Разработка вибрационной транспортирующей машины с импульсным резонансным приводом

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Предмет исследования - р Идея работы Методы исследования Научные положения, выносимые на защиту Научная ценность Практическая ценность Реализация результатов. Апробация работы. Объем и структура работы. Основное содержание работы Математическая модель ВТМ Z) и изменения движущего усилия (F Z1 из уравнение (5) определяем время t Zб, решив уравнение (13) относительно t Sг0– координата груза в момент отрыва; V F2 и, соответственно, энергия (E Рациональные значения координат (Z Комплексный критерий эффективности рабочего процесса ВТМ. Критерий энергетической эффективности ВТМ ... Полное содержание

Подобный материал:

• Машины с электрическим приводом, 61.22kb.
• Разработка программы с использованием машины Поста (машины Тьюринга). Анализ современных, 17.6kb.
• Тема: Элементы машиноведение. Швейные машины с ручным приводом, 63.39kb.
• Технологические машины и оборудование, 7.35kb.
• Программа вступительного экзамена в магистратуру по специальности 6М080600 аграрная, 36kb.
• Аренда авто в Австралии, 54.05kb.
• Лифты Общие требования безопасности к устройству и установке Lifts, 4056.38kb.
• Моделирование и разработка методов расчета процессов теплопередачи в кристаллизаторе, 251.19kb.
• Программа дисциплины по кафедре "Cтроительные и дорожные машины " cпасательная техника, 440.32kb.
• Программа дисциплины по кафедре "Cтроительные и дорожные машины " машины и оборудование, 292.86kb.

На правах рукописи


Братыгин Евгений Владимирович


Разработка вибрационной транспортирующей

машины с импульсным резонансным приводом


Специальность 05.05.06 - «Горные машины»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук


ЕКАТЕРИНБУРГ

2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет».


Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор А.И. Афанасьев


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.Г. Кожушко

кандидат технических наук, доцент В.М. Таугер


Ведущая организация - ОАО «Научно исследовательский и проектно–конструкторский институт асбестовой промышленности»


Защита состоится 30 ноября 2006 г. в 10 часов на заседании дис- сертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО “Уральский государственный горный университет” по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, зал заседаний Ученого совета


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “Уральский государственный горный университет”.


Автореферат разослан «…» октября 2006 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета М.Л.Хазин


Общая характеристика работы

Актуальность. Развитие горнодобывающих предприятий в условиях современного рынка неразрывно связано с совершенствованием технологических процессов. Существенный вклад в общую эффективность горного производства вносит технологический процесс классификации горной массы, осуществляемый вибротранспортными машинами (ВТМ).

В настоящее время наибольшее распространение получили ВТМ инерционного типа, работающие в зарезонансном режиме. Инерционный способ возбуждения колебаний имеет ряд недостатков. Главными из них являются: относительно большие энергозатраты, недостаточная долговечность элементов трансмиссии (подшипниковых узлов), а также перегрузки двигателя в пусковом режиме. В другом, широко распространенном классе ВТМ – питателях, часто используется электромагнитный привод, который является более работоспособным по сравнению с инерционным, так как в нем отсутствуют подшипниковые узлы. Однако применение такого привода в грохотах осложняется тем, что он практически не может создавать колебания с амплитудой более 1-2 мм. При таких амплитудах обеспечить требуемую эффективность грохочения весьма затруднительно.

Одним из путей уменьшения энергопотребления может быть работа ВТМ в резонансном режиме. Однако известные резонансные машины не получили широкого распространения из-за отсутствия систем с автоматическим поддержанием резонанса при изменениях параметров динамической системы.

В связи с этим работы, направленные на создание резонансной ВТМ, обеспечивающей значительное снижение удельных затрат энергии при классификации и вибротранспортировании горной массы, являются актуальными.

Предмет исследования - рабочий процесс резонансных вибротранспортных машин.

Объект исследования - резонансные вибротранспортные машины с импульсным линейным двигателем.

Цель работы – повышение эффективности работы вибрационных транспортных машин резонансного типа за счет разработки импульсного привода с векторным управлением.

Идея работы заключается в снижении энергозатрат на классификацию и вибротранспортирование горной массы ВТМ резонансного типа за счет подачи в динамическую систему в определенный момент времени дозированного по величине движущего импульса.

Методы исследования: экспериментальные исследования на физических моделях ВТМ, основанные на стандартных методах измерений с использованием измерительной аппаратуры; методы анализа и синтеза, математическое моделирование, методы математической статистики и теории вероятности.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Обеспечение стабильной работы вибрационной машины в резонансном режиме возможно при применении в качестве привода импульсного магнитоиндукционного двигателя с накопителем энергии и обратной связью по положению рабочего органа.
   
2. Энергопотребление при работе резонансной ВТМ зависит от соотношения конструктивных и режимных параметров импульсного двигателя и позволяет осуществить частичный возврат энергии в колебательную систему.
   
3. Оценку совершенства режимных и конструктивных параметров ВТМ целесообразно проводить по комплексному критерию эффективности – отношению произведения скорости и массы транспортируемого груза к произведению массы рабочего органа и потребляемой мощности.
   

Научная ценность работы заключается в выявлении взаимосвязи энергопотребления и параметров вибрации рабочего органа, а также разработке комплексного критерия эффективности ВТМ.

Практическая ценность диссертации состоит в обосновании методики расчета вибрационных машин резонансного типа с импульсным двигателем, а также в разработке рациональной конструкции этих ВТМ.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций обоснована использованием фундаментальных положений теории вероятности, применением корректных методов математического и физического моделирования, апробированными методами экспериментальных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, относительное расхождение которых не превышает 10...15 %.

Реализация результатов. Результаты работы были использованы при проектировании резонансной отсадочной машины, резонансного вибрационного уплотнителя для уплотнения компонентов плавки лигатуры, резонансного грохота легкого типа для классификации тонкодисперсных материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные части докладывались на конференциях: «Неделя горняка - 2003» г. Москва, 2003 г.; «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», г. Екатеринбург, УГГУ, 2003, 2004, 2005, 2006 гг.; “II Международная научно-техническая конференция «Чтения памяти В.Р. Кубачека»”, г. Екатеринбург, 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах международных конференций, в том числе одна в издании из списка ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 80 наименований, содержит 154 страницы текста, 31 рисунок и 24 таблицы.


Основное содержание работы

1. Состояние вопроса и задачи исследования
   

Вибротранспортные машины широко применяются при обогащении полезных ископаемых, в перегрузочных системах открытых горных работ, строительстве и т. д. В настоящее время, в связи с относительно высокой стоимостью электроэнергии, энергопотребление установок для грохочения и питания становится одним из важнейших параметров, определяющих эффективность использования этих машин. Изучению процессов, связанных с вибротранспортированием, посвящены работы Блехмана И. И., Гончаревича И. Ф., Крюкова Б. И., Крюкова А. А., Мальцева В. А., Пановко Я. Г., Повидайло В. А., Потураева В. Н., Спиваковского А. О., Червоненко А. Г., Юдина А. В. и многих других известных ученых.

В настоящее время наибольшее распространение получили вибрационные машины, работающие в зарезонансном режиме. При работе в этом режиме часть энергии привода расходуется на так называемое «динамическое гашение».

При работе в резонансном режиме динамическое гашение отсутствует. В связи с этим для работы в резонансном режиме вибрационной машине требуется, при прочих равных условиях, существенно меньше энергии. Опыт эксплуатации резонансных ВТМ, разработанных в середине ХХ века, подтверждает это. Однако эти машины не получили широкого распространения. В числе причин этого можно назвать относительно большую по сравнению с зарезонансными (в 2…4 раза) массу рабочего органа резонансных машин и нестабильность работы при изменении массы груза на рабочем органе. Оба эти недостатка вытекают из принципа возбуждения колебаний. В известных резонансных вибрационных машинах используются вибровозбудители с постоянной частотой возбуждающего воздействия. Они предварительно настраиваются на рабочую частоту, близкую к резонансной. При изменении параметров колебаний может происходить выход из «полосы пропускания» и, как следствие, снижение амплитуды колебаний. Уменьшение амплитуды колебаний приводит к снижению показателей технологического процесса (скорости транспортирования и эффективности грохочения). Такое изменение частоты колебаний возможно, например, при изменении массы груза, находящегося на рабочем органе или при попадании на рабочий орган крупного куска груза.

Одним из путей надежного поддержания работы ВТМ в резонансной зоне является применение обратной связи в системе управления приводом, обеспечивающей изменение частоты возбуждающего воздействия при изменении резонансной частоты. Изменение частоты вынуждающего воздействия необходимо проводить за время, сопоставимое с периодом собственных колебаний, иначе управляющее воздействие будет запаздывать и резонанс не будет достигнут. Анализ конструкций приводов, применяемых в известных ВТМ, показывает, что они практически не способны обеспечить необходимое время реагирования.

Нами был разработан привод, основой которого является импульсный магнитоиндукционный линейный двигатель. Работа вибрационных машин с импульсным возбуждением колебаний освещена в известной литературе недостаточно полно. В связи с этим была поставлена задача установить закономерности, существующие между параметрами движущих импульсов двигателя и движением рабочего органа.

2. Математическая модель ВТМ
   

Анализ функций, выполняемых приводом, позволил сформировать функциональную модель разрабатываемой вибрационной машины, представленную на рис. 1.




На базе этой структурной схемы был разработан и создан преобразователь энергии, который позволяет подавать движущие импульсы в систему в соответствующий момент при любой частоте собственных колебаний рабочего органа.

Важным показателем эффективности работы любой машины является потребление энергии. В ВТМ энергия расходуется на компенсацию потерь в упругих элементах подвески (демпфирование), потери в механизмах привода и при перемещении груза.

По нашим исследованиям, уменьшение амплитуды собственных колебаний физической модели ВТМ с плоскими пружинами до нуля происходит за 10…20 циклов, что соответствует коэффициенту демпфирования (ψ), равному 0,05…0,10. Для поддержания стабильной амплитуды колебаний величину импульса (F₁, Н*с), развиваемого двигателем, можно определить по формуле


, (1)


где ─ амплитуда резонансных колебаний, м;

с ─ приведенная жесткость подвески рабочего органа (РО), Н/м; m ─приведенная масса рабочего органа и транспортируемого, кг.

Энергия, необходимая для компенсации конструкционного демпфирования, находится из формулы

. (2)

Эквивалентную расчетную схему резонансной вибрационной машины с одним рабочим органом (РО) и массивным фундаментом можно представить в виде одномассовой динамической системы (рис. 2).


z


Для обеспечения на низких частотах движения груза с отрывом от РО резонансная машина снабжается ограничителем хода, имеющим соответствующий коэффициент жесткости (с_б).

Движущее усилие F прикладывается к центру тяжести рабочего органа.

На рис. 3 приведен график перемещения центра тяжести рабочего органа ( Z) и изменения движущего усилия (F, H). В начальный момент времени (t=0) рабочий орган неподвижен (V=0) и отклонен от положения статического равновесия на расстояние Z(0)=Z₀. Когда рабочий орган находится в точке Z₁ (Z(t₁)=Z₁), начинает действовать движущее усилие. Нарастание силы от нуля до F_a происходит в течение времени t_н=t₂ – t₁ . За это время рабочий орган достигает координаты Z₂ (Z(t₂)=Z₂). Затем происходит уменьшение движущего усилия на участке t₂≤t≤t₃. Далее рабочий орган совершает свободное движение до встречи с упругим буфером в точке Z_б. На участке t₄ ≤t≤ t₅ рабочий орган движется вместе с ограничителем колебаний, а затем при t>t₅ совершает свободные колебания.




Уравнения движения РО записываются на каждом этапе в соответствующем виде:

Первый этап движения РО 0<t≤ t₁:

; (3)

, (4)

где частота затухающих колебаний , с^-1;

K – коэффициент затухания , с^-1;

- циклическая частота свободных незатухающих колебаний, рад/с;

С₁ и С₂ – константы, определяющиеся из начальных условий.


Скорость движения центра тяжести рабочего органа находится из уравнения

. (5)

По известной координате Z₁ из уравнение (5) определяем время t₁, а затем определим скорость движения РО в конце первого этапа.

Второй этап движения рабочего органа t₁≤t≤t₂.

Когда рабочий орган находится в точке Z=Z₁, двигатель начинает подавать движущий импульс. Экспериментальные исследования показали, что импульс силы в первом приближении может быть принят треугольным. Движение рабочего органа на этом этапе описывается дифференциальным уравнением:


, (6)

где – время нарастания силы, определяемое электромеханическими параметрами двигателя и преобразователя энергии.

Воспользовавшись конечными условиями первого этапа, находим координату (Z₂) и скорость (V₂) в конце второго этапа.

Третий этап движения РО t₂≤t≤t₃.

Аналогично второму этапу рабочий орган движется под действием движущей силы F(t), уменьшающейся до нуля. Длительность участка определяется как , где длительность импульса.

Дифференциальное уравнение движения рабочего органа на этом участке аналогично уравнению (6)

. (7)

Решение уравнения (7) имеет вид

(8)

Скорость движения РО находится из уравнения

(9)

Используя начальные условия третьего этапа, находим постоянные интегрирования, а затем конечные условия третьего этапа.

Четвертый этап движения РО t₃≤t≤t₄.

На четвертом этапе рабочий орган совершает свободные колебания. Дифференциальное уравнение движения рабочего органа на этом этапе аналогично уравнению (3). Окончание четвертого этапа происходит в момент встречи рабочего органа с упругим ограничителем, когда координата Z=Z_б. Время окончания этого этапа (t₄) можно определить из уравнения

. (10)

Определив t₄, можно вычислить скорость рабочего органа в момент встречи с упругим ограничителем:

(11)

Пятый этап движения рабочего органа t₄≤t≤t₅.

Дифференциальное уравнение движения рабочего органа записывается в следующем виде:

, (12)

где K_б – коэффициент затухания в упругих элементах ограничителя;

– циклическая частота колебаний рабочего органа на упругих элементах ограничителя.

Общее решение уравнения (12) будет иметь вид

(13)

Скорость движения рабочего органа определяется из уравнения

(14)

Момент отхода рабочего органа от упругого ограничителя можно найти из условия Z= Z_б, решив уравнение (13) относительно t. Конечные условия пятого этапа: t=t₅, Z=Z₅, V=V₅.

Шестой этап движения РО t₅≤t≤t₆.

На шестом этапе рабочий орган продолжает свободное движение. Начальными условиями для шестого этапа служат: Z=Z₅, V=V₅. Окончание периода колебаний можно определить, приравняв к нулю скорость рабочего органа.

Время начала свободного движения груза (t_от) находится из условия (вертикальная составляющая ускорения груза равна сумме ускорений от сил, удерживающих груз на РО)

(15)

Так как скорость полета груза относительно небольшая, действием силы сопротивления воздуха можно пренебречь. С учетом этого допущения движение материала можно считать равнозамедленным с ускорением , тогда уравнение движения груза можно представить в виде:

, (16)

где S_г0– координата груза в момент отрыва;

V_г0– скорость груза в момент отрыва.

Возврат груза на рабочий орган происходит на шестом этапе – после отрыва рабочего органа от упругого ограничителя.

В момент начала шестого этапа координата груза

. (17)

Скорость груза находится из формулы

_. (18)

Момент падения груза на рабочий орган определяется из условия равенства координат РО и груза:

. (19)

Увеличение движущего импульса и (или) коэффициента жесткости упругого ограничителя приводит к возрастанию начальной скорости при отрыве груза и соответственно времени полета. При этом встреча рабочего органа с грузом может произойти при движении первого вверх. Кинетическая энергия груза пойдет на “торможение” рабочего органа, что является весьма нерациональным.

Параметры динамической системы должны быть подобраны таким образом, чтобы встреча рабочего органа с грузом произошла при движении их в одну сторону (вниз). Наибольший возврат энергии в колебательную систему происходит при встрече груза с РО в нижней точке траектории последнего. При отсутствии упругого ограничителя такой режим достигается при факторе режима, равном 1,66. Упругий ограничитель, установленный таким образом, чтобы контакт РО с ним Z_б=Аain(φ_б), φ_б=60⁰ (А – амплитуда колебаний без ограничителя), позволяет снизить эту амплитуду на 30 %.

На основании закона сохранения количества движения и основного закона динамики величина движущего импульса F₂ и, соответственно, энергия (E₂), возвращаемая в систему, находятся из формул:

; (20)

. (21)

Величина импульса, необходимая для подъема материала на высоту (Z_аsin(φ₀-Z₁)), находится из уравнения

, (22)

где ─ координата РО при ударе об него материала.

Если материал на РО скользит только вперед, то импульс силы трения можно определить из уравнения

, (23)

где ─ разность скоростей между материалом и рабочим органом в горизонтальной плоскости.

Таким образом, мощность импульсного двигателя в Вт находится из формулы

, (24)

где ─ частота собственных колебаний ВТМ, Гц.

Скорость движения груза по рабочему органу определяется по формуле

. (25)

Анализ параметров формулы (25) показывает, что отношение энергии, возвращаемой в систему, к потребляемой, для относительной нагрузки (m_гр/m_ро=0,1…0,5) и частоты 4…5 Гц лежит в пределах 6…20 %. Таким образом, определив рациональные параметры режима вибрации, возможно снизить общие энергозатраты на работу ВТМ.

Важным параметром режима работы ВТМ с импульсным приводом является координата положения рабочего органа (Z₁), в которой начинает действовать движущее усилие. На имитационной модели были определены амплитуды при различных координатах положения рабочего органа в момент начала движущего импульса. В таблице 1 приведены рациональные координаты положения РО в начале подачи движущего импульса.

Таблица 1

Рациональные значения координат (Z₁) положения РО в момент начала движущего импульса

№ п.п.	Частота собственных колебаний f, Гц	Координата Z1, мм
		длительность импульса, с
		0,01	0,02	0,03	0,04	0,05
1	4	-3	-7	-10	-13	-14
2	5	-3	-5	-8	-10	-12
3	6	-2	-4	-6	-8	-10
4	7	-2	-4	-5	-7	-8
5	8	-2	-3	-4	-6	-6

Анализ результатов, приведенных в таблице 1, показывает, что с увеличением частоты собственных колебаний динамической системы при постоянной длительности импульса последний должен подаваться ближе к положению равновесия рабочего органа. При увеличении длительности импульса при постоянной частоте координата положения РО в момент начала движущего импульса должна увеличиваться.

Комплексный критерий эффективности рабочего процесса ВТМ.

В таблице 2 приведены значения производительности ( Q, т/с), длины рабочего органа ВТМ (L, м), мощности двигателя (P, кВт), массы рабочего органа (m_ро , кг) и рассчитанные нами величины критерия энергетической эффективности (К_э ,т м/ с кВт).

Критерий энергетической эффективности находился из формулы

К_э = Vm_гр /P = Q L /P , (26)

где V – скорость транспортирования горной массы, м/с,

m_гр - масса груза, находящегося на рабочем органе, т.


Таблица 2

Критерий энергетической эффективности ВТМ

№ п.п.	Марки ВТМ	Q, Т/с	L, м	P, кВт	mро, т
1	2	3	4	5	6	7	8
1	ГСТ 71со	0,125	5,82	37	11,7	19,7	16,8
2	ГСТ -81Р	0,55	6,2	22	15,6	155	99,4
3	ГИС-62Г	0,028	5	15	3,5	9,33	26,7
4	ГИТ -54Н	0,28	3,5	22	7	44,5	63,6
5	ГСТ-42	0,025	3	4	2,55	18,7	73,5

Продолжение таблицы 2

1	2	3	4	5	6	7	8
6	ГСТ-72	0,28	6	37	14,3	45,4	31,8
7	ГСТ-72М	0,28	6	44	17,4	38,2	21,9
8	ГВК -1	0,16	1,5	4,5	3,6	53,3	148
9	ПТ	0,69	4,96	44	14,5	77,8	53,6
10	ПВГ-1,2/5,7	0,166	5,7	17	3,08	55,7	20,0
11	ГПТ-1А	0,69	6	64	22	64,7	29,4
12	ГСТ61	0,139	5	30	6,0	23,4	39
13	ГПКТ-72У	0,278	7,2	44	16,0	45,5	28,5
14	ГСТ-31	0,03	2,8	6	0,95	14,0	148
15	ГСТ-41	0,044	4	6	1,6	29,3	163
16	ГИЛ52	0,047	4,65	15	3,5	14,6	54
17	ГИЛ53	0,055	4,65	15	3,2	17,1	53
18	ГИЛ62	0,069	4,65	15	3,2	21,4	67
19	ГИЛ62М	0,03	5	15	2,9	10,0	34

Анализ приведенных в таблице 2 данных показывает, что для рассматриваемых ВТМ при равной производительности и существенно разных (на 65…70 %, например ГИТ-54Н и ГСТ-72) мощностей двигателя значения критерия энергетической эффективности практически не отличаются друг от друга.

Мощности двигателей грохотов ГСТ-41 и ГСТ-31 равны, производительности отличаются в 1,5 раза, а критерий энергетической эффективности - в 2,1 раза. Это объясняется тем, что энергоемкость процесса транспортирования зависит от многих факторов, в том числе и от конструктивных параметров ВТМ: угла наклона рабочего органа, угла вибрации, амплитуды и частоты колебаний, массы рабочего органа и его конструктивного исполнения. Поэтому предложенный критерий не всегда объективно оценивает энергетическую эффективность работы ВТМ. Для оценки эффективности работы ВТМ с различными типами приводов в энергетическом критерии, по нашему мнению, следует использовать не массу транспортируемого груза, а отношение этой массы к массе рабочего органа, т.е. относительную нагрузку

К_э = Vm_гр /(Pm_ро) , (27)

где m_гр /m_ро – относительная нагрузка ВТМ.

Этот критерий (К_э) можно назвать комплексным критерием эффективности работы. Он позволяет оценивать не только энергетическую эффективность работы ВТМ, но и её конструктивное совершенство. Введение в известный критерий нового параметра – массы рабочего органа позволяет сравнить затраты на изготовление и эксплуатацию ВТМ различных конструкций. Полученный критерий эффективности работы ВТМ является частным критерием общего – минимума приведенных затрат, так как он учитывает затраты на изготовление и часть затрат на эксплуатацию (затраты на энергию), которые, при прочих равных условиях, прямо пропорциональны массе рабочего органа.

3. Исследования на физической модели
   

Для проверки достоверности разработанных математических моделей были произведены экспериментальные исследования на трех  экспериментальных стендах (физических моделях вибротранспортных машин). Фотография одной из этих моделей представлена на рис. 4.





Рис. 4. Общий вид экспериментальной ВТМ


Длительность и величина движущего импульса регулировались путем изменения параметров обмотки и величины емкости и напряжения заряда конденсаторной батареи.

В ходе эксперимента  фиксировались: сила  тока в обмотке, начальное напряжение конденсаторной батареи, отклонение рабочего органа от положения равновесия, частота собственных колебаний, положение якоря в момент начала протекания  тока в обмотке. Для замера этих параметров использовались соответствующие средства измерения, прошедшие поверку и тарировку. Для обеспечения необходимой точности измерений каждый опыт и, соответственно, замеры параметров проводились несколько раз.   Количество опытов зависело от величины тренда измеряемого параметра. Если относительный разброс измеряемой величины не превышал 10 %, то число опытов в каждой точке принималось равным 5…8. Для большей величины относительного отклонения число опытов в каждой точке увеличивалось до такой величины, которая при надежности 0,95 обеспечивала необходимую точность инженерных расчетов.  

Экспериментально была определена скорость при амплитуде колебаний 24 мм и угле вибрации 30⁰, которая составила 0,37 м/c. Теоретическое значение скорости транспортирования, рассчитанное по формуле (26), составило 0,4 м/c. Расхождение между величиной экспериментально определенной скорости движения груза и скоростью, рассчитанной по математической модели, составило менее 10 %.

С целью определения рациональной  величины относительной загрузки рабочего органа, обеспечивающей  максимальное значение критерия энергетической эффективности, были проведены эксперименты при различных относительных загрузках. Опыты проводились на различных породах и единичных грузах: сером граните, марганцевой руде, медно-цинковой руде, мраморной крошке, чистом песке и песке с примесью суглинка.

В результате испытаний установлено, что время разгона системы (время пуска) до резонанса зависит от величины горной массы, находящейся на рабочем органе, и составляет 0,2…0,5 с. Во время работы, при относительно быстром изменении нагрузки на рабочий орган, амплитуда сначала уменьшается, а затем за 2…5 колебаний увеличивается до другого установившегося значения.



Рис. 5. Зависимость критерия энергетической эффективности от относительной нагрузки рабочего органа:

1 – энергия единичного импульса 29,6 Дж; 2 – энергия единичного импульса 23,4 Дж


На рис. 5 приведены зависимости критерия энергетической эффективности работы ВТМ (mро V/P) от степени нагрузки рабочего органа (mгр /mро ). Из графиков видно, что относительно небольшая нагрузка рабочего органа (mгр /mро <0,15) приводит к значительному снижению эффективности работы ВТМ. Энергопотребление ВТМ в этом режиме работы относительно велико, а производительность незначительна. Для обеспечения рациональных значений критерия энергетической эффективности нагрузка рабочего органа должна находиться в пределах 0,2…0,5. Увеличение относительной массы более 0,5 повышает нагруженность основных элементов ВТМ, что несомненно повлияет на их долговечность.

Эксперименты показали, что поддерживать заданную скорость транспортирования при возрастании нагрузки и, соответственно, снижении резонансной частоты целесообразно путем увеличения амплитуды колебаний за счет увеличения энергии единичного импульса. Это видно из графиков, приведенных на рис. 6. Увеличение энергии единичного импульса приводит к существенному возрастанию производительности ВТМ. При относительно небольшой нагрузке (см. кривые 1 и 5) увеличение энергии единичного импульса неэффективно, так как рост производительности сравнительно невысокий, а амплитуда колебаний рабочего органа ограничивается из условий работоспособности опор по критерию усталостной прочности.

Одним из эффективных путей снижения энергоемкости работы ВТМ резонансного типа является подача движущих импульсов через один период. Такой режим работы ВТМ можно осуществить, если затраты энергии на


1


2


3


45


P, Вт


Рис. 6. Зависимость скорости транспортирования от мощности двигателя ВТМ резонансного типа:

относительная нагрузка на рабочий орган: 1 – 0,048; 2 –0,31; 3 – 0,44; 4 – 0,75; 5 – 0,104


транспортирование материала и потери энергии в упругих элементах и соединениях относительно небольшие (не более 10…15 %). При этом величина движущего импульса должна обеспечивать возрастание амплитуды колебаний рабочего органа до заданного уровня, обеспечивающего требуемую производительность ВТМ.

На опытных установках был проверен такой режим работы ВТМ. При резонансной частоте колебаний рабочего органа, равной 5,1 Гц, была установлена частота движущих импульсов, равная 2,55 Гц, с энергией 29,6 Дж . Скорость транспортирования горной массы с 35 см/с уменьшилась до 20 см/с, затраты энергии снизились в 2 раза, а комплексный показатель эффективности ВТМ возрос на 14 %.

4. Методика расчета основных параметров резонансных ВТМ
   

В четвертой главе приведена методика выбора основных параметров вибрационной машины с импульсным приводом. Исходными данными яв-ляются: производительность (Q, кг/ч), или удельная производительность (q, кг/(м²с)), средний диаметр куска материала, угол наклона рабочего органа к горизонту (α), плотность материала (γ, кг/м³) и частота колебаний (f₀).

По этим данным рассчитываются ширина (В) и длина (L) рабочего органа, находится необходимая скорость движения груза ( V_ср), определяется масса груза, находящегося на РО. По массе груза определяется эквивалентная жесткость (с) основной подвески. Выбирается угол вибрации (β). Из расчета максимального возврата энергии в колебательную систему при попадании на рабочий органа груза определяется амплитуда колебаний РО (А). Определяется скорость движения груза (V). Если скорость меньше необходимой, производится корректировка угла вибрации (β) и повторяется расчет амплитуды и скорости. Затем рассчитывается энергия, затрачиваемая на преодоление внутреннего трения в подвеске, на поднятие и подбрасывание груза и энергию, возвращаемую в систему, а также мощность, необходимая для транспортирования груза, и мощность импульсного двигателя. Определяется максимальная нагрузка на основание в вертикальном и горизонтальном направлениях. По условию покоя основания рассчитывается масса рамы.

Алгоритм расчета представлен на рис. 7.

По приведенной методике разработан и изготовлен резонансный виброгрохот с импульсным приводом предназначенный для сухого разделения сыпучих материалов. Его основные характеристики поведены ниже:

Крупность материала, мм	0,1-30
Производительность (в зависимости от крупности), т/ч	0,12 – 50
Угол наклона, град	5-15
Количество сит, шт	2
Мощность двигателя, кВт	0,27
Габаритные размеры, мм
длинна	1500
ширина	600
Масса рабочего органа, кг	100

Рис. 7. Алгоритм выбора основных параметров ВТМ

Заключение

В диссертации, являющейся научно-исследовательской работой, на основе выполненных автором исследований решена актуальная научная и практическая задача разработки вибрационной транспортной машины с импульсным резонансным приводом, обеспечивающим существенное повышение эффективности работы.

Основные практические рекомендации и научные выводы заключаются в следующем:

1. Резонансные ВТМ имеют при прочих равных условиях существенно меньшие (в 2…5 раз) затраты энергии и более легкий рабочий орган, чем зарезонансные машины.
   
2. Экспериментально установлено, что наибольшая эффективность работы резонансной ВТМ достигается при относительной нагрузке рабочего органа, равной 0,2…0,5.
   
3. Импульсный привод ВТМ с системой управления, учитывающей положение рабочего органа, обеспечивает стабильное поддержание резонанса при изменении технологической нагрузки в 1,5…2 раза от номинальной.
   
4. Установлено, что время начала подачи движущего импульса и его длительность зависят от собственной частоты и амплитуды колебаний динамической системы. Начало подачи импульса должно осуществляться тогда, когда рабочий орган не дошел до положения равновесия на расстояние (3…16) мм.
   
5. При относительно небольшом затухании колебаний динамической системы ВТМ движущие импульсы целесообразно подавать через один цикл колебаний, т.е. поддерживать квазирезонансный режим колебаний.
   
6. Разработан комплексный критерий эффективности и степени совершенства ВТМ - отношение произведения скорости транспортирования и массы груза к произведению мощности и массы рабочего органа. Установлено, что величина этого критерия у предлагаемого резонансного грохота на порядок больше, чем у зарезонансных грохотов.
   
7. Эффективность грохочения мелких классов -0,1 у резонансного грохота доходит до 98 %, что существенно больше, чем у аналогичных по размерам и производительности грохотов легкого типа (ГВЛ-500, ГИЛ-051 и т. п.).
   
8. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность теоретических выводов. Относительная ошибка теоретических исследований не превышает 10 %.
   

Публикации по теме диссертации


Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном

журнале, входящем в перечень ВАК

1. Братыгин Е. В. Исследования рабочего процесса вибротранспортной машины резонансного типа / Братыгин Е. В., Афанасьев А. И. // Известия вузов. Горный журнал. – 2005 – №. 6 . Екатеринбург. – С. 112-114.
   

Статьи, опубликованные в материалах конференций и других журналах

2. Братыгин Е. В. Комплексный критерий эффективности рабочего процесса вибротранспортных машин / Братыгин Е. В., Афанасьев А. И., Чиркова А. А. //Проблемы карьерного транспорта: Материалы VIII Международной научно-практической конференции., г. Екатеринбург. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005.– С. 48-52.
   
3. Братыгин Е. В. Кинетика движения сыпучего материала в импульсном резонансном питателе-грохоте / Братыгин Е. В., Афанасьев А. И., Ляпцев С. А., Попов А. Г. // Научные основы переработки руд и технологического сырья: Материалы международной научно-технической конференции, 18-21 июня 2003 г., г. Екатеринбург. – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003.- С. 410-413.
   
4. Братыгин Е. В. Исследование режимов работы вибротранспортных машин резонансного типа на физической модели / Братыгин Е. В., Афанасьев А. И. // Научные основы переработки руд и технологического сырья: Материалы международной научно-технической конференции, г. Екатеринбург 6-10 июля 2004 г.,. – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. – С. 284 –287.
   
5. Братыгин Е. В. Импульсный следящий привод горных машин. / Братыгин Е. В., Афанасьев А. И. //Сборник докладов II Международной научно-технической конференции, Чтения памяти В. Р. Кубачека, г.Екатеринбург 15 – 17 февраля 2005 г.– Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005.– С. 64-65.
   
6. Братыгин Е.В. Рациональные режимы работы вибротранспортных машин резонансного типа. / Братыгин Е. В., Афанасьев А. И., Чиркова А.А. //Материалы международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», г. Екатеринбург 16-20 мая 2005 г.: Изд-во УГГУ, 2005.– С. 316-319
   
7. Братыгин Е. В. Исследования энергоемкости транспортирования материала в импульсном резонансном питателе / Братыгин Е. В., Афанасьев А. И. //Известия Уральского государственного горного университета. – вып. 20 – 2005. Екатеринбург. – С. 72-73.
   
8. Братыгин Е.В. Исследование эффективности грохочения на резонансном грохоте с импульсным следящим приводом // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: Материалы международной научно-технической конференции, г. Екатеринбург 16-20 мая 2006г.,. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. – С. 324-329.
   

Подписано в печать 24.10.06 г. Формат 6084 1/16

Бумага писчая. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано с оригинал-макета

в лаборатории множительной техники УГГУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Уральский государственный горный университет