Методика определения эффективных параметров виброударного грохота для фракционирования строительных песков
На правах рукописи
Скрипилов Анатолий Петрович
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОУДАРНОГО ГРОХОТА ДЛЯ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЕСКОВ
Специальность 05.05.04 – Дорожные, строительные
и подъемно-транспортные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре наземных транспортно-технологических машин
| Научный руководитель: | кандидат технических наук, доцент Сизиков Станислав Анатольевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Верстов Владимир Владимирович ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры технологии строительного производства; кандидат технических наук, доцент Попов Валерий Анатольевич ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой подъемно-транспортных, путевых и строительных машин |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» |
Защита состоится «_18_»__июня____2013 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.223.02 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190103, Санкт-Петербург, ул. Курляндская, 2/5, ауд. 340К.
Факс: (812) 316-58-72; Email: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», диссертационный совет Д 212.223.02.
Автореферат разослан «_17_»___мая______2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент Олещенко Елена Михайловна
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. На современном этапе развития строительства неуклонно повышаются требования к физическим, механическим, технологическим и др. свойствам строительных материалов, используемым для возведения объектов промышленного, гражданского, дорожного и др. видов строительства. Это обусловлено широким применением новых технологий и средств механизации в строительстве, которые в свою очередь базируются на использовании качественно новых строительных материалов (высокомарочные бетоны, пено- газобетоны, сухие строительные смеси, асфальтобетоны и др.), в которых в качестве мелкого заполнителя используется фракционированный строительный песок (природный, дробленый), обеспечивающий оптимальный гранулометрический состав мелкого заполнителя. Фракционирование строительного песка важный технологический процесс, необходимость проведения которого обусловлена, с одной стороны, неоднородностью зерновых составов исходных песков в различных месторождениях, а с другой стороны высокими требованиями к зерновому составу мелких заполнителей бетонов и сухих строительных смесей.
Наиболее эффективным оборудованием для разделения по фракциям строительного песка являются вибрационные грохоты (устройства, снабженные просеивающей поверхностью- ситом). Современные вибрационные грохоты различных конструкций при грохочении песков с размером ячеек сита менее 2,5 мм малопроизводительны и низкоэффективны. Это связано с тем, что в процессе грохочения мелкозернистых сред происходит интенсивная забивка отверстий просеивающей поверхности сита частичками материала, что в свою очередь ведет к сокращению живого сечения сита. В связи с сокращением площади живого сечения сита в процессе грохочения нижний продукт (т.е. материал, который должен провалиться сквозь сито) остается в верхнем (надрешетном продукте), что приводит к снижению качества и эксплуатационной производительности процесса грохочения.
Для очистки сит во время работы грохотов используются различные механические устройства, которые обладают рядом существенных недостатков. Принцип работы данных устройств основан на контактном воздействии (в том числе ударном) непосредственно на поверхность сита. Применение данных устройст приводит к интенсивному износу сита, изменению линейных размеров ячеек сита и, как следствие, к снижению качества продукции и долговечности сита, что и привело к отсутствию их широкого применения. Поэтому, актуальной задачей является совершенствование процесса грохочения и оборудования, которое позволило бы при грохочении материала (без интенсивного износа сита и изменения размеров ячеек сита) не допускать засорения просеивающей поверхности сита и тем самым повысить качество грохочения и эксплуатационную производительность грохотов.
На основе проведенного в рамках данной работы патентного поиска и литературного обзора грохотов и устройств для очистки сит грохотов была принята рабочая гипотеза о наличии высокого эффекта очистки просеивающей поверхности сита грохота, работающего в виброударном режиме колебаний, при котором, в каждом периоде колебаний совершается встряхивание сетки, закреплённой с натяжением на специальной раме. Для оценки эффекта очистки просеивающей поверхности сита при виброударном режиме колебаний была предложена двухмассная виброударная механическая система грохота, обеспечивающая очистку поверхности сита, закрепленного на раме, от частичек материала в каждом периоде колебаний, за счет воздействия ударного импульса, генерируемого при взаимодействии колеблющихся масс (короба грохота и рамы сита) через упругий ограничитель движения.
Степень изученности проблемы. Исследованием процесса вибротранспортирования сыпучих сред занимались такие ученые как: С.А. Асейнов, В.А. Бауман, Б.А. Бехонин, А.А. Борщевский, И.И. Блехман, И.И. Быховский, В.В. Верстов, И.Ф. Гончаревич, Г.Ю. Джанелидзе, В.В. Длоугий, В.Л. Лапшин, С.А. Осмаков, В.А. Повидайло, Е.Е. Рубинович, Э.Г. Саратовский, С.А. Сизиков, А.О. Спиваковский, К.В. Фролов и др.
Процесс грохочения сыпучих материалов исследовался такими отечественными учеными как: И.М. Абрамович, Л.А. Вайсберг, В.В. Гортинский, Е.А. Непомнящий, Ю.В. Лошкарев, В.А. Олевский, А.Ф. Перов, Д.Г. Рубисов, В.Я. Хайнман и др., к числу зарубежных исследователей следует отнести таких ученых как: Т. Бреретон, У. Прети, А.Ф. Таггарт, Ж. Феррара и др.
В результате многочисленных исследований были разработаны методики технологического расчета вибрационных грохотов, основными из которых являются методики, в основе которых лежит метод удельной производительности 1 м2 сита, разработанный в США в начале 20 века. В настоящее время, методика доработана и реализована в американских фирмах «Alis Сhalmers», «Astec», российском НПО «ВНИИстройдормаш». Также, известна методика, основанная на «массово-балансной» модели процесса грохочения, разработанная в институте «Механобр». Специальных методик технологического расчета и выбора эффективных параметров виброударных грохотов не разработано.
Необходимость создания высокоэффективного виброударного грохота для фракционирования строительных песков с эффективной очисткой сита, а также отсутствие рекомендаций к расчету виброударных грохотов предопределило необходимость проведения исследований, изложенных в данной работе.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования - обоснование эффективных параметров виброударного грохота для фракционирования строительных песков.
Объектом исследования является виброударная механическая система двухмассного грохота для фракционирования строительных песков.
Предметом исследований являются процессы взаимодействия слоя мелкодисперсной сыпучей среды (строительного песка) с ситом, совершающим виброударные колебания.
Основные задачи исследования, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели:
1. Моделирование динамической двухмассной системы виброударного грохота и установление параметров взаимодействия ее элементов, обеспечивающих рациональный виброударный режим колебаний сита грохота.
2. Моделирование процесса динамики перемещения мелкозернистой сыпучей среды (строительного песка) по ситу, совершающему направленные гармонические колебания с периодическим (в каждом периоде колебаний) ударным воздействием, с целью установления скорости вибротранспортирования слоя сыпучей среды по ситу, являющейся одним из основных параметров, определяющим транспортную производительность грохота, при этом решаются следующие частные задачи:
- выбор модели слоя сыпучей среды с учетом механо-реологических свойств слоя и сил сопротивлений, влияющих на перемещение слоя по ситу грохота, работающего в виброударном режиме колебаний;
- аналитическое описание динамики перемещения слоя сыпучей среды по ситу виброударного грохота с использованием модели слоя, включая разработку алгоритма и программы расчета параметров виброперемещений его
и скорости вибротранспортирования слоя сыпучей среды по ситу виброударного грохота;
-оценка адекватности механо-реологических параметров модели слоя сыпучей среды и расчетных параметров динамики перемещения слоя, включая скорость транспортирования его по ситу, совершающему виброударные колебания, путем сравнения основных параметров движения слоя, найденных расчетным и экспериментальным способами.
3. Экспериментальная проверка и сравнение способности грохота к очистке отверстий сит в условиях длительного по времени процесса грохочения песков, при работе его в виброударном и в безударном режимах колебаний.
4. Экспериментальное определение показателя эффективности грохочения песков при виброударном режиме колебаний сита грохота, в зависимости от факторов, определяющих процесс грохочения, таких как: амплитуда, частота колебаний, размер ячейки сита, время процесса грохочения, высота слоя и гранулометрический состав исходного песка, подлежащего грохочению.
5. Разработка рекомендаций к расчету виброударых грохотов для фракционирования строительных песков.
6. Оценка технико-экономической эффективности применения виброударных грохотов для фракционирования строительных песков.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
1) определены эффективные режимы колебаний виброударного грохота для фракционирования строительных песков;
2) разработана математическая модель двухмассной виброударной механической системы для исследования параметров взаимодействия элементов двухмассной системы виброударного грохота;
3) разработана математическая модель для расчета скорости транспортирования слоя сыпучей среды при виброударном режиме колебаний сита;
4) определены численные упруго-вязкие параметры модели слоя транспортируемого материала на основе идентификация их с реальным слоем строительного песка, транспортируемого в виброударном режиме ситом грохота;
5) подтверждена эффективность очистки сита при виброударном способе грохочения;
6) определена зависимость показателя эффективности грохочения песков на сите грохота, работающего в виброударном режиме колебаний от основных факторов, определяющих процесс грохочения.
Достоверность научных положений обеспечена:
- достаточной степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований;
- лабораторными испытаниями грохота виброударного действия и данными внедрения виброударных грохотов;
- экспериментально-статистическими методами определения закономерности изменения эффективности грохочения, при виброударном режиме колебаний сита грохота, от основных факторов определяющих процесс грохочения.
Теоретическая и практическая значимость исследований заключается в следующем:
На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработаны рекомендации к расчету и выбору основных параметров виброударных грохотов, включающие определение эффективных параметров перемещений элементов виброударной механической системы двухмассного грохота, расчет скорости вибротранспортирования слоя песка по ситу виброударного грохота, а также определение транспортной производительности и размеров просеивающей поверхности сита виброударного грохота для фракционирования строительных песков с различным гранулометрическим составом.
Результаты работы могут быть использованы в организациях, занимающихся созданием и внедрением новой техники в строительстве и производстве строительных материалов.
Общая методика исследования. Исследования выполнялись на основе моделирования виброударной механической системы и механореологических свойств сыпучей среды, с использованием математического аппарата теории колебаний, механики сыпучих сред в сочетании с физическим экспериментом, при выполнении которого применялись математические методы планирования и обработки результатов в исследованиях, а также современная тензо- и виброметрическая аппаратура. Эксперименты проводились на испытательных стендах (виброударном столе, виброударном грохоте).
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины, п.3 «Совершенствование технологических процессов на основе новых технических решений конструкций машин».
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в ЗАО НИПКБ «Стройтехника» и на заводе железобетонных конструкций ЗАО «Метробетон».
Апробация работы. Основные положения исследования докладывались на 63, 65, 66- ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета- Санкт-Петербург (СПбГАСУ, 2006, 2008, 2009); 60-ой Международной научно-технической конференции молодых ученых- Санкт- Петербург (СПбГАСУ, 2007).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, в числе которых 3 работы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ и патент на изобретение №2424067 «Двухмассный виброударный грохот».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений. Она изложена на 182 печатных страницах текста, включает 20 рисунков, 19 таблиц и библиографический список литературы из 146 наименований.
В первой главе рассмотрены нормативные требования к мелким заполнителям бетонов, растворов, сухих строительных смесей, выполнен литературный и патентный обзоры механического оборудования для фракционирования песков, выявлены проблемы грохочения песков по классу 2,5 мм и менее, основной из которых является засорение сит, приводящее к резкому снижению производительности и эффективности процесса грохочения. Для решения данной проблемы предложен виброударный способ очистки сит на основе использования двухмассного виброударного грохота для фракционирования строительных песков. Определены цели и задачи диссертационного исследования.
Вторая глава посвящена математическому моделированию двухмассной виброударной механической системы для исследования параметров взаимодействия элементов динамической двухмассной системы виброударного грохота и процесса вибротранспортирования слоя материала по ситу такого грохота.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса грохочения строительного на сите грохота с виброударным режимом колебаний.
В четвертой главе приводятся рекомендации по расчету и выбору эффективных параметров виброударных грохотов, а также результаты внедрения грохотов и экономическая эффективность внедрения грохотов с очисткой сит виброударным способом.
В заключении приводится основные результаты диссертационных исследований.
II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ,
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Определение эффективных режимов колебаний виброударного грохота для фракционирования строительных песков
Для решения задачи повышения эффективности процесса фракционирования мелкозернистых сред (строительных песков) предложена двухмассная механическая система виброударного грохота, (патент №2424067 «Двухмассный виброударный грохот».) В данном грохоте процесс фракционирования основан на виброударном режиме колебаний, при этом очистка ячеек сит осуществляется за счет ударного импульса, возникающего при взаимодействии 2-х колеблющихся масс грохота (короба грохота и рамы с натянутым ситом) в каждом периоде колебаний.
В работе принято, что слой мелкозернистого сыпучего материала обладает упругими и вязкими характеристиками. Для исследования процесса виброперемещения слоя материала по ситу виброударного грохота в режиме с непрерывным подбрасыванием, была принята одномассная упруго-вязкая инерционная модель виброслоя, в основу которой была положена модель предложенная профессором И.Ф. Гончаревичем (рис.1), характеризующая движение слоя на двух характерных этапах его вибротранспортирования: на этапе совместного движения с виброорганом (ситом) и на этапе полета над ним.
На схеме (рис.1) 
- неподвижная система координат; 
- подвижная система координат; 
- гармонический закон колебаний виброоргана; 
- сила тяжести; J- сила инерции; - угол вибрации; - угол наклона виброоргана к горизонту. Упругие свойства слоя сыпучей среды моделируются упругими элементами 
и 
, вязкие – демпферами 
и 
; сопротивление воздушной среды на этапе полета моделируется демпфером 
. Масса слоя сосредоточена в инерционном элементе 
, рамка 
принята безынерционной. Перечисленные упругие и вязкие элементы моделируют внутренние силы, действующие в слое в процессе вибротранспортирования. На этапе совместного движения на слой действуют: сила нормальной реакции сита N, деформирующая слой в направлении оси ОY, сдвигающая сила 
, деформирующая слой в направлении оси ОХ и сила внешнего трения 
. На этапе полета на слой действует сила аэродинамического сопротивления, обусловленная деформацией между виброорганом и слоем материала. Сила тяжести mg и сила инерции J действует на слой на всех его этапах движения.
При вибротранспортировании слоя материала по виброситу, в характерном при грохочении режиме с непрерывным подбрасыванием, материал движется в контакте с ситом и без контакта с ситом (полет над ситом), т.е. существует два характерных этапа движения. Во время этапа полета сито свободно от материала, в этот момент производится удар по ситу, который длится меньше чем этап полета материала над ситом, на следующем микроэтапе, когда материал падает- он падает уже на очищенное сито, дальше начинатся этап совместного движения и так этапы повторяются непрерывно. Схема движения слоя при виброударном режиме с непрерывным подбрасыванием показана на рис 2.
Рис. 2 Схема движения слоя материала по ситу виброударного грохота
На схеме (рис.2) Y- подвижная ось, которая жестко связана с ситом грохота, Y- неподвижная ось; 
- закон движения сита на безударном этапе его движения; 
- закон движения сита на этапе движения с ударом; 
и 
- амплитудные составляющие закона движения сита на характерных этапах его движения; 
- текущее значение фазового угла колебаний сита; 
,
- момент начала и конца удара; 
, 
- момент отрыва и падения материала.
На схеме рис.2 движение сита показано сплошной тонкой линией на этапе полета слоя материала над ним и утолщенной сплошной линией на этапе совместного движения слоя с ситом. Движение слоя материала на этапе полета над ситом показано утолщенной пунктирной линией со стрелками. На схеме рис.2 удар (т.е. остановка рамы сита при ударном взаимодействии с корпусом грохота) показан в виде прямой тонкой линии в верхней части полупериода и происходит он с момента начала удара 
и до момента 
конца удара.
Виброударный грохот, являющийся транспортно-технологическим агрегатом должен обеспечивать заданную производительность - П и заданное качество разделения материала, которое характеризуется показателем эффективности грохочения- Е, который является мерой полноты разделения исходного материала. В существующих методиках расчета параметров грохотов не учитываются такие важные характеристики процесса грохочения, как амплитуда A, частота колебаний сита n, высота слоя материала на сите 
, время процесса грохочения Тгр, и скорость вибротранспортирования слоя по ситу 
. Все это снижает ценность данных методик и вызывает неопределенность при выборе режимов вибрации и других параметров грохотов. Для выбора параметров виброударных грохотов актуальной задачей является определение функциональной зависимости 
% (1), которая решается в рамках диссертационных исследований. В функции (1), кроме ранее отмеченных параметров, обозначено: D - размер отверстия ячейки сита, P- процентное содержание подрешентного продукта в исходном материале.
Параметры эффективность грохочения и производительность являются взаимовлияющими друг на друга. Транспортная производительность грохота определяется по известной формуле 
(2), где 
- площадь поперечного сечения транспортируемого слоя материала в зоне загрузки материала на сито виброгрохота (
, где B- ширина рабочей поверхности сита), м2; 
- скорость вибротранспортирования слоя по ситу (
, где L- длина рабочей поверхности сита грохота), м/с.
Грохот, как транспортно-технологическая машина обеспечивает транспортирование верхнего класса материала, при этом транспортная производительность П (2) связана с вопросами выбора сечения слоя Sсл (задаваемая величина) и скорости вибротранспортирования материала Vтр. Скорость транспортирования материала Vтр зависит от параметров вибрации сита (амплитуды колебаний А, частоты колебаний n, угла вибрации, длительности соударения Туд, а также характеристик слоя материала (процентного содержания подрешетного продукта в исходном материале P и высоты слоя Hсл) и может быть представлена в виде функциональной зависимости 
,
, м/с (3), которая определена в ходе выполнения настоящих исследований.
2. Математическая модель двухмассной виброударной механической системы для исследования параметров взаимодействия элементов двухмассной системы виброударного грохота
Для моделирования процесса движения слоя материала по ситу виброударного грохота предварительно был определен закон движения сита (рамы) грохота, характеризующий его перемещение на основе. расчетной схемы виброударного грохота, представленной на рис.3, где: 
неподвижная ось, 
- масса короба грохота с вибратором; 
- масса рамы с ситом; 
- коэффициент упругого сопротивления опорных пружин; 
- коэффициент упругого сопротивления пружин взаимодействия; 
- коэффициент упругого сопротивления жестко-упругого ограничителя движения; 
- вынуждающая сила,
где 
- амплитудное значение вынуждающей силы вибратора; - круговая частота вынужденных колебаний; t- время; зазор «е» - зазор между ограничителем движения и массой 
, 
- сила реакции при соударению масс 
и 
. При движении 
происходит перемещение 
за счет F(t), сил инерции и действия упругой связи, 
и 
движутся синхронно и в противоположном направлении относительно друг друга. Движения короба грохота 
и рамы сита 
можно условно разделить на два этапа: -этап 1 (без соударения масс, Kр =0), когда зазор «е» больше относительного перемещения масс 
и 
, сила реакции 
массы 
на 
равна «нулю»; - этап 2 (с соударением масс,
0), когда зазор «е» станет равным «нулю» или «отрицательным», возникает сила реакции 
0 
на 
.
Получены законы движения массы рамы сита грохота 
на обоих характерных этапах ее движения:
(4) где 
(5)
– амплитудная составляющая закона движения сита на безударном этапе движения масс грохота;
(6)
где
(7)
где 
амплитудная составляющая закона движения сита на этапе соударения масс грохота.
Выражение (4) характеризует перемещение рамы сита 
на безударном этапе движения масс грохота, действует при н.у. 
в момент пуска вибратора до момента начала удара 
; при н.у. 
действует до момента начала следующего удара 
(рис.2). Выражение (6) характеризует перемещение рамы сита 
на этапе соударения масс грохота, действует при н.у. 
до момента конца удара 
(рис.2). Законы движения сита (рамы) виброударного грохота (4) и (6) позволяют провести анализ динамики перемещения слоя материала на всех этапах движения рамы сита грохота.
3. Математическая модель для расчета скорости транспортирования слоя сыпучей среды при виброударном режиме колебаний сита
На основе одномассной упруго-вязкой инерционной модели виброслоя (рис. 1) были получены уравнения движения модели слоя сыпучей среды на всех характерных этапах ее движения (рис.2) по ситу виброударного грохота (рис.3). С этой целью закон движения сита (рамы) принимался с учетом характерных этапов его движения при виброударном режиме колебаний, которым соответствуют выражения (4) и (6).
На участке совместного движения- с момента 
до 
(рис.2) происходит упруговязкая деформация слоя, которая при определенных условиях может сопровождаться скольжением по виброоргану. На этапе совместного движения без скольжения уравнения движения по оси ОY будут иметь вид:
; (8)
, (9)
При 
модель начинает скользить по ситу, где 
.
На этапе совместного движения cо скольжением уравнения движения (с учетом упругих деформаций слоя) по оси ОХ будут иметь вид:
; (10)
(11)
В уравнениях (10), (11) приняты следующие обозначения: 
,
и 
, соответственно, перемещение, скорость и ускорение массы 
относительно рамки 
; 
, 
и 
, соответственно, перемещение, скорость и ускорение рамки 
сита относительно грохота.
Знак силы 
определяется из условия: 
«+» при 
; «-» при 
где 
- скорость движения 
на предыдущем этапе.
Слой материала остается на поверхности сита до тех пор, пока сила нормальной реакции N сита на слой не будет равна нулю: 
. Затем груз отрывается от сита и совершает свободный полет (рис.2). Уравнения движения слоя на участке свободного полета имеют вид:
- при безударном режиме (с момента 
до 
и с момента 
до 
):
; (12)
, (13)
- при режиме соударения масс грохота ( с момента 
до момента 
):
; (14)
, (15)
В уравнениях (8)-(15) приняты следующие обозначения: 
- масса слоя, 
,
- упругие сопротивления слоя, 
,
,
- вязкие сопротивления слоя, - частота колебаний, K- коэффициент разделения потока воздуха; 
- сила сдвигающая; 
- сила терния; 
- коэффициент трения покоя материала о сито.
Средняя скорость вибротранспрортирования определяется суммированием найденных из уравнений (8)-(15) средних скоростей движения слоя материала на отдельных этапах движения слоя.
Полученные результаты решения уравнений (8)-(15) использованы для исследования динамики виброперемещения слоя материала при различных режимах вибротранспортирования по ситу виброударного грохота. Исследования проводились на ЭВМ с применением специально разработанной программы «Вибра7» на языке программирования Fortran для расчета параметров перемещения слоя материала (в том числе скорости вибротранспортирования) по ситу виброударного грохота. В результате получены данные, характеризующие основные параметры транспортирования (моменты отрыва, падения, перехода от движения скольжением к остановке и наоборот, а также скорость вибротранспортирования слоя на всех этапах движения, сила нормальной реакции), которые после выполнения экспериментов позволили произвести идентификацию параметров модели с реальным сыпучим грузом.
4. Определение численных упруго-вязких параметров модели слоя транспортируемого материала на основе идентификация их с реальным слоем строительного песка, транспортируемого в виброударном режиме ситом грохота
Идентификации параметров упруго-вязкой модели слоя материала с реального слоя строительного песка проводилась на основе использования данных экспериментальных исследований и теоретически вычисленных параметров динамики виброперемещения слоя материала при различных режимах вибротранспортирования по ситу виброударного грохота. Полученные результаты параметров движения слоя (углы отрыва 
слоя материала от сита, углы падения 
слоя на сито, силы нормальной реакции слоя на сито (максимальное значение) Nmax) опытных и теоретических исследований сопоставлялись между собой (табл.1).
Эксперимент проводился на экспериментальном виброударном грохоте двухмассной конструкции (рис.4). Внутри короба грохота монтировалось сито с размерами ячеек 0,63 мм.
Таблица 1
Экспериментальные и расчетные значения параметров движения и скорости транспортирования слоя материала по ситу виброударного грохота
где 
,
- упругие сопротивления слоя, 
,
,
- вязкие сопротивления слоя
На расстоянии 200 мм от места загрузки материала в сито был вмонтирован тензометрический датчик давления. Колебания грохота контролировались с помощью виброизмерительной аппаратуры и записывались на осциллограф ЭВМ. Параметры вибрации принимались в пределах- амплитуда А=23,75 мм, частота колебаний n=8001000 кол/мин. В экспериментах использовались сухие пески двух видов крупностью до 2,5 мм.
Состав одного вида песка готовился с процентным содержанием (по массе) частиц менее 0,63 мм Р=70%, другой Р=95%. Высота слоя 
материала в зоне загрузки материала на сито грохота, во всех опытах поддерживалась 50 мм. Полученные средние значения параметров движения и скорости вибротранспортирования слоя материала по ситу при виброударном режиме колебаний представлены в табл. 1.
На основе полученных экспериментальных числовых значений параметров движения слоя материала (табл.1) расчетным путем (методом итерации) по программе Вибра7 были определены числовые значения упруго-вязкие коэффициенты сопротивления модели (
). В качестве примера на рис. 5 приведены сопоставленные теоретические и экспериментальные осциллограммы, на которых представлены экспериментально полученные кривые 1 и 2 и расчетно полученные кривые 3 и 4.
Рис.5. Осциллограммы вибротранспортирования слоя материала по ситу виброударного грохота при А= 3,75 мм; n= 800 кол/мин; Hсл=50мм; песок 0- 2,5мм при P= 95%
1- экспериментальная кривая ускорения сита виброударного грохота 
;
2- экспериментальная кривая изменения силы нормальной реакции 
;
3- расчетная кривая ускорения сита виброударного грохота 
;
4- расчетная кривая изменения силы нормальной реакции 
;
- текущее значение фазового угла колебаний сита
Кривые 1 и 3 отображают ускорение колебаний сита виброударного грохота, кривые 2 и 4 отображают характер изменения силы нормальной реакции. На осциллограммах (рис.5) показаны: продолжительность удара 
, углы отрыва 
и падения 
материала на сито виброударного грохота (где 
- момент отрыва слоя материала от сита; 
- момент падения слоя материала на сито; 
- момент начала действия ударного воздействия на сито; 
- момент окончания ударного воздействия на сито), а также максимальные значения силы нормальной реакции слоя материала на сито Nmax. Несовпадение расчетно найденных и экспериментальных кривых 1-3 и 2-4 рис.5 незначительно, что говорит об адекватности найденных числовых значений упруго-вязких характеристик модели слоя и параметров 2-х массной модели вуброударного грохота. Найденные значения упруго-вязких коэффициентов сопротивления модели обеспечили сходимость углов 
, 
, полученных на ЭВМ с экспериментальными с погрешностью менее 2 градусов, силы нормальной реакции Nmax с погрешностью менее 10%. Погрешность отклонений кривой 3 от кривой 1, в том числе в зоне ударного воздействия на сито, действующего с момента 
до 
, на превышает 10%.
5. Подтверждение эффективности очистки сита при виброударном способе грохочения
В процессе эксперимента оценка эффективности очистки сита грохота, работающего в виброударном режиме колебаний, проводилась на основе сравнения степени уменьшения площади живого сечения сита грохота вследствии забивки его отверстий сита частицами материала в процессе грохохочения при виброударном режиме колебаний и степени уменьшения площади живого сечения сита грохота вследствии забивки частицами материала в процессе грохочения при обычном режиме колебаний, при котором совершаются гармонические вертикально- направленные колебания без ударов.
Эксперимент проводился на виброплощадке (рис. 6), которая работала как в режиме виброударных колебаний, так и в режиме обычных колебаний без удара. В качестве емкости для материала использовалась цилиндрическая колба,
в которой устанавливалось сито с размером ячеек 0,63 мм. Колебания виброплощадки контролировались с помощью виброизмерительной аппаратуры ВИ6 с записью на осциллограммы на ЭВМ. Параметры вибрации изменялись в пределах: амплитуда А=23,75 мм, частота колебаний n=8001000 кол/мин. В экспериментах использовались пески двух видов, крупностью до 2,5 мм. Состав одного песка готовился с процентным содержание по массе частиц менее 0,63 мм Р=70%, другой- P=95%. В экспериментах высота слоя 
составляла 50 мм, которая поддерживалась постоянной в процессе эксперимента путем постоянного добавления в слой песка крупностью менее 0,63 мм со средним размером частиц 0,15 мм. После проведения экспериментов рассчитывалась степень уменьшения площади живого сечения сита. Было выявлено, что при виброударном режиме колебаний, после 20 первых минут рост площади забивки сит частичками материала прекращается и не увеличивается с увеличением времени процесса грохочения, вплоть до 60 минут. Площадь уменьшения живого сечения сита при виброударном режиме колебаний не превышала 18%, при безударном режиме колебаний 76,8% (рис. 7), что свидетельствует об высокой эффективности виброударного способа очистки сита.
6. Определение зависимости показателя эффективности грохочения песков на сите грохота работающего в виброударном режиме колебаний от основных факторов, определяющих процесс грохочения
Эксперимент проводился на виброплощадке (рис. 4) которая работала в режиме виброударных колебаний. В качестве сита в колбе использовались сетки с размерами ячеек D=0,63мм, 1,25мм, 2,5мм и 5мм. Режимы работы виброударной площадки принимались аналогичными режимам принятым на первом этапе исследований, амплитуда колебаний А принималась 2 мм и 3,75 мм, частота колебаний n=800 кол/мин и 1000 кол/мин. Для проведения экспериментов использовались две группы песков, крупностью 0-2,5 мм и 0-8 мм, каждая из которых состояла из восьми специально подготовленных песков в сухом состоянии. Использовались пески различных фракционных составов- «замельченные» пески (c большим содержанием подрешетного продукта в исходном P=70% и 95%) и «закрупненные» пески c (малым содержанием подрешетного продукта в исходном P=10% и 30%). Высота слоя 
принималась 40мм и 60мм, время процесса грохочения Тгр принималось 20с и 40с.
С целью минимизации количества опытов использовался метод рационального планирования экспериментов, основанный на теории математической статистики и теории вероятностей, по которому выполнялось 1/8 реплики от полного факторного плана. Учитывая, что интервал варьирования факторов выбран достаточно узким было принято, что функция отклика аппроксимируется полиномом первой степени. Каждый опыт проводился не менее трех раз. Обработка результатов экспериментов во всех опытах осуществлялась на основе статистического анализа, при котором выполнялись: проверка однородности дисперсий с помощью критерия Фишера (табличное значение критерия Фишера принималось при 5%-ном уровне значимости); проверка однородности опытов с помощью критерия Стьюдента (табличное значение критерия Стьюдента принималось на 5%-ном уровне значимости); проверка адекватности (пригодности) модели с помощью критерия Фишера (табличное значение критерия Фишера принималось при 5%-ном уровне значимости); оценка доверительного интервала.
Всего проводилось четыре шестифакторных эксперимента. В результате выполнения экспериментов были получены уравнения регрессии (ур-я 16-19), представленные в безразмерном виде, где натуральные значения A,n, Нсл, D, Тгр, P, соответственно, представлены в кодированном виде факторами 
, которые связывают показатель эффективности грохочения Е, выраженный в процентах, с характеристиками слоя материала и параметрами вибрации.
- Первый эксперимент проводился на песке 0-8 мм при Р=10% и 30%, при грохочении его на ситах с D=2,5мм и 5мм:
(16)
доверительный интервал составляет = ± 0,98;
- Второй эксперимент проводился на песке 0-8 мм при P=70% и 95%, при грохочении его на ситах с D=2,5мм и 5мм:
(17)
доверительный интервал составляет = ±0,67;
- Третий эксперимент проводился на песке 0-2,5 мм при при Р=10% и 30%,, при грохочении его на ситах с D=0,63мм и 1,25мм:
(18)
доверительный интервал составляет = ±1,11;
- Четвертый эксперимент проводился на песке 0-2,5 мм при P=70% и 95%, при грохочении его на ситах с D=0,63мм и 1,25мм:
(19)
доверительный интервал составляет = ±0,98.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Предложен новый эффективный способ очистки сита от застревающих в его отверстиях частичек материала, основанный на виброударном режиме колебаний грохота, при котором ударное воздействие происходит в каждом периоде колебаний грохота не по поверхности сита, а по раме, где это сито закреплено. На основе предложенного способа грохочения разработана принципиальная схема двухмассного виброударного грохота, при которой воздействие на сито происходит за счет ударного импульса, возникающего при взаимодействии колеблющихся масс грохота (короба грохота и рамы сита), движущихся синхронно и в противофазе, с возможностью регулирования величины ударного воздействия. Получен патент на изобретение №2424067 «Двухмассный виброударный грохот».
2. Выполнено моделирование динамической двухмассной системы виброударного грохота с установлением параметров взаимодействия ее элементов, обеспечивающих эффективный виброударный режим колебаний.
3. Проведено аналитическое описание динамики перемещения модели слоя по ситу виброударного грохота, включая разработку алгоритма и программы «ВИБРА7» для расчета на ЭВМ параметров виброперемещений слоя сыпучей среды и скорости вибротранспортирования слоя по ситу грохота.
4. Экспериментально определены параметры движения (моменты отрыва и падения слоя, сила нормальной реакции) и скорость вибротранспортирования слоя материала по ситу виброударного грохота на основе которых выполнена идентификация модели слоя сыпучей среды.
5. Экспериментально подтверждена высокая эффективность очистки сита грохота, работающего в виброударном режиме колебаний.
6. Определены зависимости показателя эффективности грохочения песков на сите грохота работающего в виброударном режиме колебаний от основных факторов, определяющих процесс грохочения.
7. Разработаны, на основе результатов работы рекомендации к расчету и выбору основных параметров двухмассных виброударных грохотов, которые позволяют выбирать основные конструктивные параметры виброударных грохотов.
8. На основе рекомендаций к расчету виброударных двухмассных грохотов, в ЗАО НИПКБ «Стройтехника» разработаны промышленные образцы конструкции грохотов, которые успешно внедряются в стройиндустрию. В частности, на заводе ЖБИ ЗАО «Метробетон» г. СПб, на линии производства сухих строительных смесей внедрен виброударный грохот с площадью просеивающей поверхности 0,72 м2, для фракционирования строительных песков по классу 0,63 мм.
9. Экономический эффект от внедрения виброударного грохота определяется увеличением выпуска продукции (песка) за счет снижения производственных потерь эксплуатационного времени работы грохота. Расчетный ожидаемый удельный экономический эффект от использования виброударного грохота с площадью поверхности сита 1 м2 (с размером отверстий сита 0,63х0,63 мм) составляет 2,4 млн. руб в год, срок окупаемости - 4 месяца.
Эффективность разработанного виброударного грохота обуславливает дальнейшие перспективы распространение установок с виброударным способом грохочения в строительстве.
Публикации по теме исследования
В изданиях рекомендованных ВАК РФ
1. Скрипилов, А. П. Теоретические основы создания виброударного грохота [Текст] / С. А. Сизиков, А. П. Скрипилов // Строительные и дорожные машины.— Москва, 2009. — №12 — C.42-45.
2. Скрипилов, А. П. Исследования классификации строительных песков на виброударном грохоте [Текст] / А. П. Скрипилов // Строительные и дорожные машины. — Москва, 2012. — №4 — С.46-50.
3. Скрипилов, А. П. К Определение параметров установок виброкипящего слоя для классификации и обеспыливания отсевов дробления щебня [Текст] / С. А. Сизиков, Г. М. Вяткин, А. П. Скрипилов, А. Д. Шулояков // Обогащение руд-СПб., 2012 — №6 — С 43-46.
Прочие публикации
4. Двухмассный виброударный грохот [Текст]: пат. 2424067 Рос. Федерация: МПК6 B 07 B 1/40, B 07 B 1/54 / Сизиков С.А., Сизиков В.С., Скрипилов А.П., Вяткин Г.В. (Россия); заявитель и патентообладатель ЗАО Научн.-исслед. и проект.-конструкт. бюро «Стройтехника» — № 2010111988/03; заявл. 29.03.10; опубл. 20.07.11, Бюл. №20. — 9 с.
5. Определение параметров виброударного грохота [Текст]: отчет о НИР (заключ.): Тема № 211/666 / СПбГАСУ; рук. С. А. Сизиков; исполн.: А. П. Скрипилов. — СПб., 2008. — 77 с. — Библиогр.: с. 24. — № ГР 01200712649. — Инв. № 02200850116.
6. Обзор, анализ работ и инновации в области классификации мелких заполнителей бетонов [Текст] / А. П. Скрипилов; ЗАО НИПКБ «Стройтехника» - Санкт-Петербург, 2012. — 84 с.: ил. — Библиогр.: 79 назв. — Рус. — Деп. в ВИНИТИ 19.02.12, № 77-В2012.
7. Скрипилов, А. П. Виброударный грохот для классификации строительных песков, задачи исследования [Текст] / С. А. Сизиков, А. П. Скрипилов // Доклады 63-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. — СПбГАСУ, СПб., 2006. — часть II — С.199-203.
8. Скрипилов, А. П. К динамике виброперемещения сыпучих сред по виброударному грохоту [Текст] / С. А. Сизиков, А. П. Скрипилов // Актуальные проблемы современного строительства. 60-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых. Сборник материалов. — СПбГАСУ, СПб., 2007. — часть II — С.179-183.
9. Скрипилов, А. П. Расчет на ЭВМ рациональных параметров виброударного грохота [Текст] / С. А. Сизиков, А. П. Скрипилов // Доклады 65-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета.— СПбГАСУ, СПБ., 2008. — часть II — С.180-185.
10. Скрипилов, А. П. К вопросу экспериментального исследования эффективных параметров виброударного грохота для песков [Текст] / С. А. Сизиков, А. П. Скрипилов // Доклады 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. — СПбГАСУ, СПБ., 2009. — часть IV — С. 158-164.
