Гаряшин, Владимир Владимирович. Разработка конструктивных схем двухщековых дробильных машин и методов их кинематического и силового исследования

Короткий опис

Гаряшин, Владимир Владимирович. Разработка конструктивных схем двухщековых дробильных машин и методов их кинематического и силового исследования : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.13 / Гаряшин Владимир Владимирович; [Место защиты: Сиб. гос. индустр. ун-т].- Новокузнецк, 2012.- 130 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/406

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»
На правах рукописи

04201352286
Гаряшин Владимир Владимирович
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ДВУХЩЕКОВЫХ ДРОБИЛЬНЫХ МАШИН И МЕТОДОВ ИХ КИНЕМАТИЧЕСКОГО
И СИЛОВОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (металлургического производства)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ
доктор технических наук, профессор Дворников Л.Т.
Новокузнецк - 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ДРОБЛЕНИЕ И ДРОБИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
1.1 Понятие о процессе дробления. Его роль в металлургической промышленности 8
1.2 Классификация дробильных машин. Щековые дробилки 14
1.3 Современные требования к новым дробильным машинам 24
1.4 Постановка задач исследования 31
2 КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ДВУХЩЕКОВОЙ ДРОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ
2.1 Метрический синтез кинематической схемы двухщековой дро¬
бильной машины с шестисторонним замкнутым изменяемым контуром 32
2.2 Исследование кинематики двухщековой дробильной машины графоаналитическим методом 39
2.3 Обоснование замены вращательной пары на поступательную 47
2.4 Выводы 49
3 КИНЕМАТИЧЕСКОЕ И СИЛОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗ¬
МА ДВУХЩЕКОВОЙ ДРОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ С ОПОРНОЙ ПО-СТУПАТЕЛЬНОЙ ПАРОЙ
3.1 Метрический синтез кинематической схемы механизма двух¬щековой дробильной машины 50
3.2 Кинематическое исследование восьмизвенной дробильной ма¬шины графоаналитическим методом 60
3.3 Кинематическое исследование двухщековой дробильной маши¬ны с опорной поступательной парой аналитическим методом 75
3.4 Силовое исследование механизма двухщековой дробильной машины 82
3.5 Обоснование использование опорного звена двухщековой дро¬бильной машины в качестве третьей подвижной щеки 92
3.6 Выводы 95
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДРОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ
4.1 Энергопотребление и определение мощности привода 96
4.2 Определение производительности 102
4.3 Обоснование варианта схемы двухщековой дробильной
машины с поступательной парой 108
4.4 Методика расчёта и проектирования двухщековой дробильной машины с поступательной парой 109
4.5 Выводы 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 117
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Патент на изобретение «Двухщековая дробильная машина» 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Положительное решение по заявке на изобретение «Трёхщековая дро¬бильная машина» 126
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Акт использования методики расчёта щековых дробилок 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Акт использования результатов диссертационной работы 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Акт использования методики расчёта щековых дробилок 130
ВВЕДЕНИЕ
Одним из первых и наиболее энергоёмких процессов в металлургиче¬ском производстве является процесс дробления минерального сырья, в основ¬ном - руд чёрных и цветных металлов. Ежегодно из недр Земли извлекается и перерабатывается около 25 млрд. тонн минерального сырья, требующие для их переработки десятки ГВт часов энергии.
Главное требование, предъявляемое к рудоподготовке, - максимальное раскрытие полезных минералов, которое достигается в процессе дробления и измельчения исходной горной массы. Практически все применяемые в на¬стоящее время технологии переработки предусматривают последовательное сокращение крупности в 4-6 стадий - в зависимости от типа горной породы, ее физико-механических свойств и требований к конечному продукту дробления. В каждой стадии применяется одна дробилка, а в общей технологической схе¬ме многостадийного процесса - соответствующее количество дробилок, кон¬вейеров, перегружателей, грохотов и других устройств. Самое широкое при¬менение имеют щековые дробилки, используемые на стадиях крупного и среднего дробления.
Задача совершенствования самого процесса дробления и дробильных машин является не просто актуальной, её решение можно отнести к вопросам государственной важности.
В настоящей работе решается задача создания новых схем щековых дробильных машин, оснащённых двумя и более рабочими щеками, что может обеспечить увеличение степени дробления материала за одну операцию при сохранении заданной производительности.
Целью работы является обоснование принципов структурного синтеза, полного кинематического и силового анализа двухщековых дробильных ма¬шин, а так же возможности их практического применения. '
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Исследовать кинематику двухщековой дробильной машины, содер¬жащей в своём составе шестизвенный замкнутый изменяемый контур: обосно¬вать способ метрического синтеза её кинематической схемы; разработать ме¬тоды её кинематического анализа, позволяющие проведение корректировки схемы.
2. Обосновать необходимость усовершенствования двухщековой дро-бильной машины путём введения в её состав опорного поступательно движу¬щегося звена.
3. Разработать методы кинематического и силового исследования новой, защищённой патентом РФ двухщековой дробильной машины с опорной по-ступательной парой.
4. Обосновать возможные модификации конструкции новой двухщеко¬вой дробильной машины с использованием поступательно движущегося звена в качестве дополнительной подвижной щеки.
5. Найти способы определения усилий дробления и производительности неоднощековых дробильных машин с учётом одновременного разрушения дробимого материала в нескольких секциях камеры дробления.
6. На основании проведённых исследований разработать общую мето¬дику расчёта щековых дробильных машин с двумя и более подвижными ще¬ками.
Методы исследования. В работе использованы методы структурного синтеза, кинематического и силового анализа механических систем, положе¬ния механики разрушения и теории производительности машин.
Научные положення, выносимые на защиту:
1. Изучение более чем векового опыта создания и промышленного при¬менения щековых дробильных машин показало, что в направлении их совер¬шенствования может быть реализована идея использования нескольких дро¬бящих щек при согласованном их движении, способных разрушать дробимый материал до различных размеров фракций. Уже при создании двух щековых дробильных машин становится необходимым решать новые задачи их струк¬турного синтеза.
2. Создание новых структурных схем дробильных машин с использова¬нием двух и более подвижных щек, защищённых патентами РФ на изобрете¬ние, потребовало разработки новых подходов и приёмов при выполнении мет¬рического синтеза кинематических схем, позволяющих последовательно ме¬тодом итераций находить вполне работоспособные схемы, имеющие перспек¬тивы воплощения в металле.
3. Кинематическое и кипетостатическое исследование найденных кине-матических схем, в основе которых лежит применение сложной шестизвенной статически определимой группы Ассура нулевой подвижности, не может быть осуществлено без разработки специальных, ранее не применявшихся методов и приёмов, основанных на решении новых задач теории механизмов.
4. При исследовании производительности и энергоёмкости двухщековых дробильных машин возникает новая применительно к щековым дробилкам за¬дача о согласовании работы последовательных секций машины, образованных дробящими щеками, как по степени дробления, так и по объёмам дробимого материала.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций рабо¬ты подтверждается результатами теоретических исследований, основанных на классических методах теории механизмов и машин, применительно к конст¬рукциям новых дробильных машин с двумя подвижными щеками.
Научная новизна работы заключается в разработке:
• Нового приёма метрического синтеза, основанного на согласовании фрагментов группы нулевой подвижности;
• Методов кинематического и силового исследования новых, ранее не применявшихся в технике механизмов;
• Приёмов согласования производительностей секций дробильной ма¬шины.
Практическая полезность работы заключается в том, что разработан¬ные схемы неодиощековых дробильиых машин могут быть доведены до про¬мышленного использования, а разработанные методы их исследования и про¬ектирования могут быть применены при разработке новых щековых дробиль¬ных машин.
Апробация работы.
Основные результаты исследования докладывались на:
• ХПІ, XIV и XV Всероссийских научных конференциях студентов, ас¬пирантов и молодых ученых, 2009-2011гг, г. Новокузнецк, Россия;
• XXI, XXII и XXIII научно-практических конференциях по секции ме¬ханики и машиностроения, 2010 - 2012гг, г. Новокузнецк, Россия;
• Первом международном Джолдасбековском симпозиуме, 2011 г, г. Алматы, Казахстан;
• V международной конференции «Проблемы механики современных машин», 2012г, г. Улан-Удэ, Россия.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 1 научная статья в журнале, входящем в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ; 7 публикаций в материалах Международных и Всероссийских кон¬ференций; 1 патент на изобретение и 1 решение о выдаче патента на изобрете¬ние.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертацион¬ная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования, на¬учной новизне и практической полезности соответствует п.1 «Разработка на¬учных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современ¬ными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии, качества, на¬дежности, долговечности, промышленной и экологической безопасности» паспорта специальности 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (металлур¬гического производства).

Список літератури

Таким образом, проведённые в работе исследования с разработкой но¬вых методов метрического синтеза, кинематического и силового анализа двухщековых дробильных машин создают основу для дальнейшего исследо¬вания таких машин, а в перспективе - открывают возможности их практиче¬ского применения.
1. Мощность привода исследованной щековой дробильной машины оп¬ределяется путём интегрирования величины уравновешивающего мо¬мента на приводном валу за время цикла её работы. Закон изменения уравновешивающего момента устанавливается на основании кинето- статического исследования машины, при условии, что усилия дробле¬ния устанавливаются как средние с учётом реальных сил сопротивле¬ния дроблению в каждой секции камеры дробления.
2. Использование в дробильной машине нескольких подвижных щек ста¬вит новую задачу при их проектировании, а именно задачу о согласо¬вании производительности и разрушения во всех секциях камеры дробления. Лишь при одинаковой производительности секций можно добиться наиболыие производительности в целом.
3. Коэффициент заполнения камеры дробления не зависит от размеров загрузочного и разгрузочного отверстий, его значение на 18% ниже среднего рекомендуемого в известной литературе. Это уточнение по¬зволяет приблизить значение расчётной производительности к дейст¬вительному.
4. Трёхщековая дробильная машина может использоваться на практике в нескольких вариантах: со всеми тремя подвижными щеками; с двумя подвижными щеками - верхней и средней; с двумя подвижными ще¬ками - средней и нижней. Разработанные методы и приёмы могут быть использованы для исследования всех трёх модификаций.
Суммируя вышесказанное, следует отметить, что в диссертации содер¬жится решение актуальной научно-технической задачи разработки методоло¬гических основ исследования и проектирования новых неоднощековых дро¬бильных машин, имеющей существенное значение для развития металлурги¬ческой промышленности. Основные выводы по работе:
1. Одним из действенных направлений совершенствования щековых дро¬бильных машин является использование для дробления двух и более рабо¬чих щёк с синхронизацией их взаимодействия. Со структурной точки зре¬ния неоднощековые дробильные машины требуют использования в их со¬ставе сложных, не распадающихся па более простые, групп Ассура - до шестизвенных включительно.
2. Для механизма двухщековой дробильной машины с шестиугольным замк¬нутым изменяемым контуром разработаны оригинальные метод метриче¬ского синтеза кинематической схемы и графоаналитический метод опреде¬ления скоростей звеньев, а также найдено решение для определения уско¬рений, основанное на методе У.А. Джолдасбекова.
3. Недостатки, выявленные в ходе исследования двухщековой дробильной машины, вызвали необходимость усовершенствования её конструкции. Была доказана необходимость замены одной из вращательных кинемати¬ческих пар, а именно пары трёхпарного балансирного звена, соединяющей его со стойкой, на поступательную. Изменение конструкции оказалось су¬щественным, что подтверждается патентом РФ на изобретение.
4. Задачи метрического синтеза, кинематического и силового анализа двух-щековой дробильной машины с поступательно движущимся опорным зве¬ном потребовали обоснования и использования принципиально новых приёмов и методик, неизвестных ранее в теории механизмов.
5. На основании созданной виртуальной модели камеры дробления машины и рассмотрения возможного варианта одновременного разрушения материа-
ла во всех её секциях, разработаны рекомендации для определения мощно¬сти привода машины исходя из результатов кинетостатического исследо¬вания, и производительности, с учётом её равенства во всех секциях.
6. Разработанная в диссертации методика расчёта неоднощековых дробиль¬ных машин с шестисторонним замкнутым изменяемым контуром основы¬вается на условии равенства производительностей во всех секциях дробле¬ния и может найти применение в теории сложных схем дробильных ма¬шин.
7. Механизм новой щековой дробильной машины с опорной поступательной парой может выполняться в трёх модификациях: с двумя подвижными ще¬ками - верхней и средней (патент РФ 2423179); с тремя подвижными ще¬ками (положительное решение по заявке № 2011139062 на выдачу патен¬та); с двумя подвижными щеками - средней и нижней. Выявление опти¬мальной модификации требует полного исследования каждой с использо¬ванием приёмов и методик, разработанных в настоящей диссертации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Андреев С. Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископае¬мых [Текст] / С. Е. Андреев, В. А. Петров, В. В. Зверевич. - 3-є изд., пере- раб. и доп. - М. : Недра, 1980. - 415 с.
2. Артоболевский И. И. Теория механизмов [Текст] / И. И. Артоболевский. - М. : Наука, 1975. - 776 с.
3. Артоболевский И. И. Синтез плоских механизмов [Текст] / И. И. Артобо-левский, Н. И. Левитский, С. А. Черкудинов. - М. : Физматгиз, 1959. - 1084 с.
4. А. с. 1173826 СССР, МКИ3 Е 21 С 39/00. Способ Л. Т. Дворникова - Н. И. Наумкина определения энергоемкости разрушения горных пород и устройство для его реализации [Текст] / Л. Т. Дворников, Н. И. Наумкин. - №3665714/22-03; заявл. 25.11.83; опубл. в откр. печати не подл.
5. Басов А. И. Механическое оборудование обогатительных фабрик и заво¬дов тяжелых цветных металлов [Текст] / А. И. Басов. - М. : Металлургия, 1974.-527 с.
6. Бауман В. А. Механическое оборудование предприятий строительных ма-териалов, изделий и конструкций: учебник для строительных вузов [Текст] / В. А. Бауман, Б. В. Клушанцев, В. Д. Мартынов. - 2-е изд. пере- раб. - М. : Машиностроение, 1981. -324 с.
7. Бейер Р. Кинематический синтез механизмов [Текст] / Р. Бейер. - М. : Машгиз, 1959. - 318 с.
8. Булычев В. В. Дробильные машины. Конструкция, эксплуатация, ремонт [Текст] / В. В. Булычев. - Свердловск : Металлургиздат, 1957. - 211 с.
9. Гаряшин В. В. Кинематическое исследование плоского восьмизвенного механизма шестого класса с замкнутым изменяемым контуром [Текст] /
В. В. Гаряшин // Наука и молодежь : проблемы, поиски, решения : труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / под общей редакцией JI. П. Мышляева. - Новокузнецк : Сиб- ГИУ, 2010. - Вып. 14. - Ч. III. Технические науки. - С. 314 - 317.
10. Гаряшин В. В. Кинетостатика восьмизвенного механизма с поступатель¬ной парой [Текст] / В. В. Гаряшин // Наука и молодежь : проблемы, поис¬ки, решения : труды Всероссийской научной конференции студентов, ас¬пирантов и молодых ученых / Под общей редакцией Л. П. Мышляева. - Новокузнецк : СибГИУ, 2011. - Вып. 15. - Ч. III. Технические науки. - С. 235-237.
11. Гаряшин В. В. Обоснование кинематической разрешимости механизма трёхщековой дробильной машины [Текст] / В. В. Гаряшин // Проблемы механики современных машин : материалы V международной конферен¬ции. - Улан-Удэ : изд-во ВСУГТУ, 2012. - Т. 1. - 276 с.
12. Гернет М. М. Курс теоретической механики : учебник для вузов [Текст] / М. М. Гернет. - 3-є, изд., перераб. и доп.. М. : «Высшая школа», 1973. - 464 с.
13. ГОСТ 27412-93 Дробилки щековые. Общие технические условия [Текст]. -Введ. 01.07.1997. - Минск. : Межгос. совет по стандартизации, метроло¬гии и сертификации ; М. : Изд-во стандартов, 1997. - 24с.
14. ГОСТ Р 50544-93 Породы горные. Термины и определения [Текст]. - Введ. 31.03.1993. - М. : Изд-во стандартов, 1993. - 48с.
15. Дворников Л. Т. К проблеме совершенствования щековых дробильных машин [Текст] / Л. Т. Дворников, А. В. Макаров // Машиностроение : ма¬териалы XXI региональной научно-практической конференции по про¬блемам механики и машиностроения. - Новокузнецк : СибГИУ. — 20II.— №21.-С. 115-131.
16. Дворников Л. Т. Структура, кинематическое и силовое исследование пло¬ских шарнирных групп Ассура : монография [Текст] / Л. Т. Дворников,
С. П. Стариков. - Новокузнецк : СибГИУ, 2010. - 198 с.
17. Дворников Jl. Т. Кинетостатическое исследование плоского восьмизвен¬ного механизма шестого класса с поступательной парой [Текст] / Jl. Т. Дворников, В. В. Гаряшин // Вестник КузГТУ. - 2012. - № 1. - С. 72 - 73.
18. Дворников Л. Т. Энергоемкость разрушения как фундаментальная харак-теристика горных пород [Текст] / Л. Т. Дворников, Н. И. Наумкин // Из¬вестия АН Кирг. СССР . - 1988. № 2. - С. 75 - 80.
19. Джолдасбеков У. А. Графоаналитические методы анализа и синтеза меха-низмов высоких классов [Текст] / У. А. Джолдасбеков. - Алма-Ата : Нау¬ка, 1983.-256 с.
20. Дороннин В. И. Синтез плоских стержневых механизмов, приближенно воспроизводящих заданное движение ведомого объекта [Текст] / В. И До¬роннин // Механика машин, 1969. - Вып. 15 - 16. - С. 5 - 23.
21. ЕНиР. Единые нормы и расценки на строительные, монтажные и ремонт¬но-строительные работы. Сборник Е 36. Горнопроходческие работы. Вы¬пуск 1. Строительство угольных шахт и карьеров [Текст]. - М. : Стройиз- дат, 1987. - 126 с.
22. Загудаев А. И. Влияние жесткости щековой дробилки на её технико-экономические показатели [Текст] / А. И. Загудаев, Г. А. Ревзин // Тр. ВНИИстройдормаша. - 1984. - № 99. - С. 13-19.
23. Заявка 2011139062 РФ, МПК8 В 02 С 1/04. Трёхщековая дробильная ма¬шина [Текст] / Л. Т. Дворников, В. В. Гаряшин ; заявитель ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» ; заявл. 23.09.2011.-6 с. : ил.
24. Зиновьев В. А. Курс теории механизмов и машин [Текст] / В. А. Зиновь¬ев. - М. : Наука, 1975. - 204 с.
25. Клушанцев Б. В. Дробилки. Конструкции, расчёт, особенности эксплуа¬тации [Текст] / Б. В. Клушанцев, А. И. Косарев, Ю. А. Муйземнек. - М. : Машиностроение, 1990. - 320 с.
26. Клушанцев Б. В. О некоторых особенностях кинематических схем и кон¬струкций щековых и конусных дробилок [Текст] / Б. В. Клушанцев // Тр. ВНИИстройдормаша, 1977. Вып. 77. С. 3 - 13.
27. Кожевников С. Н. Теория механизмов и машин [Текст] / С. 1-І. Кожевни¬ков. -М. : Машиностроение, 1973. - 592 с.
28. Комаровский Э. Б. Дробильно-измельчительные системы ДАУ [Текст] /
Э. Б. Комаровский // Горная промышленность. - 2008. - № 5. - С. 34.
29. Косарев А. И. Исследование нагрузок на эксцентриковый вал щековой дробилки со сложным движением подвижной щеки [Текст] / А. И. Коса¬рев, Н. С. Овчаренко, Г. А. Сперанский, А. П. Арбузов // Тр. ВНИИстрой- дормаша. - 1977. -№ 77. - С. 18-21.
30. Левенсон Л. Б. Дробильно-сортировочные машины и сортировки [Текст] / J1. Б. Левенсон, П. М. Цигельный. - М. : Госстройиздат, 1952. - 562 с.
31. Левенсон Л. Б. Производство щебня [Текст] / Л. Б. Левенсон, Г. М. Клю¬ев. -М. : Госстройиздат, 1959. - 168 с.
32. Левитский Н. Н. Теория механизмов и машин [Текст] / Н. 1-І. Левитский. - М. : Наука, 1990. - 590с.
33. Лейбович Р. Е. Технология коксохимического производства: учебник для техникумов [Текст] / Р. Е. Лейбович, Е. И. Яковлева, А. Б. Филатов. 3-є изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1982. - 360с.
34. МА «Навигатор». Обзор дробильного оборудования : информационный обзор. [Электронный ресурс] - Череповец, 2010. Режим доступа: http://marketing.rbc.ru/research/562949978621347.shtinl.
35. Макаров А. В. Исследование процесса разрушения горных пород щеко- выми дробильными машинами и разработка методов совершенствования их конструкций [Текст] : диссертация на соискание учёной степени кан¬дидата технических наук ; 01.02.06 / Макаров Алексей Владимирович. - Новокузнецк, 2004. - 142 с.
36. Макаров А. В. Кинематика механизмов с шестиугольным замкнутым из-меняемым контуром [Текст] / А. В. Макаров, В. В. Гаряшин // Наука и молодежь : проблемы, поиски, решения : труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / под общей ре¬дакцией Л. П. Мышляева. - Новокузнецк : СибГИУ, 2009. - Вып. 13. - Ч.
III. Технические науки. - С. 275 - 278.
37. Макаров А. В. О синтезе кинематических схем щековых дробильных ма¬шин [Текст] / А. В. Макаров, В. В. Гаряшин // Тезисы докладов первого международного Джолдасбековского симпозиума (1-2 марта, 2011 г.). - Алматы: Казак университеті, 2011. - С. 88.
38. Механическое оборудование заводов цветной металлургии [Текст] : учебник для вузов. В 3-х частях. Ч. 1. Притыкин Д. П. Механическое оборудование для подготовки шихтовых материалов. / Д. П. Притыкин. - М. : Металлургия, 1988. - 392 с.