Обгрунтування параметрів дискової збагачувальної машини для переробки гірської маси

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

СОКОЛОВСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.926

Спеціальність 8.05070205 – Електромеханічні системи геотехнічних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

магістр

Київ - 2015

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі електромеханічного обладнання енергоємних

виробництв Національного технічного університету України «Київський

політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 16’’червня 2015 року об______годині на засіданні ДЕК

кафедри електромеханічного обладнання енергоємних виробництв НТУУ «КПІ» за

адресою, 03056, м. Київ, вул. Борщагівська 115, корпус 22, 504-22

З дисертацією можна ознайомитись на кафедрі електромеханічного обладнання

енергоємних виробництв НТУУ «КПІ» за адресою, 03056, м. Київ, вул.

Борщагівська 115, корпус 22,504

Науковий керівник доктор технічних наук, доцент Зайченко Стефан

Володимирович

Національний технічний університет України «КПІ»,

м. Київ, доцент електромеханічного обладнання

Рецензентдоктор технічних наук, професор Гарнець В. М.

Київський національний університет будівництва та

архітектури, м. Київ, завідувач кафедри «Основ

професійного навчання»

Консультант з

економічних питань

Консультант з

охорони праці та

техніки безпеки

кандидат технічних наук, доцент Володченкова Н.В,

Національний технічний університет України «КПІ»,

м. Київ, доцент кафедри охорони праці, промислової

та цивільної безпеки

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність досліджень У структурі світових запасів органічного палива на

вугілля припадає 67, нафту - 18 і на природний газ - 15 відсотків, а в Україні ці

показники становлять відповідно 95.4, 2 і 2.6 відсотка . За прогнозами, у новому

столітті питома вага вугілля у балансі енергоспоживання зростатиме. Проте вугільна

промисловість України за економічними, фінансовими, технічними та соціальними

показниками перебуває в кризі.

Безперервне зростання механізованого видобутку вугілля, залучення до нього

тонких пластів і пластів з порушеннями веде до підвищення вмісту в гірничій масі

мінеральних домішок і дрібних фракцій. Підвищена зольність енергетичного вугілля

знижує ККД парововикористовуючих агрегатів, викликає передчасний знос де-

яких вузлів обладнання, сприяє забрудненню золою навколишнього середовища.

Збільшення зольності коксівного вугілля приводить до підвищення витрат при їх

підготовці до коксування, витрат коксу і флюсів при виробництві чавуну і зниження

продуктивності доменних печей.

В останні роки спостерігається тенденція зниження якості добуваємого

вугілля за рахунок збільшення зольності і ступені подрібнення гірничої маси, тому

реалізація ефективних методів сухого збагачення дрібних класів вугілля в умовах

шахт особливо актуальна. Створення компактного і енергоємного обладнання

машин для збагачення вугілля дозволить значно зменшити транспортні витрати при

доставці на збагачувальні фабрики. Світові тенденції вирішення поставлених

завдань. Для видалення з твердих горючих копалин мінеральних компонентів,

широко використовуються різні способи збагачення, основані на використанні

різниці фізичних, фізико-хімічних, а іноді і хімічних властивостей горючої маси і

мінеральних включень.

Основними процесами збагачення вугілля в Україні, як і у всьому світі, є зба-

гачення у важких середовищах, у відсадочних і флотаційних машинах. У 1992 р. в

Україні збагачено 112.2 млн. т вугілля, в тому числі 23.6 відсотків у важких сере-

довищах, 63.1 відсотків у відсадочних машинах і 13.3 відсотків у флотаційних ма-

шинах . У 1993 р. ці цифри відповідно становили 93.1 млн. т, 23.4, 64.4 12.2 від-

сотків. На збагачувальних фабриках ХМО "Укркокс" збагачено в 1992 р. 11.5 млн. т

вугілля, з них 73.7 відсотків у відсадочних машинах і 26.3 відсотків у флотаційних

машинах. У 1993 році ці показники були рівні відповідно 9.0 млн. т, і 75.7 і 24.3

відсотків.

Використання традиційної технології збагачення зумовлює високу

металоємність та енергоспоживання, в результаті чого зростає ціна на обладнання та

обслуговування.

Разом з цим, вже близько 15-ти років відома технологія сухого збагачення ву-

гілля методом виборчого подрібнення. Даний принцип було застосовано на дослід-

но-експериментальній установці яку було встановлено на ОАО «Павлоградуголь»

шахті імені Героїв космосу. Експериментально-дослідна машина підтвердили

можливість застосування технології виборчого подрібнення по куту тертя.

Цілком актуально, що в умовах ринку ніякої інформації щодо конструктивних

особливостей машин виборчого подрібнення (МВП) і методик розрахунку їх

параметрів не публікується. Аналіз існуючої технічної і економічної інформації,

досвід промислових і лабораторних досліджень дозволяє стверджувати, що

створення нових МВП і розробка методики їх проектування і розрахунку є

актуальними на сьогодні і перспективними на майбутнє.

Зв’язок теми з науковими розробками, темами.

Постановою Кабінету Міністрів України від 19 вересня 2001 року № 1205

затверджено Програму "Українське вугілля", якою передбачені основні техніко-

економічні показники розвитку вугільної промисловості, джерела і обсяги

фінансування капітальних вкладень, бюджетного фінансування галузі, а також

перелік шахт і розрізів, що підлягають будівництву, реконструкції технічному

переоснащенню та закриттю.

Упроваджується система стратегічного планування розвитку галузі, яка пе-

редбачає:

• розроблення та здійснення комплексу дієвих заходів, спрямованих на за-

безпечення досягнення оптимальних параметрів гірничого господарства кожної

діючої шахти з необхідною концентрацією гірничих робіт;

• Заплановано докорінне технологічне оновлення основних фондів вугле-

добувних підприємств та подальший розвиток діючих шахт. Серед державних

підприємств галузі підлягають реконструкції 46 шахт, модернізації і технічному

переоснащенню - 62 шахти;

• Удосконалення виробництва вугільної продукції потребує надійного на-

укового обґрунтування, для чого здійснюються заходи з підвищення потенціалу та

посилення ролі галузевої науки за науково-технологічним, проектно-

конструкторським та дослідно-експериментальним напрямом.

• Необхідно підвищити рівень співпраці Національної і галузевих академій

наук у вирішенні актуальних питань розвитку вугільної промисловості.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи - полягає в знаходженні основних закономірностей розподілу

контактних тисків, в зонах взаємодії робочих органів дискової збагачувальної

машини з оброблюваним середовищем, та розробці на цій основі розрахунку голов-

них параметрів необхідних для проектування машин подібного класу.

Для досягнення означеної мети були сформульовані такі задачі:

а) провести аналіз існуючих передових методів збагачення вугілля;

б) розробити новий енергоресурсозберігаючий метод сухого збагачення

вугілля;

в) провести аналіз теорій і методів розрахунку контактної взаємодії

робочих органів з оброблюваним середовищем;

г) розробити математичну модель контактної взаємодії дискових робочих

органів з гірською масою;

д) створити методику розрахунку дискової збагачувальної машини

Об’єкт дослідження – процес збагачення вугілля за тертям

Предмет дослідження – взаємодія гірничої маси з робочими органами при

збагаченні за тертям

Методи дослідження. – математичне, комп'ютерне моделювання процесу

збагачення вугілля за тертям, статистичний аналіз даних, експериментальні

дослідження на ЕОМ, комп'ютерне моделювання за допомогою програм AutoCAD,

MathCAD, SolidWorks, Microsoft Excel.

Наукова новизна отриманих результатів.

1) Вперше була створена математична модель залежності крутного

моменту і потужності від геометричних та міцносних параметрів вугілля

2) Вперше було розроблено рівняння для знаходження продуктивності

дискової збагачувальної машини

3) Вперше були визначені енергосилові параметри приводу

4) Вперше була визначена енергоефективність дискової збагачувальної

машини

Практичне значення отриманих результатів.

На основі теоретичних досліджень процесу збагачення гірської маси було

розроблено методику розрахунку енергосилових параметрів машини.

Публікації. Результати магістерської дисертаційної роботи опубліковано у 5

наукових працях, в тому числі: 2 – у провідних фахових виданнях (з них 1 – в

іноземному виданні), 2 – в матеріалах конференцій, 1 – патент на корисну модель

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних

висновків викладених на 125 сторінках. Робота містить 12 таблиць, 35 рисунків,

список використаних джерел 36 найменувань на 2 сторінках та 1 додатку на 1

сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми, сформульовано мету,

об’єкт, предмет дослідження і задачі, які були розглянуті у роботі.

У першому розділі проаналізовано проблеми сучасних методів збагачення

вугілля. А саме:

1. Непридатність більшості агрегатів до роботи з дрібними класами

2. Гостра потреба у вузькокласифікованому вихідному матеріалу.

Ефективність роботі машин значно знижується при розширенні інтервалу розмірів

робочої фракції.

3. Значне зниження ефективності процесу розділення в машинах після

простоїв їх більше одної доби внаслідок окислення робочих поверхонь.

4 Для встановлення стійкого процесу розділення має місце гостра необхідність

в однорідності фізико-механічних властивостей відповідних складових загального

потоку вихідної гірничої маси.

5. Непридатність вологих матеріалів, внаслідок зміни властивостей поверхні

при зміні вмісту вологи в зразку

Силове видалення невугільних фракцій з видобутої породи є перспективним

методом збагачення вугілля за тертям. Результати, виконані раніше, не відо-

бражають загальних закономірностей процесу і тому не можуть бути основою для

створення методики розрахунку машин подібного класу.

У другому розділі складено методику досліджень на основі системного

аналізу, сформовано чотири етапи дискової збагачувальної машини. Проведено

планування експерименту на основі повно факторного експерименту. В якості

параметра оптимізації взято крутний момент.

На параметр оптимізації перераховані фактори впливають пропорційно,

на що вказують лінійні ефекти. Найбільший вплив має коефіцієнт заповнення

камери. Інші фактори також мають вплив але менший.

Максимальне значення крутного моменту 1295 Hм. досягнуто при коефіцієнті

заповнення камери - 0.25, коефіцієнту тертя – 0.45 , діаметру вугілля – 0.045м. Але

для досягнення найбільшого ефекту потрібно, щоб потужність була в межах 10-

15кВт.

У третьому розділі був проведений опис процесу збагачення вугілля за

тертям дискової збагачувальної машини. Були досліджені такі питання як:

1. Умова захоплення породи дисками

2. Модель контактної взаємодії дисків з вхідною породою

3. Визначення крутного моменту М та потужності N необхідних для

обертання дисків

M x=xτ=∫α

α−φ

R sin ( α x ) μ ( α−α x ) R d dα++∫φ

0

R sin ( α x ) μ σφ

α x R d dα=¿

¿R2 μσd sin ( α )+R2 μσd sin (φ−α )

φ−α−R2 μσd cos (φ−α)

φ−α+¿

+R2 μσd ¿¿

Остаточно визначена залежність для визначення крутного моменту M і

потужності N необхідних для обертання дисків збагачувальної машини з

урахуванням коефіцієнта заповнення камери дроблення k з

M=kз M x;N=k зω M x

а б

Рисунок 1 – Епюра розподілу:

а) M=f ( Rm , σn )б)N=f ( Rm , σn )

4. Визначення продуктивності та побудова графіку залежності

P= f ( ρ , k з .в .n ), тгод

Рисунок 2 – Епюра розподілу продуктивності.

5. Визначення енергоємності та побудова графіку залежності

Q=f (W , P ), тгод

Рисунок 3 – Епюра розподілу енергоємності

У четвертому розділі В результаті виконання цього розділу було описано

випадкові величини моменту і коефіцієнта завантаження вугілля , наведено

повні математичні аналоги відповідних випадкових величин.

Визначено характер розподілу випадкових величин та знайдені їх числові

характеристики.

Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами,

побудованими на основі статистичного ряду.

Рисунок 3 – Функція показникового розподілу f ( x )=λ⋅e− λxпри x>0.

У п’ятому розділі був розглянутий негативний вплив породних відходів

вуглевидобутку на навколишнє середовище. Запропоновано напрями утилізації

породних відходів з метою зниження навантаження на довкілля, зокрема,

розглянуто питання використання дискової збагачувальної машини.

Також запропонований захист обслуговуючого персоналу при роботі з

машиною для збагаченням за тертям.

ВИСНОВКИ

1. Запропонована нова схема збагачення вугілля за тертям з силовим

видаленням породи, та захищена патентом на корисну модель «Дискова

збагачувальна машина» .

2. Обгрунтовано розрахункові моделі взаємодії робочих органів дискової

збагачувальної машини з вхідним матеріалом.

3. Запропонована методика визначення умов захвату часток сировини при

збагаченні вугілля з силовим видаленням породи

4. Запропонована методика розрахунку конструктивних параметрів дисків та

відстані між ними.

5. Створено модель контактної взаємодії дисків з вхідною породою на базі

існуючих теорій контактної взаємодії.

6. Створено рівняння для визначення нормальних та дотичних тисків в камері

подрібнення.

7. За допомогою рівнянь контактних тисків створено рівняння для визначення

головних силових параметрів, таких як момент та потужність подрібнення.

8. Побудовано епюри нормальних та контактних тисків для камери

подрібнення.

9. Створено рівняння для знаходження продуктивності дискової

збагачувальної машини та побудовані графіки її залежності від коефіцієнта

завантаження вугіллям.

10. Визначена енергоефективність машини

11. На основі запропонованої залежності для потужності подрібнення

можливо визначити енергосилові параметри приводу.

СПИСОК ДРУКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

ТА ДОПОВІДІ КОНФЕРЕНЦІЯХ

1. Енергетика. Екологія. Людина. /Соколовський О.М.,студ.;Зайченко С.В.,

д.т.н., доцент // V Міжнародна науково-технічна конференція інституту

енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ «КПІ», 2013.

2. Енергетика. Екологія. Людина. /Соколовський О.М.,студ.;Зайченко С.В.,

д.т.н., доцент // Науково-технічна конференція інституту енергозбереження та

енергоменеджменту НТУУ «КПІ», 2012.

3. Проблемы недропользования. /Соколовський О.М.,студ.;Зайченко С.В.,

д.т.н., доцент // Матер. Междунар. форума «Проблемы недропользования»: Сб.

науч. тр. – Санкт-Петербург: Национальный минерально-сырьевой университет. –

2013. – Т. 1

4. Проблеми енергоресурсозбереження в електромеханічних системах./

Соколовський О.М.,студ.;Зайченко С.В., д.т.н., доцент , Н.А. Шевчук

Патенти

5. Пат.к.м. 01960 України, МПК В02С 18/00. Машина вибіркового дроблення

/ С. В. Зайченко, О. М. Соколовський, В. М. Гарнець, Шевчук Наталія Анатоліївна

(Україна) – Заявл. 18.02.2013; опубл. 17.05.2013, Бюл. № 14. – 2 с.

АНОТАЦІЯ

Соколовський Олександр Миколайович Обгрунтування параметрів дискової

збагачувальної машини

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю

8.05070205 – Електромеханічні системи геотехнічних виробництв. - Національний

технічний університет України "Київський політехнічний інститут". - Київ, 2015

В останні роки спостерігається тенденція зниження якості видобутого вугілля за

рахунок збільшення зольності і ступеня подрібнення гірської маси, тому реалізація

ефективних методів сухого збагачення дрібних класів вугілля в умовах шахт

особливо актуальна. Створення компактного і енергоємного обладнання машин для

збагачення вугілля дозволить значно зменшити транспортні витрати при доставці на

збагачувальні фабрики.

Для усунення даного недоліку авторами запропонована нова схема сухого

збагачення за тертям, яка передбачає силове відділення частин одного компонента

від іншого.

Запропонована методика розрахунку конструктивних параметрів дисків та

відстані між ними. Створено модель контактної взаємодії дисків з вхідною породою

на базі існуючих теорій контактної взаємодії. Створено рівняння для визначення

нормальних та дотичних тисків в камері подрібнення.З а допомогою рівнянь

контактних тисків створено рівняння для визначення головних силових параметрів,

таких як момент та потужність подрібнення. Побудовано епюри нормальних та

контактних тисків для камери подрібнення. Створено рівняння для знаходження

продуктивності дискової збагачувальної машини та побудовані графіки її залежності

від коефіцієнта завантаження вугіллям. Визначена енергоефективність машини. На

основі запропонованої залежності для потужності подрібнення можливо визначити

енергосилові параметри приводу.

Ключові слова: моделювання, процес, сухе збагачення, вибіркове дроблення

АННОТАЦИЯ

Соколовский Александр Николаевич Обоснование параметров дисковой

обогатительной машины

Диссертация на соискание ученой степени магистра по специальности

8.05070205 - Электромеханические системы геотехнических производств. -

Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический

институт". - Киев, 2015

В последние годы наблюдается тенденция снижения качества добытого угля

за счет увеличения зольности и степени измельчения горной массы, поэтому

реализация эффективных методов сухого обогащения мелких классов угля в

условиях шахт особенно актуальна. Создание компактного и энергоемкого

оборудования машин для обогащения угля позволит значительно уменьшить

транспортные расходы при доставке на обогатительные фабрики.

Для устранения данного недостатка авторами предложена новая схема сухого

обогащения за трением, которая предусматривает силовое отделение частей одного

компонента от другого.

Предложенная методика расчета конструктивных параметров дисков

расстаяния между ними. Создана модель контактного взаимодействия дисков с

входной породой на базе существующих теорий контактного взаимодействия.

Создан уравнение для определения нормальных и касательных давлений в камере

дробления. С помощью уравнений контактных давлений создано уравнение для

определения главних силовых параметров, таких как момент и мощность

измельчения. Построено эпюры нормальных и контактных давлений для камеры

измельчения. Создан уравнения для нахождения производительности дисковой

обогатительной машины и построены графики ее зависимости от коэффициента

загрузки углем. Определена энергоэффективность машины. На основе

предложенной зависимости для мощности измельчения возможно определить

энергосиловые параметры привода.

Ключевые слова: моделирование, процесс, сухое обогащение, выборочное

дробление.

ABSTRACT

Alexander Sokolovsky Justification disk parameters enrichment machines

Thesis for a master's degree in the specialty 8.05070205 - Electromechanical

systems geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Kyiv

Polytechnic Institute". - Kyiv, 2015

In recent years, the trend decline in the quality of coal produced by increasing ash

content and degree of grinding of the rock mass, so the implementation of effective

methods of dry enrichment classes of small coal mines under conditions of particularly

relevant. Create compact and energy-intensive equipment machines for enrichment will

significantly reduce transport costs for delivery to the processing plants.

To address this shortcoming authors proposed a new scheme for the enrichment of

dry friction, which involves forceful separation of the component parts of one another.

The method of calculation and design parameters vidsta¬ni titles between them. The

model of contact interaction with the input disc breed based on existing theories contact

interaction. Created equation for determining normal and tangential pressure in the

chamber in dribnennya Using equations contact pressures created equations to determine

the main power parameters such as time and power grinding. Constructed diagrams of

normal and contact pressures for crushing chamber. Created equation for the performance

of the disk beneficiation machinery and graphs dependence on coal load factor.

Determined energy machine. Based on the proposed dependence for power grinding may

identify energy-power parameters of the drive.

Key words: modeling, process, dry dressing, selective crushing