линейным электромагнитным вибровозбудителем.

Предмет исследования – асимметричные установившиеся и переходные рабочие процессы авторезонансной вибротранспортной машины с линейным вибровозбудителем.

Цель работы – повышение эффективности работы вибротранспортных резонансных горных машин с линейным электромагнитным вибровозбудителем за счет разработки математической модели рабочего процесса, определения их рациональных параметров и совершенствования конструкции.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности рабоче го процесса резонансной вибротранспортной машины можно осуществить пу тем выбора рациональных режимных и конструктивных параметров ВТМ и электромагнитного вибровозбудителя.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Амплитуда колебаний рабочего органа определяется параметрами тя говой характеристики электромагнитного двигателя, моментом включения и временем работы его за один период колебаний.

2. Энергоемкость работы резонансной ВТМ с линейным электромагнит ным двигателем определяется величиной рабочего зазора, а также временем включения его за один цикл колебаний рабочего органа.

3. Производительность резонансной ВТМ при полубыстроходном режиме транспортирования определяется виброскоростью рабочего органа и возрастает с увеличением асимметрии колебаний. Рациональный коэффициент асиммет рии колебаний рабочего органа определяется трибологическими характеристи ками горной массы и параметрами вибрации.

4. Электромагнитный линейный двигатель с возрастающей тяговой ха рактеристикой обеспечивает стабильный резонанс при изменении технологиче ской нагрузки и ударном нагружении рабочего органа.

Научная ценность работы заключается в выявлении взаимосвязи элек тромеханических характеристик электромагнитного двигателя и режимных па раметров авторезонансной вибротранспортной машины, а также разработке ма тематической модели рабочего процесса ВТМ.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке методики расчета режимных параметров авторезонансных низкочастотных вибротранс портных машин.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректным использованием положений теории вероятности и ма тематической статистики, методов математического и физического моделиро вания, апробированных методов экспериментальных исследований и подтвер ждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспе риментальных исследований, относительное расхождение которых не превы шает 10-15 %.



Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при проектировании авторезонансной вибрационной машины для грохочения хво стов обогащения золотосодержащих руд.

Апробация работы. Основные результаты работы и её отдельные поло жения докладывались: на Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений», Екатеринбург, 2011 г.;

Международной научно-технической конференции «Транспорт XXI ве ка: Исследование, инновации, инфраструктура», Екатеринбург, 17-19 ноября 2011 г.;

«Неделе горняка», Москва, 23-28 января 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах международных конферен ций, в том числе 6 работ в журналах из списка ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, со держит 92 страницы текста, 34 рисунка, 13 таблиц, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ Вибротранспортные машины, к которым относятся грохоты, вибропита тели и вибротранспортеры, широко используются во многих отраслях промыш ленности и делятся на три группы: дорезонансные, резонансные и зарезонанс ные. Основным элементом как нерезонансных, так и резонансных вибротранс портных машин является вибровозбудитель. В зарубежных и отечественных ВТМ, работающих во всех режимах, используются вибровозбудители силового, кинематического или смешанного типов возбуждения колебаний. По конструк тивным признакам и способу воздействия на короб вибровозбудители бывают инерционного, эксцентрикового, электромагнитного, гидравлического и пнев матического типов.

Наибольшее распространение в промышленности получили силовые виб ровозбудители инерционного типа. Главным недостатком инерционных вибро возбудителей является малый ресурс и нестабильность поддержания резонанс ного режима. В последнее время появились технические решения, позволяю щие получить относительно стабильный резонансный режим. Однако и эти ре шения не позволяют достаточно быстро стабилизировать резонансный режим при ударном нагружении рабочего органа.

Эксцентриковые вибровозбудители создают относительно большие воз мущающие усилия и часто применяются в уравновешенных вибрационных ре зонансных машинах.

Повышение эффективности работы существующих и создание новых вибротраспортных машин неразрывно связано с уточнением теории вибропе ремещения, основной вклад в которую внесли: Бауман В. А., Блехман И. И., Быховский И. И., Вайсберг Л. А., Гончаревич И. Ф., Джанелидзе Г. Ю., Левен сон Б. И., Lindner G., Мальцев В. А., Олевский В. А., Пановко Я. Г., Потура ев В. Н., Спиваковский А. О., Терсков Г. Д., Червоненко А. Г., Фролов К. В., Юдин А. В. и другие известные ученые.

Исследований рабочего процесса резонансных ВТМ с несимметричными колебаниями рабочего органа и случайным изменением коэффициента трения горной массы в настоящее время нет.

Спиваковский А.О. предложил несколько критериев оценки эффективно сти работы ВТМ: скорость вибротранспортирования (v, м/с), удельные затраты энергии (W, кВт/т) коэффициент динамической эффективности режима виб ротранспортирования (kд = v(A2)-1, с), коэффициент энергетической эффектив ности режима вибротранспортирования (kэ = v(W)-1,мт/(кВтс)).

В приведенных работах исследуется, главным образом, скорость виб ротранспортирования, которая определяет производительность ВТМ и, следо вательно, при прочих равных условиях, эффективность их работы. Поэтому главной целью конструктивного совершенства ВТМ является достижение мак симальной производительности при заданной долговечности и приемлемой энергоемкости.

Энергоемкость рабочего процесса резонансной ВТМ зависит как от пара метров вибротранспортирования, так и от конструктивного исполнения вибро возбудителя. Надежность работы всей ВТМ в значительной степени определяет работоспособность вибровозбудителя, которая, в свою очередь, зависит от ре жима работы линейного двигателя. Режим работы двигателя определяет тепло вую нагрузку двигателя.





Основы расчета электромагнитных двигателей, работающих на постоян ном и переменном токе, разработали Алабужев П. М., Буйлов А. Я., Гор дон А. В., Дульнев Г. В., Лысов Н. Е., Любчик М. А., Москвитин А. И., Ру син Ю. С., Ряшенцев Н. П., Тер-Акопов А. К. и др. ученые.

В исследованиях этих ученых на основе теории подобия электромехани ческих систем разработаны методики определения основных конструктивных параметров электромагнитных линейных двигателей, а также с использованием законов термодинамики – методы определения температуры основного узла – обмотки. Однако полного подобия в электромагнитных машинах получить практически невозможно, что вызывает необходимость в дальнейшем произво дить экспериментальную проверку работоспособности двигателя в различных режимах работы. Проведение тепловых испытаний электромагнитного линей ного двигателя является длительной (не меньше 2,5 часов) по времени опера цией, требующей относительно больших затрат. В связи с этим для повышения эффективности работы вибротранспортных авторезонансных горных машин с электромагнитным линейным двигателем необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель движения рабочего органа резо нансного питателя – грохота с нелинейным силовым воздействием.

2. Выявить взаимосвязь режимных параметров линейного электромаг нитного двигателя и энергозатрат на вибротранспортирование горной массы в «полубыстроходном» и «тихоходном» режимах.

3. Выявить факторы, влияющие на величину асимметрии колебаний ра бочего органа, скорость движения горной массы по рабочему органу и обосно вать рациональные режимные параметры рабочего процесса резонансной виб ротранспортной машины с линейным электромагнитным вибровозбудителем.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РЕЗОНАНСНЫХ ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН С АСИММЕТРИЧНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ Отличие рабочего процесса резонансных ВТМ, имеющих в качестве виб ровозбудителя линейный электромагнитный двигатель, заключается в том, что последний работает не постоянно. Он включается при ходе рабочего органа (РО) вперед – по ходу транспортирования материала. Это обусловливает нера венство амплитуд колебаний при ходе РО вперед и назад (А0 А1). Амплитуда колебаний РО зависит от закона изменения движущего усилия и при постоян ной частоте колебаний определяет скорость транспортирования и, следователь но, производительность ВТМ.

Экспериментальная зависимость тягового усилия от положения рабочего органа ВТМ относительно статического равновесия приведена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость движущего усилия линейного электромагнитного двигателя от положения РО ВТМ:

ряд 1 – = 5400 А виток;

ряд 2 – = 4700 А виток;

ряд 3 – = 4100 А виток Эквивалентная расчетная схема этой ВТМ может без существенной по грешности представлена в виде односвязной одномассовой динамической сис темы с жесткой заделкой упругого звена.

Движение РО ВТМ рассматривается на нескольких этапах:

Первый этап – свободные колебания (движение РО от верхнего положе ния назад). Дифференциальное уравнение движения короба на участке свобод ных колебаний записывается в виде && + 2nх + 2 х = 0, (1) & х где – угловая частота собственных колебаний РО, рад/с;

n – коэффициент диссипативных потерь, 1/с.

При х ( 0 ) = х 0 и х ( 0 ) = х 0 общим решением его является функция & & х0 + nx & хсв = е - nt ( хo cos kt + sin kt ), (2) k где k2 = 2 – n2.

На втором этапе – включении линейного двигателя 0 t1 tk1 – движущее усилие изменяется по экспоненциальному закону F1 = F0 (1 е - Bt1 ). (3) Соответственно, дифференциальное уравнение движения рабочего органа имеет вид &&1 + 2nх1 + 2 х1 = µF0 (1 е - Bt1 ), & х (4) где µ-1 = m – масса рабочего органа.

На третьем этапе движущее усилие описывается полиномом третьей сте пени ( F3 = a0 + a1 x + a2 x 2 + a3 x 3 ), поэтому дифференциальное уравнение дви жения рабочего органа имеет вид && + 2 x = µ(a0 + a1 x + a2 x 2 + a3 x 3 );

0 t t B.

x (5) Общее решение дифференциального уравнения имеет вид t 3 3 1 x(t ) = x0 cos pt + x0h1 + x0a1 + a3 x0 sin pt + 2 a0 a2 x0 + a3 x0 cos pt + 2 pm p m 4 3 (6) 1 1 2 1 + 2 a0 + a2 x0 2 a2 x0 cos2 pt 2 a3 x0 cos3 pt.

p m 6p m 2 32 p m Так как частота собственных колебаний незначительно отличается от частоты вынужденных, то, пренебрегая в уравнении (6) слагаемыми второй сте пени малости, перемещение РО за время работы двигателя (t = tB) можно опре делять из формулы a t x(t ) = x0 cos pt + a1 x0 sin pt + 20 (1 cos pt ). (7) 2 pm pm На четвертом этапе движения рабочий орган совершает свободные коле бания. Максимальная величина перемещения зависит от скорости рабочего ор & гана в конце второго этапа ( х2 (t B ) ). Эта скорость находится из уравнения t 1 3 (h1x0 + a1x0 + a3 x0 ) sin ptB + B x0 h1 + x0 a1 + a3 x0 cos ptB x2 (t B ) = x0 p sin ptB + & 2m 2 pm 4 4 (8) 1 1 21 1 2 a0 a2 x0 + a3 x0 sin ptB + a2 x0 sin 2 ptB + a3 x0 sin3 ptB.

pm 3 32 3 pm 32pm Длительность четвертого этапа (t4) находится в первом приближении из формулы & x 2 (t B ) pt 4 = arctg, (9) p ( x2 (t B ) x0 ) где x2(tВ) – перемещение РО в конце третьего этапа (в момент выключения дви гателя). Таким образом, перемещение РО на четвертом этапе находится из уравнения x 4 (t 4 ) = ( x 2 (t B ) x 0 ) cos pt 4 + x 2 (t B ) sin pt 4. (10) & p Таким образом, амплитуда колебаний РО при движении его вперед нахо дится из уравнения A0 = x 4 (t 4 ) + x 2 ( t B ) x 0. (11) Уравнения (7)-(11) показывают, что амплитуда колебаний рабочего орга на зависит от параметров динамической системы (коэффициента жесткости опор и массы РО), параметров тяговой характеристики (величины рабочего за зора, закона изменения тягового усилия) и времени включения (работы) двига теля за один цикл колебаний.

Если отношение амплитуд (KА = А1/А0 ) при движении РО назад и вперед больше 0,6, то его траекторию можно без существенной погрешности принять за синусоиду, имеющую постоянную частоту.

Движение куска горной породы рассматривается на нескольких этапах, продолжительность которых зависит от трибологических характеристик горной массы и параметров колебаний рабочего органа.

Из условия отсутствия скольжения куска назад определяется необходи мая величина амплитуды колебаний РО при движении назад (А1):

fg + g sin А1 =, (12) 2 [(cos( + ) f sin( + )] где – угол вибрации, град.;

– угол наклона рабочего органа, град.;

– угло вая частота собственных колебаний рабочего органа ВТМ, рад/с;

f – коэффици ент трения пары: кусок – сталь;

А0 – амплитуда колебаний рабочего органа при движении вперед, м;

g – ускорение свободного падения, м /с2.

Адекватность математической модели проводилась путем сравнения рас четных и экспериментальных скоростей – последние получены на грохоте питателе с линейным электромагнитным векторным двигателем.

В табл. 1 приведены результаты расчета по имитационной модели (Vа) и определенные экспериментально (Vэ) скорости движения куска гранита при различных амплитудах: для fр =3,33 Гц, =30°, = 2°, fст = 0,41-0,53, fк = 0,33…0,42.

Данные эксперимента свидетельствуют об адекватности данной имитаци онной модели реальному процессу при случайном изменении коэффициента трения и хорошо согласуются с данными исследований И. Ф. Гончаревича.

Таблица Скорости вибротранспортирования куска гранита № Амплитуды колебаний РО, мм Скорости вибротранспортирования, см/с п/п А0 А1 Vа Vэ 1 12 12 7,6 6,9-8, 2 14 14 11 12- 3 17,3 17,3 15,2 15- 4 16 15 16,2 14- 5 19,5 18,5 19,2 19,-21, 6 21 20 20,2 20- 7 23 20,5 21,3 21- 8 24,2 22 21,9 22- 9 31 26 24,6 24- 10 32 26,5 24,9 26- Для определения влияния асимметрии колебательного процесса на ско рость транспортирования были проведены расчеты по имитационной модели при различных соотношениях амплитуд движения рабочего органа назад и впе ред:

KА = А1 / А0. (13) Этот показатель (KА) по аналогии с одной из характеристик режимов на гружения деталей можно назвать коэффициентом асимметрии колебаний. Тео ретически он может изменяться от нуля до единицы.

В табл. 2 приведены результаты расчета скорости движения куска грани та (Vа) при различных амплитудах для = 0°.

Таблица Скорости вибротранспортирования куска гранита № А0, мм Vа, см/с п/п KА =1 KА =0,9 KА =0,8 KА =0,6 KА=0, 1 15 9,7-10.1 11,2-11,3 12,2-12,3 12,9-13,2 12,9-13, 2 18,5 12,3-12,5 14,8-15,0 14,9-15,3 16,2-16,4 16,3-16, 3 20 14,0-14,2 16,3-16,4 16,2-16,4 17,0-17,1 17,4-17, 4 25 18,0-18,2 19,6-19,9 19,8-19,9 19,6-20,0 20,1-20, 5 29 19,9-20,3 21,3-21,8 21,3-21,8 21,4-21,6 21,7=22, Данные таблицы показывают, что асимметрия колебательного процесса влияет на скорость вибротранспортирования и степень этого влияния тем больше, чем меньше амплитуда.

Степень влияния коэффициента асимметрии на производительность целе сообразно производить по относительной скорости (v= VА /Vс) – отношения скорости при асимметричных колебаниях (KА 1) к скорости при симметрич ных (KА = 1) колебаниях.

На рис. 2 приведена зависимость относительной скорости движения куска горной массы от коэффициента асимметрии.

Рис. 2. Зависимость относительной скорости от коэффициента асимметрии колебаний:

ряд 1 – А0=15 мм;

ряд 2 – А0=18,5 мм;

ряд 3 – А0=20 мм;

ряд 4 – А0=25 мм;

ряд 5 – А0=29 мм Из рис. 2 видно, что при амплитудах колебаний до 25 мм рациональное значение коэффициента асимметрии должно быть в пределах 0,85…0,6. При амплитудах колебаний меньше 15 мм скорость вибротранспортирования и, со ответственно, производительность машины оказываются недостаточными. При коэффициенте асимметрии меньше 0,6 кусок горной массы практически не движется назад по рабочему органу и увеличения скорости вибротранспорти рования не происходит. Уменьшение коэффициента асимметрии требует уве личения амплитуды тока или более раннего включения двигателя для увеличе ния тормозного усилия при движении рабочего органа назад. Это является не рациональным, так как приведет к дополнительным затратам энергии.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АВТОРЕЗОНАНСНОЙ ВИБРОТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ С ЛИНЕЙНЫМ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕМ Экспериментальные исследования были проведены на опытно-промыш ленной резонансной ВТМ (рис. 3). Угол наклона поверхности грохочения (рис. 3) изменялся при помощи поворотной рамы, которая с одной стороны шарнирно закреплена на основании. Упругие опоры, выполненные в виде пло ских пружин, жестко соединяют рабочий орган с поворотной рамой. Приведен ная масса рабочего органа ВТМ изменялась от 100 до 229 кг, т. е. в 22-35 раз превышала массу якоря. При испытаниях моделировалось два режима: ударное нагружение рабочего органа одним куском горной породы, пуск ВТМ под на грузкой (на рабочем органе находится горная масса).

Рис. 3. Опытно-промышленный резонансный вибропитатель-грохот Максимальная величина единичного куска и дробленой горной массы принималась не более 40 % массы РО. Угол вибрации =30°, масса РО mро = 100 кг, k= mгр / mро = 0,2…0,4;

высота падения куска h = 0,4…0,6 м;

резо нансная частота р = 26,7 рад/с;

суммарная жесткость упругих опор С = 72000 Н/м. Резонансная частота грохота устанавливалась в пределах 2,5…6 Гц путем изменения жесткостей упругих опор.

Величина максимальных напряжений (Па) в упругих элементах, выпол ненных в виде плоских пружин (рессор), находилась из формулы max = (6Хmax mрор2l)(nbh2)-1, (14) где mро – масса рабочего органа, кг;

р – угловая резонансная частота колебаний рабочего органа, рад/с;

l – рабочая длина рессор, м;

n – число рессор;

b и h – ширина и толщина листа рессоры, м.

Относительная перегрузка () упругих опор при падении куска с массой, соизмеримой с массой РО, находилась из формулы = Хmax(А + Хст )-1, (15) где А – амплитуда колебаний РО при движении его вниз от положения статиче ского равновесия, мм;

Хст – статическая деформация опор, мм;

Хmax – макси мальная деформация упругих опор, обусловленная паданием груза, мм.

В практике расчета упругих элементов (пружин) коэффициент запаса прочности принимается в пределах 1,5…1,8. Следовательно, относительная пе регрузка не должна быть больше этой величины.

Обозначим отношение массы куска (mгр) к массе РО (mро) буквой k (k= mгр / mро). Если кусок не отскакивает от РО, что происходит при падении его на слой горной массы, то, используя закон сохранения количества движения, мож но определить его скорость в конце удара из формулы V2 = [рА + k(2ghsin)0,5](1+k)-1, (16) где р – резонансная частота, рад/с;

g – ускорение свободного падения, м/с ;

h – высота падения куска, м;

– угол вибрации, град.

В первом приближении максимальную деформацию упругих опор можно определить по закону сохранения энергии:

Xmax = [(1+k)V2 2+(g/р)2 ]0,5р-1. (17) На рис. 4 приведена осциллограмма перемещения рабочего органа при падении на него единичного куска (k= mгр/mро= 0,2) с высоты 0,5 м. На рабочем органе в момент падения груза горной массы не было. Кинетическая энергия этого куска была больше максимальной кинетической энергии рабочего органа.

Из осциллограммы видно, что в момент удара движущийся вверх рабочий ор ган практически останавливается.

Удар 105 мс 105 мс 235 мс Ток 28 А 130 мс 225 мс Рис. 4. Осциллограмма перемещения РО и тока резонансной ВТМ при встречном ударе Движущее усилие в момент удара и после него изменяется несуществен но, о чем свидетельствует осциллограмма тока. После удара РО начинает вновь разгоняться и через 2-4 периода колебаний вибрационный процесс восстанав ливается, но уже на другом уровне относительно положения статического рав новесия. Рис. 4 показывает, что встречный удар не является опасным для упру гих опор.

В результате многочисленных экспериментов был реализован попутный удар куска горной массы без отскока её от рабочего органа (рис. 5). Из осцил лограммы видно, что деформация упругих опор в этом случае достигает макси мума.

Относительная перегрузка () упругих опор, определенная по формуле (15), для резонансной ВТМ составила 1,6. Таким образом, расчет упругих опор резонансных ВТМ следует вести как на усталостную, так и на статическую прочность.

Удар 20 мм 20 мм 15 мм 15 мм 28 мм Ток 26 А 130 мс 160 мс Рис. 5. Осциллограмма перемещения РО и тока резонансной ВТМ при попутном ударе Хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных свидетель ствует об адекватности методики расчета максимальных нагрузок в упругих опорах резонансных грохотов.

Для оценки влияния переходных процессов на производительность были проведены несколько пусков резонансной ВТМ с технологической нагрузкой.

Её величина составляла от 20 до 40 % массы рабочего органа. На рис. 6 приве дены осциллограммы перемещения РО и тока в обмотке при k = mгр/mро=0,4, т.

е. при значительной перегрузке горной массой ВТМ. Осциллограммы показы вают, что выход колебательной системы в стационарный режим как при удар ном нагружении, так и при пуске происходит за 3…5 циклов колебаний, что существенно меньше, чем у других типов вибровозбудителей.

Следовательно, потеря скорости вибротранспортирования в этих режимах несущественна. Установлено, что увеличение технологической нагрузки при безотрывном транспортировании уменьшает резонансную частоту.

Рис. 6. Осциллограмма перемещения РО резонансной ВТМ при пуске под нагрузкой:

1 – перемещение РО;

2 – ток в обмотке двигателя С целью определения рационального режима работы ВТМ, обеспечи вающих приемлемую производительность и, как было показано ранее, безопас ную тепловую нагруженность, нами были проведены эксперименты, результа ты которых (средние значения по 4…6 опытам) приведены в табл. 3 и 4. В опытах 1-6 масса РО была равна 100 кг, а в 7-12 – 205 кг, угол вибрации 30°, угол наклона рабочего органа 2,5°.

Предварительно была определена скорость транспортирования единично го куска и горной массы при помощи киносъемки с частотой 300 кадров в се кунду.

На фотографии (рис. 7) видно, что скорость движения горной массы в «полубыстроходном» режиме не отличается от скорости движения единичных кусков, так как положение куска марганцевой руды относительно кусков грани та практически не изменялась. Поэтому дальнейшие опыты проводились с еди ничными кусками. Оценка степени эффективности выбранных режимных па раметров работы ВТМ проводилась по средней скорости движения куска (V г р, см/с), мгновенной мощности на входе в преобразователь (Р в х, Вт) и коэффи циенту энергетической эффективности (K э = Р в х /Q) (см. табл. 3).

Результаты эксперимента показывают, что рациональный относительный рабочий зазор равен 0,25. При таком рабочем зазоре ВТМ имеет приемлемую производительность и энергетическую эффективность, а также удовлетвори тельную тепловую нагруженность обмотки двигателя. В 13-й строке табл. приведены результаты перевода двигателя из режима авторезонанса в режим вынужденных колебаний. При этом относительный зазор уменьшился от 0, до 0,1, а частота увеличилась на 15 %. Двигатель был включен в течение 78 % времени цикла. Мощность двигателя возросла в 1,9 раза и составила 750 Вт, а скорость вибротранспортирования уменьшилась с 9 до 2,6 см/с, т. е. в 3 раза.

а б Рис. 7. Положение горной массы и единичных кусков в начале (а) и конце ра бочего органа (в месте выгрузки) (б) Таблица Результаты эксперимента по определению рационального рабочего зазора электромагнитного линейного двигателя № Резо- Отно- Мощ- Ток в Скорость Произ- Коэф. энерг. Ср. тепл.

п/п нансная сит. ность на об- движения води- эффектив- мощ частота рабоч. входе мотке горной тель- ности ность fр, Гц зазор Рвх, Вт J, А массы ность Рт, Вт Kэ=Р/Q, р Vгр, см/с Q, кг/с Дж/кг 1 5,55 0,166 120 18 5,2 1,04 115 70, 2 5 0,2 400 23 14,8 2,96 135 3 5,4 0,25 390 24 23 4,6 85 4 6,65 0,33 595 23 14,8 2,96 200 5 4,45 0,416 870 29,5 16,5 3,3 263 6 4,2 0,462 900 36 20 4,0 225 7 4 0,166 100 16 2,4 0,96 104 46, 8 3,33 0,2 430 21 5,2 2,08 206 9 3,0 0,25 510 24 12,5 5,0 102 10 3,2 0,33 790 27 12,5 5,0 158 11 3,2 0,462 870 36 6,5 1,3 134 12 3,2 0,416 800 29 7,5 1,5 106 13 4,5 0,1 750 17 2,6 1,0 750 В дальнейших опытах (см. табл. 4) относительный рабочий зазор в двига теле был равен 0,25.

Таблица Параметры рабочего процесса авторезонансной ВТМ с линейным электромагнитным двигателем № Рвх, Рт, f р, tдв, J, Vгр, Afр, J tдв, KА, Kэ=Р/Q, P, K э, V п/п Гц мс Вт А см/с см/с Вт мм/ Ас Дж/кг Вт Дж/кг см/с мм 1 3,85 100 390 424 16 5,5 3,4 4,6 355 341 1,6 59 0, 2 3,5 60 845 802 31 8,5 13,6 8,4 102 116 1,86 122 0, 3 3,85 65 490 451 17 15,2 18,1 6,3 134 149 1,1 51 0, 4 4,85 80 590 577 21 7,6 7,2 7,0 387 407 1,68 103 0, 5 5,15 60 740 762 26 20 19,5 9,2 148 140 1,56 125 0, 6 4,35 70 640 690 20 26 21,2 8,4 61 65 1,4 106 0, Регрессионные уравнения – зависимость мгновенной мощности ( P ) и энергетической эффективности ( K э ) от амплитуды, частоты и асимметрии ко лебаний – имеют вид:

P = -645 + 92Аfр + 266 Jtдв + 241 KА ;

(18) K э = 1439 - 98Аfр + 46,2 Jtдв - 785 KА. (19) Сводные корреляционные отношения этих уравнений: r = 0,96…0,98, что свидетельствует о наличии существенной взаимосвязи исследуемых парамет ров. Уравнения (18)-(20) справедливы для А fр = 3,5…10 см/с, Jtдв = 1…2 Ас и KА =0,6…1,0, причем меньшим значениям А fр соответствуют большие значения KА.

Для выявления влияния на скорость транспортирования коэффициента асимметрии, амплитуды и частоты при постоянном моменте включения двига теля, когда рабочий орган находится в крайнем нижнем положении, были про ведены эксперименты, результаты которых приведены в табл. 5.

Таблица Параметры рабочего процесса авторезонансной ВТМ с линейным электромагнитным двигателем № А, Аfр, Рт, Время f р, KА, Vгр, Vрасч, Jtдв, п/п мм Гц см/с мм/мм см/с см/с Вт max Ас 1 18 5,4 9,7 0,67 23 23,9 92 1,2 2 12 3,7 4,5 1,0 3,5 3,4 70 1,8 3 13 3,5 4,6 0,85 4,6 4,2 74 1,68 4 21 3,0 6,3 0,66 10,0 9,9 99 2,62 5 10 3,7 3,7 0.9 0,5 1,0 51,5 1,82 6 16 5,55 8,9 0.62 18 19,5 51 0,96 Регрессионное уравнение – зависимость скорости от амплитуды, частоты и асимметрии колебаний – имеет вид:

V = -9 + 3,4Аfр - 2,9KА. (20) Корреляционное отношение этого уравнения r = 0,98, что свидетельству ет о наличии взаимосвязи исследуемых параметров.

Уравнения (19)-(21) показывают, что с увеличением асимметрии ампли туды колебаний, скорость, следовательно, производительность ВТМ в «полу быстроходном» режиме движения горной массы растет, а мгновенная мощ ность уменьшается.

Рациональное значение коэффициента асимметрии колебаний РО нахо дится в диапазоне 0,6… 0,85. Как показали эксперименты, дальнейшее умень шение KА требует более раннего включения двигателя, что приводит к увеличе нию расхода энергии на транспортирование. Результаты эксперимента показы вают, что для обеспечения приемлемой производительности, энергетической эффективности и тепловой нагруженности произведение максимальной вели чины тока и времени его протекания (Jtдв) не должно быть больше 1…1,2 при частоте не более 5 Гц. При увеличении частоты колебаний это произведение должно пропорционально уменьшаться.

4. ВЫБОР ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ АВТОРЕЗОНАНСНЫХ ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН Для обеспечения безотрывного транспортирования горной массы при за данной производительности, т. е. скорости движения горной массы, необходи мо определить частоту (fр) и максимальную амплитуду колебаний РО.

Максимальная амплитуда колебаний РО для «полубыстроходного» ре жима движения горной массы определяется из формулы cos Amax = g (2f р )2 sin ( + ). (21) Используя программу расчета скорости вибротранспортирования, а также конкретные трибологические характеристики горной массы и принимая коэф фициент асимметрии колебаний KА = 0,7, находим скорость вибротранспорти рования (V, см/с) для = 2,5°.

При расчете грохотов скорость перемещения горной массы зависит от её гранулометрического состава.

Для обеспечения приемлемой эффективности грохочения необходимо обоснованно принимать скорость транспортирования горной массы. При «по лубыстроходном» режиме движения горной массы максимально допустимая скорость, при которой обеспечивается прохождение куска через отверстие, рав ное (0,9…0,95)d, находится из формулы [V] 0,35(gd)0,5, (22) где d – диаметр отверстия сита.

Затем определяется площадь просеивающей поверхности (S, м2) грохота из уравнения S = Q / Qу. (23) Длина просеивающей поверхности, согласно общепринятым соотноше ниям между длиной и шириной для грохотов легкого и среднего типов, опреде ляется из формулы L = (SKF)0,5, (24) где KF – отношение длины просеивающей поверхности грохота к ширине, рав ное 1,5…2,7.

По заданной производительности (Q, кг/с) находим массу груза на рабо чем органе (mгр), массу самого РО (mро):

mгр = QL / Vгр, (25) где L – длина транспортирующей поверхности РО, см.

Так как технологическая нагрузка обычно составляет 20 % от массы РО, то её (mро, кг) для грохотов легкого типа можно определить из уравнения mро = 5mгр. (26) При реостатном регулировании тока двигателя необходимая мощность на входе в систему «преобразователь-двигатель» находится, согласно рекоменда циям, изложенным в главе 3, по формуле Рвх = KэQ. (27) По принятой частоте колебаний и массе рабочего органа определяется приведенная суммарная жесткость опор С П = (2f р ) 2 m р о. (28) По заданной амплитуде (А) колебаний находится максимальное тяговое усилие в конце хода РО:

Fт = 1,2АС П. (29) Используя тяговые характеристики линейного двигателя (см. глава 3 дис сертации), определяют: намагничивающую силу, число витков обмотки, сопро тивление обмотки. Максимально допустимый ток обмотки двигателя опреде лим из формулы Jд = (Kt Ртд / R0)0,5, (30) где Kt – отношение периода колебаний РО к времени протекания максимально го тока.

Для линейных электромагнитных двигателей без дополнительного обдува воздухом допустимую тепловую мощность можно определить из уравнения Ртд = тпFt, (31) где тп – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 K);

F – площадь теплоотдачи, м2.

Расчетная тепловая мощность уточняется после определения его геомет рических параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации дано новое решение актуальной научно-практической за дачи повышения эффективности работы авторезонансных вибропитателей грохотов на основе выбора рациональных режимных и конструктивных пара метров ВТМ, обеспечивающих повышение производительности и снижение энергоемкости вибротранспортирования горной массы.

1. Разработана математическая модель движения рабочего органа резо нансного питателя-грохота с нелинейным силовым воздействием. Установлено, что величина амплитуды колебаний при ходе рабочего органа вперед и, соот ветственно, коэффициент асимметрии колебаний зависят: от величины рабоче го зазора, времени действия движущего усилия, величины смещения фазы дви жущего усилия относительно фазы колебаний рабочего органа, закона измене ния тягового усилия, величины относительного зазора.

2. Для обеспечения приемлемых производительности и энергетической эффективности резонансной ВТМ, а также безопасного теплового режима ра боты относительный рабочий зазор р должен быть 0,25, коэффициент асим метрии колебаний 0,6… 0,85. Относительный рабочий зазор меньше 0,1 приво дит к увеличению частоты колебаний, снижению амплитуды и повышению энергоемкости процесса транспортирования горной массы. Увеличение относи тельного зазора больше 0,3 приводит к повышению энергоемкости.

3. Для горизонтально расположенного рабочего органа изменение коэф фициента асимметрии колебаний с 1 до 0,6 приводит к возрастанию скорости вибротранспортирования и, соответственно, производительности резонансной ВТМ при прочих равных условиях на 10…30 %. Дальнейшее уменьшение ко эффициента асимметрии не приводит к заметному росту скорости, так как ку сок перестает скользить по рабочему органу назад.

4. Частота колебаний при постоянном рабочем зазоре электромагнитного двигателя зависит от положения рабочего органа и, соответственно, якоря в момент включения. Чем ближе РО к положению равновесия, тем меньше время хода РО назад, тем выше частота колебаний. При включении двигателя в мо мент, когда РО движется вниз и подходит к положению статического равнове сия, резонансные колебания переходят в вынужденные с большей частотой и в 1,5…2 раза большими энергозатратами.

5. Увеличение относительной технологической нагрузки свыше 0,2 при водит к снижению частоты колебаний и, соответственно, увеличению длитель ности включения двигателя, что повышает расход энергии на транспортирова ние горной массы.

6. Возвращение колебательной системы в стационарный режим как при ударном нагружении, так и при пуске под нагрузкой происходит за 3…5 циклов колебаний. Наиболее опасным случаем нагружения упругих опор резонансной ВТМ является попутный удар – падение куска горной массы на рабочий орган, движущийся вниз в момент прохождения им положения статического равнове сия.

7. Мощность электромагнитного двигателя резонансной ВТМ возрастает с увеличением относительного зазора. При этом скорость вибротранспортиро вания горной массы и, соответственно, производительность при прочих равных условиях нелинейно уменьшается. Включение линейного двигателя в момент нахождения РО в заднем положении при постоянном моменте выключения приводит к уменьшению потребления энергии в 1,5 раза и увеличению произ водительности на 25 % по сравнению с включением двигателя в тот момент, когда РО движется вниз и проходит положение равновесия.

8. Уточненная имитационная модель движения куска с достаточной сте пенью точности определяет скорость вибротранспортирования и, соответствен но, производительность резонансных ВТМ с несимметричными колебаниями при случайном изменении коэффициентов кинематического и статического трения горных пород.

Публикации по теме диссертации Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК 1. Параметры вибротранспортирования горной массы в резонансном питателе с квазигармоническими колебаниями рабочего органа / Д. Н. Суслов, В. А. Мальцев, А. А. Чиркова, А. И. Афанасьев // Известия вузов. Горный жур нал. 2011. №5. С. 77-81.

2. Суслов Д. Н., Афанасьев А. И., Косенко Е. А. Рациональный режим ра боты резонансных вибротранспортных машин с линейным электромагнитным вибровозбудителем // Горное оборудование и электромеханика. 2011. №11.

С. 27-30.

3. Суслов Д. Н., Афанасьев А. И., Косенко Е. А. Результаты и методика те пловых испытаний линейного двигателя грохота // Известия вузов. Горный журнал. 2011. №5. С. 106-109.

4. Математическая модель вибротранспортной машины с асимметрич ными колебаниями рабочего органа / Д. Н. Суслов, А. И. Афанасьев, Ю. М. Ка заков, В. И. Саитов // Известия вузов. Горный журнал. 2012. №1. С. 87-89.

5. Суслов Д. Н., Афанасьев А. И. Режимные параметры авторезонансного вибропитателя с линейным двигателем // Новые огнеупоры. 2012. №2. С. 17-21.

6. Суслов Д. Н. Аналитическая модель питателя-грохота с нелинейным силовым воздействием // Известия вузов. Горный журнал. 2012. №1. С. 93-96.

Работа, опубликованная в другом издании 7. Суслов Д. Н., Афанасьев А. И., Косенко Е. А. Переходный процесс в ав торезонансном питателе: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф.: Транспорт ХХI века: исследования, инновации, инфраструктура. Выпуск 97 // (URL WWW.

USURT.RU.). Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2011. С. 704-708.

Подписано в печать 16.01.2012 г.

Бумага офсетная. Формат 60х84 1/16. Печать на ризографе Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.