Разработка упруго-вязко-пластичной механореологической модели процесса вибрационной сепарации слюдяного сырья

Актуальность работы.

Вибрационные процессы играют важную роль в индустрии обогащения и переработки полезных ископаемых. В настоящее время применяется большое количество вибрационных машин различного технологического назначения. При этом эффективность работы оборудования впрямую определяется правильным выбором основных параметров и режимов работы. В развитие теории и практики вибрационных процессов внесли весомый вклад такие видные ученые и исследователи, как Блехман И. И., Быховский И. И., Вайсберг Л. Ф., Ганиев Р. Ф., Гончаревич И. Ф., Лавендел Э. Э., Нагаев Р. Ф., Пановко Я. Г., Плисс Д. А., Повидайло В. А., Фролов К. В. и многие другие.

Вибрационные сепараторы относятся к эффективным видам технологического оборудования и могут широко применяться для разделения всех видов тонкоизмельченных сыпучих материалов, кроме липких. Они хорошо зарекомендовали себя при обогащении и переработке различных видов минерального сырья. Способ разделения на вибрирующей поверхности основан на эффекте сепарации частиц материала по их свойствам на наклонных вибрирующих поверхностях и позволяет осуществлять разделение по крупности, форме, коэффициенту трения, упругости и другим физико-механическим характеристикам частиц.

Высокие технологические показатели вибрационной сепарации обеспечиваются путем реализации рациональных параметров и режимов работы вибрационного оборудования, определяемых исходя из физико-механических свойств исходного минерального сырья.

Для решения подобных задач используются различные методы, при этом одним из наиболее перспективных на наш взгляд является теоретический метод исследований, основой которого являются механо-реологические модели.

В результате предшествующих исследований был разработан комплекс упруго-вязких механореологических моделей процесса вибрационного движения материала. Данные модели позволяют осуществить исследование динамики взаимодействия системы материал-виброорган на всех этапах движения и рассчитать основные динамические параметры процесса: динамическую нагрузку на виброорган, траектории и скорость движения частиц, среднюю скорость транспортирования и производительность вибрационной машины.

Упруго-вязкие модели позволяют учесть упругие и диссипативные свойства материала, проявляющиеся при упругих деформациях. Однако, как показывает практика, основным недостатком упруго-вязких моделей является то, что они не описывают в явном виде необратимые процессы в материале (например, пластические деформации, смятие микронеровностей) которые могут возникать в материале в процессе ударного взаимодействия. В связи с этим упруго-вязкая модель может не точно описывать силу контактного взаимодействия частицы с вибродекой. Важность расчета данного параметра объясняется тем, что именно он определяет величину силы трения, которая оказывает основное влияние на скорость и траектории движения частиц. По этому сила контактного взаимодействия является важнейшим параметром процесса взаимодействия системы частица-виброорган.

Таким образом, перспективным направлением развития теории в области вибрационной сепарации является разработка более общей упруго-вязко-пластичной механореологической модели, адаптированной к процессам сепарации минерального сырья. Преимуществом данной модели является то, что она имеет в своем составе дополнительный элемент сдвига, предназначенный для учета необратимых деформационных процессов.

Цель работы:

Разработка упруго-вязко-пластичной механореологической модели и адаптация ее к процессам вибрационной сепарации слюдяного сырья путем рационализации уровня сложности модели применительно к различным этапам движения частиц по виброоргану.

Идея работы:

Рациональное построение (формирование) структуры исследовательской математической модели процесса вибросепарации мелкоразмерного слюдяного сырья путем варьирования ее уровня сложности применительно к различным условиям движения частицы.

Основные задачи исследования:

Оценка необходимого и достаточного уровня сложности модели на разных этапах процесса вибрационного движения частицы слюдяного сырья.

Разработка и исследование функциональных возможностей упруго-вязко-пластичной механореологической модели контактного взаимодействия частицы с виброорганом.

Рациональное формирование структуры исследовательской математической модели процесса вибросепарации на различных этапах движения частицы и построение алгоритма ее функционирования.

Разработка экспериментального вибрационного сепаратора и методики балансировки рабочего органа.

Экспериментальная проверка достоверности и эффективности теоретических разработок.

Научная новизна:

Разработана и исследована упруго-вязко-пластичная механореологическая модель процесса контактного взаимодействия частицы слюдяного сырья с виброорганом сепаратора.

Решена задача построения рациональной исследовательской модели применительно к процессу сепарации мелкоразмерного слюдяного сырья путем использования разного уровня сложности математической модели на разных этапах процесса вибрационного движения частицы.

Разработана методика балансировки рабочего органа вибрационного сепаратора для обеспечения одинаковой амплитуды колебаний вибродеки вдоль ее длины.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

Упруго-вязко-пластичная механореологическая модель процесса контактного взаимодействия частицы слюдяного сырья с виброорганом сепаратора.

Основные закономерности взаимодействия модели с рабочим органом вибросепаратора.

Рациональная структура математической модели процесса вибрационной’сепарации слюдяного сырья. ' -.

Методика балансировки рабочего органа вибрационного сепаратора.

Методика исследования:

Решение поставленных задач основано на положениях механики твердого деформируемого тела, теории ударного взаимодействия тел и теории колебательных и вибрационных процессов. Для решения дифференциальных уравнений динамики взаимодействия модели использовались численные методы, проверка адекватности разработанных моделей и алгоритмов расчета осуществлялась путем сравнения с экспериментальными данными, планирование и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялась с использованием современного программного комплекса «Statistica» .

Достоверность научных положений:

Подтверждается достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, применением современных программных комплексов и математических методов.

Практическая реализация результатов работы:

Разработан экспериментальный вибрационный сепаратор с инерционным виброприводом.

Разработано программное обеспечение для выполнения исследований и оптимизации процессов вибрационной сепарации слюдяного сырья.

Разработана технологическая схема классификации мелкоразмерного слюдяного сырья на вибросепараторе, определены рациональные режимы и параметры оборудования.

Апробация работы:

Основные результаты и научные положения работы представлялись: на VI конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2007 г.) — на международных конференциях «Плаксинские чтения» г. Красноярск, 2006, г. («Прогрессивные методы обогащения и технологии глубокой переработки руд цветных, редких и платиновых металлов») — на VI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (г. Братск, 2007 г.) — на XI Международной научной конференции «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2007 г.) — на V Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008) — на Международной научной конференции «Неделя горняка» (г. Москва, 2008) — на международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 2008) — на XI Междунар. конф. (МК-6) «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, 2008).

Полностью диссертационная работа была доложена в Иркутском государственном техническом университете на кафедре Обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии.

Личный вклад автора:

Автором проведен обзор и анализ механореологических моделей процесса контактного взаимодействия частиц минерального сырья с виброорганом. Произведена постановка цели и задач исследований.

Разработана упруго-вязко-пластичная механореологическая модель для математического описания процесса контактного взаимодействия частицы минерального сырья с виброорганом, разработано соответствующее программное обеспечение для выполнения компьютерных экспериментов применительно к рассматриваемому вибрационному процессу.

Выполнена рационализация математической модели процесса контактного взаимодействия частицы с виброорганом.

Спланированы, проведены и статистически обработаны экспериментальные исследования процесса взаимодействия системы модель-виброорган, в результате чего выявлены основные закономерности поведения модели и подтверждена ее адекватность экспериментально.

Разработан экспериментальный вибрационный сепаратор с инерционным виброприводом. — - ;

На основе экспериментальных исследований разработана методика балансировки подвижной части вибросепаратора для обеспечения необходимых параметров вибрации рабочего органа.

Выполнена экспериментальная проверка достоверности разработанной механореологической модели.

Публикации.

По результатам выполненных исследований автор имеет 11 печатных работ, патент на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложений и списка литературы из 88 наименований. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 19 таблиц.

Выводы.

1. При использовании отходов от обрезки слюдокерамических пластин для производства микалекса большое значение оказывает класс крупности исходного материала, он влияет на механическую прочность и обрабатываемость (шлифовка, сверление, резание) получаемого продукта. Необходимо строго контролировать процентное содержание частиц каждого класса крупности. По этому классификация измельченного материала заслуживает особого внимания в общем технологическом цикле.

2. Предложено использовать более эффективную технологию классификации мелкоразмерного сырья на вибродеке.

Разработана конструкция вибросепаратора, определены его параметры и режимы работы с использованием новой математической модели, сделан подбор дополнительного оборудования для согласования работы вибросепаратора с другими аппаратами технологического цикла.

3. Предложенная схема этапа классификации в технологической схеме переработки отходов от обрезки слюдокерамических пластин, разработанная конструкция вибросепаратора и методика балансировки рабочего органа [приложение А] переданы к внедрению на ООО «Нижнеудинская слюдинитовая фабрика» [приложение Б].

Заключение

.

1. Для решения задач по оценке эффективности процесса разделения слюдяного сырья и выявлению рациональных режимов работы и параметров вибрационного оборудования разработан и изготовлен экспериментальный вибрационный сепаратор с центробежным виброприводом, конструкция которого позволяет в необходимых диапазонах изменять основные параметры и режимы работы, влияющие на процесс разделения частиц слюдяного сырья.

2. Экспериментально установлено, что рабочий орган вибросепаратора (вибродека) может совершать сложное движение, а именно амплитуда, и угол направления колебаний могут изменяться по длине деки. При этом процесс сепарации мелкоразмерного материала на вибродеке нарушается.

3. Для обеспечения одинаковой амплитуды колебаний по длине вибродеки разработана и экспериментально опробирована методика балансировки рабочего органа сепаратора. Данная методика моясет быть использована и для балансировки рабочих органов промышленных сепараторов.

4. Разработана более общая, упруго-вязко-пластичная модель процесса контактного взаимодействия частиц материала с рабочим органом сепаратора. Модель имеет дополнительный элемент сдвига, с помощью которого описываются необратимые процессы контактного взаимодействия (пластические деформации, смятие микронеровностей). Наличие данного элемента позволяет более точно определять силу нормальной реакции, силу трения, которые в первую очередь влияют на скорость и траекторию движения частицы минерального сырья. Результаты эксперимента показали, что модель с высокой степенью адекватности описывает процесс движения частицы по виброоргану и позволяет на новом качественном: уровне исследовать процессы вибрационной сепарации.

5. Для процесса переработки отходов от обрезки и шлифовки слюдокерамических пластин на ООО «Нижнеудинская слюдинитовая фабрика» на стадии классификации было предложено использовать технологию вибрационной сепарации на непросеивающих плоскостях. С помощью разработанной математической модели рассчитаны основные параметры и режимы работы вибрационного оборудования.

Предложенная схема этапа классификации в технологической схеме переработки отходов от обрезки слюдокерамических пластин, разработанная конструкция вибросепаратора и методика балансировки рабочего органа переданы к внедрению на ООО «Нижнеудинская слюдинитовая фабрика».