Повышение эффективности молотковых дробилок за счет обоснования рациональных параметров рабочего органа
На правах рукописи
БРУСОВА ОЛЬГА МИХАЙЛОВНА
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
МОЛОТКОВЫХ ДРОБИЛОК ЗА СЧЕТ ОБОСНОВАНИЯ
РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА
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, доцент Лагунова Юлия Андреевна
Официальные оппоненты:
Боярских Геннадий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», зав. каф. эксплуатации горного оборудования;
Червяков Сергей Алексеевич, кандидат технических наук, дивизион «Горное оборудование» дирекции по продажам ОАО «Уралмашзавод», директор
Ведущая организация – ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт асбестовой промышленности»
(ОАО «НИИпроектасбест»)
Защита состоится «_06_» __апреля____ 2012 г. в _10.00_часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».
Автореферат разослан «05» _марта__2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор М.Л. Хазин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Процессы дробления и измельчения широко используются во многих отраслях народного хозяйства. Они оказывают существенное влияние на технико-экономические показатели производства и качество готовых изделий и сырья. Резерв повышения эффективности производства заключается в модернизации технологического оборудования и совершенствовании технологических процессов.
Молотковые дробилки широко используются на стадиях среднего и мелкого дробления при разрушении породы с коэффициентом крепости до 12 по шкале М.М. Протодьяконова.
Слабым звеном в молотковой дробилке является рабочий орган, состоящий из вала, дисков и молотков. Из опыта работы горных предприятий известно, что срок службы молотков, в зависимости от перерабатываемого продукта, составляет от 170 до 530 часов. Такой срок службы приводит к большому количеству технических обслуживаний (около 20 ТО в год), повышенному расходу оборотных средств на закупку молотков. Повышение надежности работы молотков, дисков и вала в сочетании с простотой конструкции дробилки в целом сделает этот тип ударных машин одним из совершенных. Повышение эффективности использования дробилки может быть достигнуто за счет увеличения срока службы молотков до их предельного состояния и увеличения межремонтного периода.
Сложившаяся ситуация требует проведения дополнительных исследований по разработке улучшенной конструкции и созданию методики оценки остаточного ресурса рабочего органа. Это возможно с помощью применения методов неразрушающего контроля, которые позволяют оценивать остаточный ресурс оборудования (на основе замера вибросигнала), следовательно, оперативно определять текущее состояние рабочего органа, выявлять дефекты и выдавать рекомендации по срокам ремонта.
Таким образом, исследование рабочего процесса молотковой дробилки, разработка конструкции рабочего органа повышенной эффективности, определение фактического технического состояния рабочего органа, прогнозирование остаточного ресурса и снижение суммарных затрат на техобслуживание и ремонт являются актуальной научно-технической задачей, отвечающей потребностям практики горного производства.
Объект исследования: рабочий орган молотковых дробилок.
Предмет исследования: оценка напряженно-деформированного состояния рабочего органа и определение остаточного ресурса молотковых дробилок.
Цель работы – повышение эффективности работы молотковой дробилки за счет совершенствования конструкции и обоснования параметров рабочего органа.
Идея работы. Снижение массы и повышение производительности молотковой дробилки благодаря рациональным параметрам её рабочего органа.
Методы научных исследований. Использование достаточного объема статистической информации, характеризующей уровень эксплуатации элементов рабочего органа молотковой дробилки. При выполнении теоретических исследований использовались основные положения и методы теории подобия и моделирования, моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) рабочих элементов молотковой дробилки, анализ и обобщение научно-технической и патентной информации; при проведении экспериментальных исследований – положения теории надёжности, методы математической статистики и теории вероятностей, методы неразрушающего контроля.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Выбор рациональных геометрических параметров рабочего органа молотковых дробилок проводится на основе анализа результатов моделирования напряженно-деформированного состояния рабочего органа, с учетом фактических нагрузок, возникающих при дроблении глинистых пород.
2. Повышение долговечности и надежности рабочего органа обеспечивается за счет рационального применения схемы установки молотков на роторе, учитывающей геометрические параметры рабочего органа, определяемые конструкцией молотков и дисков.
3. Производительность молотковой дробилки определяется коэффициентом готовности и возрастает с увеличением межремонтного периода, который зависит от точности оценки остаточного ресурса рабочего органа.
Научная новизна результатов исследований заключается:
- в составлении математической модели процесса дробления с учетом прямого и скользящего удара, позволяющей обосновать рациональные конструктивные параметры рабочего органа (ротора и молотка) молотковой дробилки, снизить ударные нагрузки на вал ротора и повысить ресурс машины;
- в получении регрессионной модели уровня эксплуатационной надежности (износ рабочих поверхностей молотков) молотковых дробилок в зависимости от влияющих факторов (продолжительности работы и твердости материала);
- в определении межремонтного периода, основанного на экспериментальных данных, полученных в реальных условиях;
- в разработке методики и составлении программы для ЭВМ по расчету остаточного ресурса рабочего органа молотковой дробилки.
Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается: корректным использованием методов математического моделирования, методов статистической обработки экспериментальных данных, современного вычислительного оборудования и компьютерного программного обеспечения; применением современной виброизмерительной и регистрирующей аппаратуры; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 7…10 %.
Практическая значимость работы состоит:
- в разработке конструкции рабочего органа;
- в моделировании нагрузок при расчете НДС рабочего органа (ротора и молотков) дробилки;
- в выработке рекомендаций по увеличению твердости поверхностного слоя молотков, что повышает эффективность молотковой дробилки;
- в предложении рациональной структуры ремонтного цикла молотковой дробилки для дробления бокситов.
Личный вклад автора заключается:
в организации, проведении и анализе результатов комплекса экспериментальных исследований; в сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели работы молотковых дробилок; в разработке конструкции элементов рабочего органа (молотка); в разработке структуры ремонта модернизированной конструкции дробилки; в оценке остаточного ресурса оборудования по данным вибродиагностики.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Предложенная рациональная конструкция рабочего органа молотковой дробилки рекомендуется предприятиям, использующим молотковые дробилки. Новая конструкция рабочего органа и методика оценки ресурса при помощи вибродиагностики внедрена на Краснооктябрьское бокситовое рудоуправлении АО «Алюминий Казахстана» (КБРУ) и АО «Соколовско-Сарбай-ское горно-обогатительное производственное объединение» (ССГПО).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных технических и практических конференциях: «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2009-2011 гг.); «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека» (Екатеринбург, 2009–2011 гг.); «Роль стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации: проблемы и перспективы» (Рудный, 2009 г.); «Творчество молодых – инновационному развитию Казахстана» (Усть-Каменогорск, 2011 г.); «Вклад молодежи в развитие науки Казахстана» (Костанай, 2011 г). Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научном семинаре кафедры «Транспорт и технологические машины» Рудненского индустриального института (Казахстан) и расширенном заседании кафедры «Горные машины и комплексы» УГГУ.
Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 3 из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 95 наименований и 8 приложений. Работа изложена на 165 страницах, в том числе содержит 29 таблиц, 55 рисунков и 8 приложений на 56 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темы, сформулированы цель, идея, задачи исследования и научные положения.
В первой главе приведены анализ показателей работы и результаты наблюдений за эффективностью работы молотковых дробилок, эксплуатируемых на предприятиях Костанайской области Республики Казахстан.
В горной промышленности, теплоэнергетике и строительной отрасли молотковые дробилки применяются для дробления угля, бокситов, лимонитов, известняка и др. Существенным недостатком молотковых дробилок является то, что при дроблении твердых и особенно абразивных материалов происходит быстрый износ их рабочих элементов – молотков и футеровки. Влажность дробимого материала уменьшает производительность дробилок и увеличивает расход энергии при работе.
Годовой объем дробления пород на горных предприятиях с использованием молотковых дробилок приближается к 30 млн. т. Наибольшее распространение на открытых горных разработках и промышленных предприятиях получили молотковые дробилки отечественного и зарубежного производства, что объясняется возможностью эффективного разрушения широкого диапазона горных пород с различными физико-механическими свойствами. Объемы дробления горных пород молотковыми дробилками непрерывно возрастают: в 2000 г. – 14 млн. т, в 2005-м – 18 млн. т, в 2010-м – более 25 млн. т. По мере увеличения объемов дробления на карьерах все более актуальными становятся вопросы эффективности работы молотковых дробилок.
В решение проблемы теории разрушения горных пород молотковыми дробилками, повышения надежности и долговечности дробильного оборудования большой вклад внесли работы ученых П. Риттингера, В.Л. Кирпичева, Ф. Кика, Ф. Бонда, В.А. Олевского, В.П. Осокина, Е.Е. Серго, Б.В. Фадеева, Б.В. Клушанцева, В.А. Донченко, В.П. Барабашкина, С.Е. Андреева и др.
Экспериментально исследованы основные факторы, влияющие на производительность и технический ресурс молотковых дробилок.
Главную роль в повышении технического ресурса рабочего органа молотковой дробилки играют молотки. Условия работы молотков характеризуются высокой динамической нагрузкой, абразивным износом и необходимостью их частой замены. Все это создает особые требования к их конструкции. Конструкция молотков должна обеспечивать высокий коэффициент использования металла (отношение массы изношенной части к массе нового молотка). Материалы молотков должны обладать высокой износостойкостью и ударной вязкостью.
С целью повышения срока службы дробилки предложено применить шахматную расстановку молотков, которая защитит вал от прямого воздействия кусков горной породы. Существующие теории разрушения материалов в молотковых дробилках не учитывают влияние ресурса работы дробилки, её узлов и деталей на производительность. Влияние на степень дробления будет оказывать и расстояние между рядами молотков.
Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки процесса взаимодействия молотка с горной породой; составлена математическая модель процесса разрушения горной породы с учетом типа удара, в зависимости от расстановки молотков на валу ротора проведены моделирование НДС и алгоритмизация процессов, происходящих в дробилке.
Математическая модель основана на теории удара. В молотковых дробилках можно выделить два наиболее характерных вида взаимодействия молотка дробилки с горной породой: прямой удар, когда кусок породы опирается на детали дробилки и подвергается центрированному удару о молоток; и скользящий удар, когда происходит внецентренный удар по краю куска.
Разрушение породы молотками при прямом ударе
Ударные силы определяются величиной ударного импульса. В соответствии с теоремой количеств движения, ударный импульс И равен количеству движения молотка К:
К = И, (1)
К = m(vуд – vк); 
, (2)
где F(tуд) – ударная сила, Н; tуд – длительность удара, с; vуд – скорость соударения молотка о кусок, м/с; vк – скорость молотка после удара, м/с; m – масса куска породы, кг.
Ударный импульс определяется из заданных значений массы породы и скорости соударения молотка с куском.
Работа ударной силы для разрушения куска объемом V определяется в зависимости от физико-механических свойств породы и энергоемкости процесса ударного разрушения. В соответствии с гипотезой Ф. Кика, работа деформации (Дж) определяется по формуле
А = 0,52сжV / E,
где сж – предел прочности породы на сжатие, Па; V – объем деформируемого тела, м3; Е – модуль упругости породы, Па.
Длительность удара определяется величиной деформации или глубиной внедрения молотка в породу S, м:
tуд = S / (0,5 vуд) (2)
Работа разрушения породы при условии постоянства ударной силы определяется из выражения
А = Fуд.S. (3)
Тогда И = Fуд.tуд, Н/с.
С учетом выражения (2) получим
И = 2 FудS/vуд = 2А/ vуд. (4)
Из формулы (4) работа определяется:
A = 0,5 И vуд. (5)
Работа разрушения прямым ударом зависит от скорости соударения молотка о породу и ударного импульса.
Разрушение породы молотками при скользящем ударе за счет сжимающих нагрузок
Под действием удара молотка кусок дробимого материала, поданный в зону дробления, отбрасывается на подвижную плиту. Соударение молотка с куском происходит скользящим ударом. Процесс сопровождается скалыванием поверхностного слоя куска и постепенным дроблением.
Рассмотрим процесс удара как результат взаимодействия масс молотка и куска. Схема дробления куска молотковой дробилки со встроенными в корпус тяжелыми конвейерами показана на рис.1. Начало координат находится в месте контакта молотка и дробимого куска (точка А) в начальный момент удара. При скользящем ударе дробление происходит за счет сжатия породы при внедрении молотка по направлению вектора скорости скольжения vс.
Молотки, внедряясь, проворачивают кусок на угол, при этом деформация сжатия
= l1 – l2, (6)
где l1, l2 – расстояние от мгновенного центра скоростей до точки контакта А, м. Расстояние определяется по теореме косинусов:
l12 = 2r2 – 2 r2соs21;
l22 = 2r2 – 2 r2соs22, (7)
где r – радиус куска породы, м.
Подставив значения в формулу (6), получим величину деформации
= 1,414 r ((1 – соs21)0,5 – (1 – соs22)0,5). (8)
По закону Гука предел прочности на сжатие в куске породы
= Е, (9)
где = /l1 – относительная деформация куска; Е – модуль упругости породы, Па.
Величина максимальной деформации должна соответствовать деформации разрушения куска, при которой напряжения в куске будут равны пределу прочности породы на сжатие:
(10)
Следовательно, деформация разрушения зависит от положения молотка относительно куска, перемещающегося по отбойной плите, и размера куска.
На основании проведенного анализа процесса ударного взаимодействия молотков с кусками горной породы установлены рациональные области применения предложенных режимов удара:
- разрушение крупных кусков породы следует производить прямым ударом ввиду больших значений ударных сил;
- средние куски целесообразно разрушать в режиме скользящего удара, чтобы обеспечить повышенную степень дробления.
Проанализированы способы расстановки молотков на роторе. При кольцевом расположении молотков возникают следующие недостатки: между молотками пролетают значительные фракции породы, ударяя при этом в торец диска, что приводит к разрушению диска; при ударе молотка о большие фракции происходит отскок молотка, который, в свою очередь, соударяясь с промежуточным кольцом, приводит к его износу и разрушению деталей ротора. При проведении планово-предупредительных ремонтов (ППР) приходится восстанавливать детали наплавкой, что, в свою очередь, ведет к дисбалансу ротора и, как следствие, к преждевременному выходу из строя подшипников ротора и электропривода.
Для устранения этого явления предложено изменить конструкцию ротора путем установки молотков в разных плоскостях (рис. 2), что позволит перекрыть зону падения породы, устранить удары её о торец диска.
В предлагаемой конструкции молоток, отскакивая при ударе о крупные фракции, проворачивается на 360° и не ударяет по диску ротора. Это увеличивает ресурс работы ротора и снижает риск возникновения аварийных ситуаций.
В табл. 1 приведены расчетные параметры, полученные для двух схем установок молотков на диски ротора с учетом вида удара (прямого и скользящего).
Таблица 1
Сравнительный анализ вариантов установки молотков
| Показатели | Кольцевая установка | Шахматная установка |
| Поворот вала ротора, град | 90 | 45 |
| Частота вращения вала ротора, мин-1 (с-1) | 590 (9,8) | 750 (12,5) |
| Время между ударами, с | 0,026 | 0,013 |
| Путь, пройденный куском породы, м | 0,0052 | 0,0017 |
| Количество молотков, шт | 40 | 20 |
| Масса молотков, кг | 55 | 80 |
| Общий вес молотков, кг | 2200 | 1600 |
| Количество дисков, шт, из них: - крайних - промежуточных | 11 2 9 | 7 2 5 |
| Масса дисков, кг - крайних - промежуточных | 9510 750 890 | 7880 750 1276 |
| Итого масса ротора, кг | 14356 | 12174 |
| Мощность двигателя, кВт | 400 | 400 |
| Производительность, т/час | 290 | 370 |
| Усилие дробления, кН - приходящееся на один молоток | 7,62 0,76 | 5,99 1,2 |
| Распределенная нагрузка на валу, кН | 104,2 | 89,1 |
| Максимальный изгибающий момент, кН.м | 83,3 | 71,2 |
| Крутящий момент, кНм | 6,48 | 5,09 |
| Величина силы, действующей на диск, кН | 132,6 | 336,5 |
| Толщина диска, мм | 62 | 105 |
| Запас прочности диска | 5,34 | 4,5 |
| Коэффициент запаса прочности вала: - по нормальным напряжениям - по касательным напряжениям | 8,1 20,3 | 8,8 27,2 |
| Общий запас прочности | 7,52 | 8,4 |
| Долговечность подшипников вала ротора, час | 2,9 104 | 3,2 104 |
Ресурс работы молотковой дробилки при шахматном расположении молотков повысился в 1,5 раза, в отличие от кольцевой установки. При этом произошло снижение нагрузок в подшипниках дробилки и уменьшение нагрузки на вал ротора. Это дает увеличение времени безаварийной работы. Таким образом, шахматная установка молотков на роторе по многим параметрам превосходит кольцевую установку и является более рациональной.
Модель напряженно-деформированного состояния рабочих элементов молотковой дробилки построена с использованием компьютерного пакета Solid Works, определены деформация и напряжения, возникающие в элементах ротора при различных положениях молотков (рис. 3) с учетом вида удара.
Целью расчета является оценка нагрузок, действующих на вал ротора, который передает крутящий момент и постоянно испытывает ударные нагрузки. Особенностью конструкции является то, что предельное состояние может наступить как из-за достижения материалом пластического состояния, так и в результате потери устойчивости. Полученные напряжения не превышают допустимые значения, а для шахматного расположения – напряжения в 3 раза меньше, что доказывает рациональность конструкции.
Предложена конструкция молотка (рис. 4), для которой определены размеры, удовлетворяющие требованиям разрушения породы. Масса и размеры молотка определяют угол поворота его после удара по куску наибольшего размера в питании, то есть величину отскока. Максимальная величина угла поворота при молотках с бойком ограничивается дисками ротора.
Расчет молотка проведен: по величине силы, действующей при вращении ротора с учетом массы молотка и части оси подвеса; по расстоянию между осью подвески и центром тяжести; по моменту инерции молотка относительно оси его вращения; по радиусу и моменту инерции; по ударной нагрузке.
Учитывая математическую модель влияния скользящего удара на разрушение куска породы в рабочем пространстве молотковой дробилки и теорию Герца, согласно которой сила дробления находится в прямой зависимости от массы молотка и массы породы при дроблении, задаем значение угла контакта молотка с породой в начальный момент 1, определим угол 2, при котором произойдет разрушение породы для различных масс молотка.
Расчет проводим для куска породы диаметром 100 мм, при этом значении угол 1 = 80° (определен графически). Согласно теории разрушения величина на смещение центра инерции куска составляет для молотков различной массы от 0,017 до 0,025 мм, а масса молотков – от 50 до 100 кг (табл. 2). Подставив данные значения в формулу (10), получим: значение угла 2 изменяется от 40° до 70°. При этом самое лучшее разрушение породы
происходит при массе молотка, равной 80 кг.
Выведена зависимость степени дробления i от массы молотка (m1=0,84+0,5i) и энергоемкости N от массы ротора (m2 =10,3N-0,012) при новой и базовой конструкциях (m1 и m2 – масса молотка и ротора).
Теория разрушения была проверена с помощью компьютерного моделирования в программе ANSYS 11.0. Исходными данными для моделирования являлись: порода – глинистый боксит, модуль Юнга Е=3.108 Па, коэффициент Пуансона =0,3, плотность породы =2,87 т/м3, крепость f=8, диаметр куска для прямого удара d=300 мм, для скользящего – d=100 мм; молоток – сталь =7,8 т/м3, Е=2.1011 Па, масса m1 от 50 до100 кг; ротор – частота вращения n=590 об/мин, диаметр ротора d=1700 мм.
Таблица 2
Расчетные параметры при диаметре куска 100 мм
| Масса молот-ка, кг | Коэф. взаимосвязи массы молотка и массы куска породы | Макс.де-формация породы, м | Угол разруше-ния 2, 0 | Ширина молотка, мм | Масса ротора, т | Мощность дробилки, кВт |
| 50 | 0,704 | 0,0145 | 48 | 110 | 11,52 | 379 |
| 60 | 0,702 | 0,0162 | 54 | 132 | 11,78 | 388 |
| 70 | 0,699 | 0,0173 | 57 | 175 | 11,99 | 394 |
| 80 | 0,697 | 0,0181 | 62 | 208 | 12,17 | 400 |
| 90 | 0,696 | 0,0192 | 63 | 241 | 12,39 | 408 |
| 100 | 0,695 | 0,0193 | 63,5 | 278 | 12,62 | 414 |
Рассмотрен наиболее опасный случай при разрушении породы – это зажатие куска породы между отбойной плитой и молотком. Смещение в точке соприкосновения молотка с породой составляет около 80 мм, в центре породы – 50 мм, молоток же при ударе отскакивает от породы на 90 мм.
Возникающие напряжения формируют щель в породе, при прочности породы 300 МПа появляются участки с нагрузкой 341 МПа. Кроме того, создаются зоны повышенного напряжения в молотке, которые возникают в зоне удара (износ молотка) и в зоне крепления молотков. При диаметре куска 100 мм возникают деформации в породе, значения которых более 40 мм. Максимальные напряжения в породе 218 МПа. На рис. 5 показаны суммарные деформации и видно, что при прямом ударе формируется трещина шириной 1,5 мм, а при скользящем ударе – 1 мм.
На основании приведенных расчетов выбираем геометрические параметры молотка. Толщина молотка выбирается из условия перекрытия вала ротора установкой молотков в шахматном порядке, она равна 150 мм; высота принимается с учетом теории скользящего удара, то есть расстояние между краем молотка и отбойной плитой должно быть 100 мм, что соответствует выходному куску породы; ширина молотка составляет 300 мм, что соответствует максимальному размеру куска питания.
При помощи системы автоматизированного расчета и проектирования APM WinMachine выполнен расчет вала ротора на усталостную прочность при действующих на него нагрузках.
В третьей главе приведена методика экспериментальных исследований надежности молотковых дробилок с целью уточнения эксплуатационной производительности и определения интенсивности отказов рабочего оборудования (вала ротора, дисков, молотков) при различной установке молотков на валу ротора.
Проведены статистические исследования эксплуатационной надежности молотковой дробилки для установления закономерности изменения комплексного показателя надежности от срока эксплуатации и объема выполненных работ. Приведены закономерности в виде уравнений регрессий и графиков.
С помощью метода корреляционно-регрессионного анализа в результате обработки исходных статистических данных были получены модели, позволяющие прогнозировать комплексные показатели надежности молотковых дробилок в условиях дробления глинистых пород. Проведена оценка накопленных за 2011 год данных по эксплуатации рабочего органа (вал ротора, диски, молотки).
Рассчитаны вариационные ряды выборок по наработке на отказ каждого элемента рабочего органа по двум видам ротора. Составлены таблицы статистических данных и гистограммы распределения (см. рис. 7) для каждого типа рабочего органа, входящего в молотковую дробилку. На рис. 6 представлены показатели безотказности работы ротора базовой и новой конструкций.
Рис. 6. Графики показателей безотказной работы ротора базовой и новой конструкций
Уровень эксплуатационной надежности дробилок определяется структурой ремонтного цикла и системой технических обслуживаний. По системе ППР ремонтный цикл для молотковых дробилок: 6Т1+2Т2+К.
Анализ вероятностной характеристики показал, что полностью изнашиваются в этот период только молотки и диски, у всех остальных элементов имеется значительный ресурс работы. Поэтому в результате проведения модернизации молотков и дисков дробилки можно повысить межремонтные периоды между ТО с 420 до 700 ч., а между Т1 с 1410 до 2100 ч. работы. Новая конструкция дисков и молотков позволит выдержать такой режим ППР. Коэффициент готовности оборудования показывает вероятность работоспособного состояния машины в любой произвольный момент времени (рис. 8). Выведена зависимость производительности от времени простоев в ремонтах: Q=11-0,1t, где Q – средняя производительность; t – время простоя в ремонте.
Четвертая глава посвящена созданию программно-аппаратного комплекса диагностики рабочего оборудования, разработке мероприятий по повышению эффективности молотковых дробилок, анализу данных, полученных на реальной экспериментальной модели рабочего органа молотковой дробилки, расчету технико-экономических показателей дробилки.
Диагностика оборудования повышает надежность и увеличивает ресурс работы за счет раннего обнаружения дефектов и неисправностей, которые могут быть устранены во время технических обслуживаний.
В настоящее время известно много методов неразрушающего контроля, из которых наиболее подходящим для горнорудного производства является метод вибродиагностики. Суть метода заключается в анализе вибрационных параметров в различных точках оборудования. В работе использован один из параметров вибрации – виброускорение. Разработана компьютерная программа, которая накапливает данные по виброускорению в течение определенного количества времени работы дробилки, а при превышении допустимого предела сигнализирует об опасности, прогнозируя время предстоящего отказа дробилки. Диагностический комплекс состоит из вибропреобразователя, усилителя, самописца уровня, анализатора, электронно-лучевого осциллографа, датчиков тока и
напряжения. В качестве устройства сбора, обработки и хранения данных используется ПЭВМ.
Для оценки эффективности работы молотковой дробилки была разработана конструкция ротора с шахматным расположением молотков (рис. 9). Масса новой конструкции ротора уменьшена на 2 тонны за счет уменьшения количества и конфигурации дисков и молотков.
В процессе проведения эксперимента по оценке работо-способности молотковой дробил-ки с новой конфигурацией ротора была исследована эффективность дробления бокситовых руд.
Благодаря снижению массы рабочих органов уменьшаются нагрузки в подшипниках дробилки и нагрузки на вал ротора, что приводит к увеличению времени безаварийной работы.
Важным фактором, определяющим сопротивление молотков износу, является твёрдость поверхностного слоя, которая после термической обработки составляет 185-210НВ.
Известно, что высокую сопротивляемость износу сталь 110Г13Л имеет при твёрдости 450-500НВ и значительной глубине упрочненного слоя (30-40 мм). Из-за интенсивного износа молотков, определяемого десятками и даже сотнями миллиметров, производительность дробилок снижается. Как правило, молотки работают в тяжёлых условиях, когда абразивный износ сочетается с ударом при значительных удельных давлениях, достигающих 60 МПа. Даже такая износостойкая сталь, как 110Г13Л, не выдерживает условий эксплуатации: срок службы молотков составляет менее 30 дней, при этом в первые три дня изнашивается до 15 % общей массы (рис. 10). Это приводит к резкому изменению процесса дробления и появлению больших динамических вибраций.
Исследования по установлению характера распределения твёрдости по различным зонам поперечного сечения изношенных молотков показали, что значительного их наклёпа при работе не происходит. Максимальная твёрдость 390 НВ наблюдается на глубине 1-2 мм, при 4 мм она не превышает 250-280 НВ, а на глубине 5-8 мм соответствует исходной твёрдости металла в неупрочненном состоянии.
Существующие методы поверхностного упрочнения металла малоэффективны из-за малой глубины упрочнения (2-4 мм) и низкой производительности. Молотки, изготовленные из стали 110Г13Л или 40ГЛ, не наплавляются, так как наплавленный металл быстро скалывается в процессе работы, поэтому повышение износостойкости стали 110Г13Л является актуальной задачей. Для повышения твердости стали 110Г13Л, из которой изготовлены молотки, АО «КБРУ» был предложен метод упрочнения рабочих поверхностей молотков взрывом. Сущность этого метода заключается в том, что взрывчатое вещество, наложенное определённым образом на молоток, в результате взрыва создаёт у поверхности детали зону с давлением порядка сотен и тысяч паскалей. Ударный фронт, проходя через металл, производит его упрочнение на глубину до 20 мм.
Проведены исследования по выбору типа основания при таком упрочнении. С точки зрения достижения высокой твердости, достаточно высокой ударной вязкости и сохранения деталей от разрушения является основание из свинцовой стружки. В качестве взрывчатого вещества (ВВ) служил порошкообразный гексоген. Для выявления расхода ВВ на комплект молотков были проведены испытания с различной массой взрывчатки. Результаты испытаний приведены на рис. 11. В качестве прибора использовался твердомер ТБ 5004, производящий измерение твердости по методу Бринелля в диапазоне 4-450НВ. В результате испытаний выявлено, что оптимальный расход взрывчатого вещества составляет 1,6 кг на комплект молотков.
Проведено экономическое сравнение молотковой дробилки, работающей на КБРУ, и новой конструкции. Полученные в результате расчета данные показаны в табл. 3.
Таблица 3
Основные технико-экономические показатели двух вариантов дробилки
| Показатели | Базовая дробилка | Модернизированная дробилка |
| Производительность дробилки, тыс.т / г. | 2304 | 3003 |
| Капитальные вложения, тыс. руб. | 1278 | 270 |
| Численность рабочих, чел | 4 | 3 |
| Фонд зарплаты, тыс. руб. | 470 | 353 |
| Затраты на обслуживание дробилки, тыс. руб. | 7387,87 | 7316,2 |
| Масса дробилки, тыс.т. | 67 | 65 |
| Материалоемкость, тыс. руб. | 201 | 195 |
| Приведенные затраты, тыс. руб. | 7580 | 7330 |
| Экономический эффект, тыс. руб. | - | 256 |
Рост годовой производительности повысится на 30 %. Величина капитальных затрат снижена на 70 % за счет внедрения метода неразрушающего контроля, который позволит уменьшить время простоя в ТО и ремонтах и прогнозировать остаточный ресурс рабочего органа дробилки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основе выполненных исследований дано новое решение актуальной научной задачи – совершенствование конструктивных параметров рабочего органа молотковой дробилки, обеспечивающих увеличение межремонтных периодов оборудования, повышение эффективности его работы и снижение массы дробилки.
Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:
1. Разработана математическая модель процесса дробления в молотковой дробилке, учитывающая тип удара и позволяющая определить рациональные геометрические параметры рабочего органа (молотков), способы их установки.
2. Определены оптимальные параметры рабочего органа дробилки на основе исследования НДС его конструктивных элементов (вала, ротора, дисков, молотков), обеспечивающих снижение массы дробилки.
3. Разработана методика и составлена программа для ЭВМ по расчету остаточного ресурса рабочего органа молотковой дробилки на основе метода неразрушающего контроля (вибродиагностики).
4. Теоретически и экспериментально установлено влияние твердости поверхности молотков на скорость и равномерность их износа по ширине ротора. Твердость рабочей поверхности молотков должна быть 600-1000 НВ.
5. Экспериментально установлено, что упрочнение стали 110Г13Л методом взрыва позволяет повысить наработку молотков до 20 тыс. т по сравнению с базовыми молотками (наработка 14 тыс. т).
6. Разработан рациональный график выполнения ремонтных работ, основанный на анализе динамики износа рабочего органа (молотков).
7. Рекомендации, направленные на повышение эффективности молотковых дробилок, приняты к реализации на АО «КБРУ» с ожидаемым экономическим эффектом 256 тыс. руб. в год на одну дробилку.
Основные научные результаты диссертации
опубликованы в следующих изданиях:
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных
журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России
- Лагунова Ю.А., Брусова О.М., Саитов В.И. Увеличение срока службы молотковых дробилок // Известия вузов. Горный журнал. – 2012. – № 1. - С. 74-77.
- Лагунова Ю.А., Брусова О.М. Влияние коэффициента готовности на структуру ремонтного цикла дробильного оборудования // Эффективность молотковых дробилок: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – 2012. - № 1. – С. 3-6.
- Лагунова Ю.А., Брусова О.М. Математическая модель процесса дробления горной породы молотковыми дробилками // Эффективность молотковых дробилок: Отдельные статьи ГИАБ (научно-технического журнала). – 2012. - № 1. – С. 7-14.
Работы, опубликованные в других изданиях:
- Брусова О.М., Лагунова Ю.А. Использование систем автоматизированного расчета для выбора рациональной конструкции вала ротора молотковой дробилки // Научный вестник МГГУ. – 2012. – № 1. – С.19-22.
- Брусова О.М. Модернизация конструкции молотковой дробилки // Вестник науки Костанайского социально-технического института им. З.Алдамжар: Серия естественно-технических наук. - Костанай: Изд-во КСТУ. – 2009. - №1. – С. 56-61.
- Брусова О.М. Проблема абразивного износа рабочего инструмента молотковых дробилок // Вестник науки Костанайского социально-технического института им. З.Алдамжар: Серия естественно-техни-ческих наук. - Костанай: Изд-во КСТУ. – 2001. - №4. - С.57-62.
- Першин Г.Д., Брусова О.М. нтаыш балажмыс ралыны ызмет крсету мезгілін зарту // Вестник Жезказганского университета им. О.А. Байконурова. – Жесказган: Изд-во ЖезГУ. - 2011. - №4.- С. 120-124.
- Брусова О.М. Выбор оптимальной конструкции молотка для молотковой дробилки ДМЭ-1714,5 // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека: сб. докладов VII Международной научно-технической конференции. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. - С. 152-155.
- Брусова О.М. К вопросу увеличения производительности молотковых дробилок // Роль стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации. Проблемы и перспективы: материалы Международной научно-практической конференции. – Рудный: Изд-во РИИ, 2009. –Т.1. - С. 67-72.
- Брусова О.М. Оценка остаточного ресурса молотковой дробилки при помощи вибродиагностики // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека: сб. докладов VIII Международной научно-технической конференции. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. - С. 191-194.
- Олизаренко В.В., Брусова О.М. Оценка наработки на отказ деталей молотковой дробилки в условиях эксплуатации // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека: сб. докладов IХ Международной научно-технической конференции. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. С. 203-205.
- Першин Г.Д., Брусова О.М. Влияние расстановки молотков на валу ротора молотковых дробилок на производительность // Инновации в образовании и науке в условиях политической и экономической модернизации Казахстана: материалы Международной научно-практической конференции. – Рудный: Изд-во РИИ, 2011. – С. 123-126.
Подписано в печать 28 02.2012 г. Печать на ризографе.
Бумага писчая. Формат 60х84 1/16. Гарнитура Times New Roman.
Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ___
Издательство УГГУ
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Отпечатано с оригинал-макета
в лаборатории множительной техники издательства УГГУ.
