Міністерство освіти і науки України

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

СЕРГЄЄВ Андрій Михайлович

УДК 621.928.6:691.223

СТВОРЕННЯ ПНЕВМАТИЧНИХ КЛАСИФІКАТОРІВ З ДИНАМІЧНО АКТИВНИМИ РОБОЧИМИ ОРГАНАМИ ДЛЯ ЗБАГАЧЕННЯ ТА ФРАКЦІОНУВАННЯ БУДІВЕЛЬНОГО ПІСКУ

Спеціальність 05.05.02 – машини для виробництва

будівельних матеріалів і конструкцій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Афанас’єв Віталій Валентинович,

Криворізький технічний університет

Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри технології, організації та механізації будівництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Батлук Вікторія Арсеніївна,

Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри охорони праці;

кандидат технічних наук, доцент

Гущин Володимир Михайлович,

Донбаська державна машинобудівельна академія Міністерства освіти і науки України,

доцент кафедри підйомно-транспортних машин.

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет Міністерства освіти і науки України,

кафедра підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання.

Захист відбудеться “07” червня 2007 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .056.08 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Автореферат розісланий “04” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор М.К. Сукач

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Удосконалення процесів поділу зернистих сумішей за крупністю пов'язане з розширенням та конкретизацією галузі використання одержуваних продуктів. Однією з найбільших галузей народного господарства, де існує потреба в продуктах певного гранулометричного складу, є будівництво. Виробництво будівельних матеріалів (зокрема товарного щебеню і піску) з відходів гірничорудних підприємств дозволяє підвищити рентабельність розробки залізорудних родовищ шляхом зниження собівартості видобутку руди та її збагачення. Відомо, що до 60відходів добувної промисловості придатні для виробництва будівельних матеріалів. До того ж, на цей час вже встановлено високу ефективність і стабільність фізико-механічних характеристик бетонів на відходах збагачення залізних руд.

Крім вищезазначеного залишається невирішеним питання оптимізації гранулометричного складу пісків більшості природних родовищ України, що не відповідають існуючим вимогам ДСТУ за складом класу часток -0,16 мм, котрий в окремих випадках досягає до 40 %, а глинистих й інших забруднюючих домішок – до 10. У той же час збагаченням піску можна уникнути перевитрати цементу в бетоні до 25 % зі значним зниженням його собівартості.

Однією з основних перешкод на шляху ефективного та економічного покращення властивостей, а також раціонального поділу за вузькими класами матеріалів крупністю до 1 мм, є їх висока вологість у природному стані (наприклад, відходи каменедроблення у відвалах мають вологість до 5-7 %). Виникає необхідність або у попередньому сушінні матеріалів з витратою енергії до 540 ккал/кг для фазового перетворення води з подальшим сортуванням на грохотах чи пневматичних сепараторах, або в додатковому збільшенні вологості при витраті води до 15 м3 на м3 оброблювального матеріалу з наступною класифікацією одним із гідравлічних методів та зневодненням кінцевих продуктів сортування. Тому актуальною є необхідність розробки нового устаткування для ефективного сортування дрібнозернистих будівельних матеріалів за крупністю з урахуванням сучасних вимог до енергозбереження та охорони навколишнього середовища.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Наказу Держбуду України “Про виконання Указу Президента України від 23.02.2000 № “Про першочергові заходи щодо реалізації Послання Президента України до Верховної Ради України “Україна: поступ у ХХІ сторіччя. Стратегія економічного та соціального розвитку на 2000-2004 роки” № від 01.03.2000 р.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення високоефективних пневматичних класифікаторів з динамічно активними робочими органами для промисловості будівельних матеріалів на основі використання методів поперечно-потокової, відцентрової і балістичної класифікацій.

Досягнення поставленої мети передбачає вирішення таких завдань:

– виконання огляду існуючого устаткування для сортування зернистих будівельних матеріалів та оцінка методів їх вибору і розрахунку;

– обґрунтування та розробка нових конструктивних схем сортувального устаткування; створення математичної моделі робочого процесу і аналітичне визначення основних параметрів класифікаторів;

– проведення експериментальних досліджень та визначення ефективності процесу класифікації;

– розробка методики інженерного розрахунку основних параметрів класифікаторів; впровадження результатів досліджень у виробництво та оцінка їх техніко-економічної ефективності.

Об`єкт дослідження – процес збагачення та фракціонування будівельного піску.

Предмет дослідження – пневматичні класифікатори з динамічно активними робочими органами.

Методи дослідження. Дослідження базуються на використанні класичних методів рішення диференційних рівнянь руху дискретних систем, основних положень теорії суцільних середовищ, методів планування експериментів та математичної статистики. Достовірність результатів підтверджено задовільним рівнем збігу результатів теоретичних та експериментальних досліджень з відхиленням в межах до 14та результатами практичної реалізації у заводських умовах.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлено закономірності взаємодії частинок будівельного піску з робочими органами пневматичних класифікаторів двох типів: на основі методів поперечно-потокової та балістичної класифікацій при цілеспрямованому використанні керованого потоку повітря і на основі методів відцентрової та балістичної класифікацій шляхом попереднього сортування матеріалу при переміщенні його по пластинах ротора.

Практичне значення одержаних результатів. Сформульовано основні положення створення високоефективних класифікаторів та запропоновано методики інженерного розрахунку основних параметрів пневматичних класифікаторів з динамічно активними робочими органами, що базуються на результатах теоретичних та експериментальних досліджень. Розроблено способи сортування дрібнозернистих матеріалів за крупністю та конструкції пневматичних класифікаторів для їх реалізації. Пріоритет технічних рішень захищено 7 патентами України на винахід.

Дослідні зразки розроблених пневматичних класифікаторів випробувано на заводі залізобетонних конструкцій ТОВ “Спарта” (м. Кривий Ріг) і впроваджено на заводі великопанельних конструкцій громадських будівель ВАТ “Криворіжжитлобуд”. Очікуваний економічний ефект від застосування результатів дослідження складає 33,617 тис. грн. за рік.

Результати досліджень знайшли відображення у дисциплінах “Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій” та “Створення машин будівельної індустрії”, що викладаються у КНУБА.

Особистий внесок здобувача. Результати, отримані здобувачем особисто:

– встановлення закономірностей руху частинок та визначення основних параметрів робочого процесу комбінованого методу відцентрової і балістичної класифікацій;

– розробка основних положень створення високоефективних класифікаторів з динамічно активними робочими органами;

– методика розрахунку основних параметрів класифікаторів з динамічно активними робочими органами та їх впровадження у виробництво.

В опублікованих у співавторстві роботах автору належать:

– загальна характеристика питання, аналіз існуючих способів класифікації й постановка завдань дослідження [1; 2; 3; 5];

– основні теоретичні положення й експериментальні дослідження класифікації з багаторазовим попереднім динамічним впливом на матеріал [11];

– теоретичні положення і результати експериментальних досліджень багатопродуктового сортування за крупністю, що поєднує методи відцентрової і балістичної класифікацій [1; 6; 12];

– формулювання теоретичних положень, результати оптимізації основних параметрів комбінованого методу поперечно-потокової і балістичної класифікацій [2; 4; 5; 13; 14; 15; 16; 17];

– визначення доцільності використання продуктів, одержаних за допомогою класифікаторів з динамічно активними робочими органами [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях Криворізького технічного університету (1998-2002 рр.); 3-ій та 4-ій міжнародних науково-технічних конференціях КТУ (м. Кривій Ріг, 1998, 2000р.); 66-ій та 67-ій науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2005, 2006 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано у 10-ти наукових статтях, у тому числі у 7-ми збірниках, що входять до переліку ВАК, отримано 7-м патентів України на винахід.

Структура і об`єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків; включає 157 сторінок машинописного тексту, 43 рисунки, 8 таблиць, список використаної літератури із 126 найменувань та 5 додатків на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено об`єкт, предмет і методи дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі виконано аналіз конструкцій устаткування для розподілу сипких матеріалів за розміром, методів моделювання та методик визначення основних параметрів. В результаті аналізу встановлено, що в наш час у промисловості нерудних будівельних матеріалів для сортування за крупністю дрібнозернистих заповнювачів бетонних сумішей та будівельних розчинів найбільшого поширення замість процесів гідравлічної класифікації та грохочення на тонких ситах набувають пневматичні методи, котрі в більшій мірі відповідають сучасним вимогам до енергозбереження та охорони навколишнього середовища.

Найбільш перспективними й економічними для отримання будівельних пісків при переробці корисних копалин та для багатопродуктового поділу їх за вузькими класами крупності визначено ударно-лопатеві метальні класифікатори з попереднім поділом вихідного матеріалу, що призводить до підвищення ефективності сортування за рахунок селективного збільшення кутів вильоту та швидкостей метання зерен.

Питання взаємодії робочих органів балістичних та ударно-лопатевих класифікаторів з матеріалами, що класифікуються за крупністю, відображено у працях Кукібного О.О., Зощука М.І., Сопіна М.В., Журби В.В. та Афанасьєва В.В., а процеси взаємодії повітряного розділового середовища з вихідним матеріалом розглянуто такими вченими, як Лященко П.В., Смишляєв Г.К., Барський М.Д. У результаті створено теорію та отримано основні розрахункові залежності для визначення параметрів робочого процесу взаємодії робочих органів ударно-балістичних класифікаторів із зернами матеріалу, що підлягає сортуванню за крупністю. А роботи, в яких розглядаються питання сортування зернистих матеріалів у потоці розділового середовища, стосуються тільки пневматичної сепарації як одностадійного процесу для отримання кінцевого продукту. При цьому, залишається невирішеним питання промислового сортування за крупністю дрібнозернистих будівельних матеріалів природної вологості.

Основними напрямками удосконалення існуючого та створення нового устаткування для сортування дрібнозернистих матеріалів за крупністю прийнято підвищення ефективності та продуктивності процесу класифікації за рахунок попереднього сортування вихідного матеріалу при поперечно-потоковій або відцентровій класифікаціях. Причому, для збереження переваг пневматичних методів, при створенні умов для попереднього сортування, необхідно використовувати тільки ресурси, закладені у конструктивних особливостях ударно-лопатевих метальних класифікаторів.

У другому розділі представлено теоретичні дослідження з вибору фізичної та створенню математичної моделі руху зерен у процесі сортування на пневматичних класифікаторах з динамічно активними робочими органами.

Для забезпечення виконання ротором комбінованого класифікатора, який реалізує ідею поперечно-потокового і балістичного методів розділення будівельного піску (рис. ), функцій генерування потоку розділового середовища (повітря) та метання матеріалу, що перероблюється, до камери класифікації приймаємо за основу наступні положення:

-

-

-

Загальне математичне моделювання робочого процесу складається із визначення та взаємного сполучення трьох основних етапів класифікації:

1-й етап – політ частинок вихідного матеріалу у поперечному потоці розділового середовища, що змінює свій напрямок;

2-й етап – взаємодія робочого органа та матеріалу при його метанні до камери класифікації;

3-й етап – балістичний поділ матеріалу на продукти.

При складанні математичної моделі першого етапу робочого процесу класифікації (рис. ) приймаються наступні припущення і передумови:

-

-

-

-

При складанні рівняння руху зерна

розглянуто дію на нього наступних сил: динамічного тиску повітряного потоку – FD; гравітаційної – FG; відцентрової – FZ та сили аеродинамічного опору середовища – FS.

Рух зерна розглянуто у полярній системі координат з точкою відліку на осі ротора, тобто положення зерна визначається радіус-вектором r і полярним кутом . Проекції прискорення зерна на координатні осі (радіальна – ar і тангенціальна – a складові) визначаються за формулами:

(1)

Динамічний тиск повітряного потоку на зерно, за умови його крупності 20,1 мм, визначається за формулою:

де Rе – число Рейнольда; Vg – швидкість потоку повітря; V – швидкість зерна; d – діаметр зерна; g – щільність середовища.

Гравітаційна, відцентрова та сила аеродинамічного опору середовища визначалися за загально прийнятими формулами.

Враховуючи основний закон динаміки та закон незалежності дії сил, з виразів (1) отримано систему диференційних рівнянь другого порядку, яка описує рух зерна крупністю 20,1 мм в умовах попередньої пневматичної класифікації:

(2)

де – щільність зерна; – динамічний коефіцієнт в’язкості;  – кут, утворений дотичною до лінії струму з радіус-вектором зерна, що розглядається; Rt – відстань від зерна до центру кривизни його траєкторії.

Система (2) дозволяє визначити швидкість зерна та місце його надходження на утворюючу ротора (рис. 3). Перераховані параметри є вхідними розрахунковими для виконання другого етапу загального математичного моделювання процесу. Розв’язання системи здійснюється методом Рунге-Кутта. Числовий метод реалізовано мовою TURBO PASCAL (версія 7.0) у програмі для персональної ЕОМ. Початковими умовами при t0=0 є значення координат 0 та r0 і швидкостей та зерна при його надходженні із завантажувального пристрою. Розрахунок параметрів руху зерен, що класифікуються, при взаємодії з пластинами ротора та пересуванні у повітряному просторі камери класифікації відбувається за відомими математичними залежностями.

Таким чином, за рахунок попереднього сортування під дією повітряного потоку, що циркулює, відбувається розподілення зерен матеріалу в залежності від їх розміру по утворюючій ротора (крупні зерна падають на ротор за траєкторією, що є близькою до вертикалі, а дрібні – взаємодіють з ротором на ділянці, яка відповідає дузі входу повітряного потоку до порожнини ротора). В результаті, у порівнянні з ударно-лопатевими метальними класифікаторами зростає зона взаємодії матеріалу з робочим органом та, як наслідок, різниця між траєкторіями польоту зерен різного розміру при їх метанні до камери класифікації.

Рис. . Залежності координат та швидкостей зерен  ,16 та 0,135 мм при подачі із завантажувального пристрою від часу t при параметрах робочого процесу: Vg=1,25 м/с; H=1,0 м; R=0,3 м

Енергоносієм при попередньому розподілі вихідного матеріалу у класифікаторі є повітря, вивчення законів руху якого, при його взаємодії з робочими пластинами ротора, дозволяє визначити такі параметри, як швидкість повітря та його тиск на розташовані по діаметру ротора пластини.

Обертання ротора, який розташовано у несиметричному коліноподібному корпусі, призводить до виникнення повітряного потоку, що протікає крізь ротор. Такий рух є двоступеневим, тобто потік перетинає решітку пластин ротора два рази (рис. 4).

Таким чином, можна виділити три основні послідовні етапи руху потоку:

– проходження потоку крізь решітку пластин ротора при вході до нього;

– рух потоку у порожнині ротора;

– проходження потоку крізь решітку пластин при виході з ротора.

При розробці розрахункової схеми ротора та дослідженні його взаємодії з середовищем приймаються наступні передумови та допущення:

– рух повітряного потоку здійснюється у системі координат XY, тобто розглядається плоска задача;

– вважається, що при русі повітряного середовища відсутнє обертання частинок повітря навколо своєї осі;

– при визначенні абсолютної швидкості на виході з ротора приймається справедливим трикутник швидкостей;

– в полі вихру циркуляція швидкості є величиною постійною для всіх радіусів у відповідності до теорії Стокса;

– повітряний струмінь розглядається як ідеальне середовище, величина тиску якого на конструктивні елементи роторного метальника приймається у формі закону Кутта–Жуковського;

– продуктивність ротора складається із кількості повітря, яке протікає крізь ротор з пластинами, та кількості повітря, що протікає крізь зазор між корпусом та дисками ротора;

– тиск повітряного потоку і продуктивність ротора є визначальними для знаходження потужності.

Рис. . Графічне зображення швидкостей у просторі між пластинами:

а – при вході до ротора; б – при виході з ротора

Рух елементарного струменя 1-2 повітряного потоку при його переміщенні між пластинами ротора складається з відносного, що визначається швидкістю w, спрямованою по дотичній до поверхні пластини, та переносного, що характеризується обертовою швидкістю u, спрямованою по колу ротора. Таким чином, абсолютна швидкість повітряного потоку C дорівнює геометричній сумі переносної та відносної швидкостей. Процеси, які відбуваються при проходженні повітряного потоку крізь решітку пластин на виході з порожнини ротора класифікатора, є аналогічними процесам на вході до неї. Отже, швидкості повітряного потоку C3 та C4 елементарного струменя 3-4 також визначаються геометричною сумою відносних w та колових u швидкостей.

Сила тиску середовища на пластини виражається підйомною силою, величина та напрям якої визначаються із закону Кутта–Жуковського:

,

де В – довжина пластин ротора; w – середньогеометрична сума відносних швидкостей wі та wі+1, відповідно на вході та виході з решітки пластин; Г – циркуляція швидкості навколо пластини, яка дорівнює ;  – тангенційні складові швидкостей; t – крок пластин ротора.

Потужність привода роторного метальника визначено шляхом розгляду рівняння енергетичного балансу системи “ротор з пластинами – оброблювальний матеріал”:

Атер+Апот+Арух. мат.=Азов,

де Атер – робота на здолання сил тертя в опорах вала роторного метальника; Апот –робота на створення повітряного потоку; Арух. мат. – робота, що витрачається на метання матеріалу в зароторний простір; Азов – робота зовнішніх сил привода ротора.

Для багатопродуктового сортування дрібнозернистих матеріалів за розміром використовується комбінація методів відцентрової і балістичної класифікацій. Ця ідея реалізується за умови осьової подачі вихідного матеріалу у торцеву частину ротора класифікатора на робочі пластини. Під час переміщення матеріалу по пластинах в процесі обертового руху ротора відбувається попереднє сортування, а при подальшому метанні матеріалу до зароторного простору здійснюється кінцевий поділ частинок за їх аеродинамічними властивостями. Ефект попереднього сортування досягається за рахунок розподілу зерен матеріалу по поверхні робочих пластин за умови відсутності скупчування зерен на внутрішній поверхні захисного кожуха. Як наслідок, відбувається метання матеріалу до камери класифікації під кутами, що відрізняються та залежать від розміру зерен.

Рух зерна по пластині ротора, що обертається, розглянуто в полярній системі координат з урахуванням дії сил ваги FТ, тертя FТР, аеродинамічного опору середовища FА, відцентрової FZ і кориолісової FК сил інерції (рис. 5).

В якості розглянутого приймаємо одиничне непружне кулясте зерно, а силу аеродинамічного опору повітря – пропорційну квадрату швидкості.

Рівняння руху зерна має наступний вигляд:

(3)

де результуюче прискорення зерна вздовж пластини; Cx – коефіцієнт опору; S – площа міделя; V – результуюча швидкість зерна; r1 – відстань від центру ротора до внутрішнього торця пластини; – кут нахилу пластини до радіуса ротора; м – коефіцієнт тертя; x – шлях, пройдений зерном по пластині; m – маса зерна; – кутова швидкість ротора; швидкість зерна вздовж пластини.

Вираз (3) належить до диференційних рівнянь другого порядку виду . Початковими

умовами при t=0 є значення координати х0=0 м, яке характеризує місце знаходження зерна на пластині ротора, та його швидкість , що залежить від швидкості Vм.и подачі зерна із завантажувального пристрою. Розв’язання здійснюється методом Рунге-Кутта. У результаті отримуємо значення швидкості зерна уздовж пластини ротора у момент його надходження на аеродинамічну класифікацію. Це дозволяє визначати кут подачі матеріалу на аеродинамічну класифікацію, траєкторії і дальності польоту зерен.

Попереднє визначення меж варіювання основних параметрів робочого процесу здійснювалося за допомогою отриманих аналітичних залежностей методом послідовної оптимізації окремих факторів. Імовірність ”багатогорбності” критеріїв оцінки враховувалася розрахунком п'яти різних значень фактору, що досліджується, при стабілізації інших параметрів на передбачуваному оптимальному рівні.

Для якісної оцінки процесу класифікації при аналізі результатів теоретичних досліджень прийнято критерії оптимальності, які характеризують розсіювання зерен матеріалу (рис. 6), а саме:

– різниця дальностей польоту (величина розсіювання) зерен і-ої крупності повинна бути мінімальною: ;

– різниця дальностей польоту зерен граничних розмірів вузьких класів крупності повинна бути максимальною: ax.

Рис. 6. Межі розсіювання матеріалу, що класифікується:

1 – ротор класифікатора; 2 – умовні траєкторії руху зерен;

,  – мінімальна та максимальна границі і-ої області розсіювання

За основні параметри, що визначають конструктивні та технологічні показники робочого процесу комбінованого методу поперечно-потокової і балістичної класифікацій приймаємо наступні: швидкість поперечно-низхідного повітряного потоку (Vg); висота Н подачі матеріалу на ротор (висота потоку); радіус кривизни зони надходження матеріалу на ротор, який визначається радіусом ротора (R); кількість Z ударних пластин, що визначає глибину проникнення матеріалу до зони обертання ротора. У результаті виконаних за допомогою ЕОМ розрахунків отримано числові значення дальностей польоту зерен  ,16 і 0,315 мм для основних параметрів робочого процесу (табл. ).

За основні параметри, що визначають якісні показники робочого процесу комбінованого методу відцентрової і балістичної класифікацій, приймаємо наступні: кутова швидкість ротора (), його діаметр (D), коефіцієнт тертя (м) матеріалу, що класифікується, по робочій поверхні пластини й кут нахилу пластини до радіуса ротора ().

Таблиця 1

Числові значення дальностей польоту зерен для основних параметрів

робочого процесу

H,м | 0,5 | 0,9 | 1,3 | R,м | 0,8 | 1,2 | 1,6 | 0,8 | 1,2 | 1,6 | 0,8 | 1,2 | 1,6 | 0,3 | 18 | 1,181* | 1,122 | 1,019 | 1,124 | 0,972 | 0,828 | 1,052 | 0,848 | 0,540 | 1,667** | 1,698 | 1,615 | 1,694 | 1,553 | 1,307 | 1,702 | 1,383 | 1,112 | 1,867*** | 1,837 | 1,802 | 1,847 | 1,783 | 1,686 | 1,823 | 1,730 | 1,493 | 22 | 1,204 | 1,145 | 1,038 | 1,149 | 0,986 | 0,841 | 1,071 | 0,861 | 0,557 | 1,667 | 1,698 | 1,698 | 1,694 | 1,688 | 1,490 | 1,702 | 1,580 | 1,270 | 1,896 | 1,871 | 1,829 | 1,880 | 1,811 | 1,713 | 1,856 | 1,749 | 1,539 | 26 | 1,216 | 1,164 | 1,053 | 1,169 | 1,001 | 0,850 | 1,089 | 0,870 | 0,569 | 1,667 | 1,698 | 1,698 | 1,694 | 1,688 | 1,584 | 1,702 | 1,633 | 1,391 | 1,888 | 1,894 | 1,858 | 1,896 | 1,841 | 1,740 | 1,887 | 1,781 | 1,570 | 0,4 | 18 | 1,271 | 1,231 | 1,182 | 1,229 | 1,148 | 1,079 | 1,192 | 1,087 | 0,977 | 1,641 | 1,686 | 1,714 | 1,683 | 1,722 | 1,631 | 1,703 | 1,677 | 1,477 | 1,953 | 1,921 | 1,902 | 1,926 | 1,879 | 1,825 | 1,913 | 1,847 | 1,746 | 22 | 1,276 | 1,257 | 1,204 | 1,255 | 1,168 | 1,097 | 1,213 | 1,105 | 0,989 | 1,641 | 1,686 | 1,714 | 1,683 | 1,722 | 1,709 | 1,703 | 1,718 | 1,619 | 1,946 | 1,956 | 1,938 | 1,956 | 1,916 | 1,858 | 1,951 | 1,877 | 1,770 | 26 | 1,259 | 1,278 | 1,229 | 1,277 | 1,189 | 1,109 | 1,237 | 1,119 | 0,997 | 1,641 | 1,686 | 1,714 | 1,683 | 1,722 | 1,709 | 1,703 | 1,718 | 1,629 | 1,918 | 1,948 | 1,956 | 1,946 | 1,951 | 1,891 | 1,955 | 1,909 | 1,804 | Примітки:

1. * – максимальна дальність польоту зерен Ш 0,16 мм, м;

2. ** – мінімальна дальність польоту зерен Ш 0,315 мм, м;

3. *** – максимальна дальність польоту зерен Ш 0,315 мм, м.

З метою знаходження меж варіювання параметрів комбінованого методу відцентрової і балістичної класифікацій результати розрахунків на ЕОМ числових значень дальностей польоту зерен граничних розмірів фракцій 0,315-0,63 і 0,63_,25 мм відображено на рис. .

З аналізу графічних залежностей отримано оптимальні значення інтервалів раціонального варіювання основних параметрів, при яких теоретично досягається найвища ефективність процесу класифікації:

– для комбінованого поперечно-потокового і балістичного класифікатора: швидкість повітряного потоку – 1,0-1,5 м/с; висота подачі вихідного матеріалу – 0,8-1,0 м; радіус ротора – 0,25-0,35 м; кількість ударних пластин ротора – 22_ шт.;

– для комбінованого відцентрового і балістичного класифікатора: кутова швидкість ротора – 30-36 рад/с; діаметр ротора – 0,7-0,8 м; коефіцієнт тертя матеріалу о пластини, необхідна величина якого забезпечується типом покриття, – 0,58-0,635; кут нахилу пластин до радіуса ротора – 175-180.

У третьому розділі на запропонованих конструкціях класифікаторів виконано експериментальні дослідження з метою оцінки ефективності процесу класифікації та перевірки достовірності отриманих аналітичних залежностей для визначення конструктивних і технологічних параметрів класифікаторів.

Основними параметрами, що підлягали визначенню експериментальним шляхом, були такі:

– для комбінованого методу поперечно-потокової і балістичної класифікацій: швидкість поперечного повітряного потоку, м/с; висота подачі вихідного матеріалу, м; радіус ротора, м; кількість ударних пластин ротора, шт.;

– для комбінованого методу відцентрової і балістичної класифікацій: кутова швидкість ротора, рад/с; радіус ротора, м; кут нахилу пластин до радіуса ротора, град.

Дослідження проводилися за центральним ортогональним композиційним планом. В якості матеріалу для проведення багатофакторних експериментів, що плануються, застосовувався відсів дроблення Криворізького гранітного кар'єру. Вологість матеріалу за масою становила 1,5...2Класифікація матеріалу на комбінованому поперечно-потоковому і балістичному класифікаторі виконувалась за межею поділу 0,16 мм, а на комбінованому відцентровому і балістичному класифікаторі – 0,63 мм. В якості функції відгуку обрано ефективність класифікації, яка означає відношення фактичної різниці між вилученням даного класу крупності у продукт та виходом цього продукту до їх теоретично можливої різниці, що виражено у процентах.

Обробка експериментальних даних виконувалася за наступною схемою:

– перевірка відтворюваності експерименту;

– розрахунок коефіцієнтів регресії за методом найменших квадратів та складання рівняння регресії;

– перевірка значущості коефіцієнтів регресії за допомогою t-критерію Стьюдента;

– розрахунок значень відгуку у точках плану для скорегованого рівняння регресії;

– перевірка адекватності рівняння регресії за F-критерієм Фішера;

– перевірка працездатності регресійної моделі (тобто придатності до практичного використання її з метою прогнозування) за допомогою коефіцієнта детермінованості моделі;

– пошук оптимальних значень факторів у визначеному діапазоні їх варіювання дисоціативно-кроковим методом.

Для визначення оптимальних параметрів процесу та апарата комбінованого методу поперечно-потокової і балістичної класифікацій було розроблено і створено експериментальну установку з дисками ротора, котрі дозволяють змінювати як радіус закріплення, так і кількість ударних пластин. Висота подачі матеріалу забезпечувалася переміщенням завантажувального пристрою, а швидкість повітряного потоку регулювалася зміною положення прохідного перетину кожуха заслінкою.

Отримано наступне рівняння регресії у кодованих значеннях:

(4)

У результаті аналізу рівняння регресії (4) встановлено наступні оптимальні параметри промислової установки: швидкість поперечного повітряного потоку – 1,1 м/с, висота подачі вихідного матеріалу – 1,0 м, радіус ротора – 0,28 м, кількість ударних пластин ротора – 26 шт.

Для визначення оптимальних параметрів процесу й апарата комбінованого методу відцентрової і балістичної класифікацій було розроблено експериментальну установку з подачею вихідного матеріалу до торця ротора по його осі. Використано ротор з дисками, що дозволяють змінювати як кут нахилу пластин до радіуса ротора, так і величину радіуса. Величина кутової швидкості ротора змінювалася регулюванням передаткового відношення привода.

Отримане рівняння регресії в кодованих значеннях має наступний вигляд:

(5)

Внаслідок аналізу рівняння регресії (5) отримано наступні значення параметрів комбінованого відцентрового і балістичного класифікатора, при яких досягається максимальна ефективність робочого процесу: кутова швидкість ротора – 34,2 рад/с, діаметр ротора – 0,68 м, кут нахилу пластин до радіуса ротора – 180,5.

Порівнянням результатів експериментальних і теоретичних досліджень виявлено розбіжність між визначеними значеннями параметрів робочих процесів у межах до 14 % при довірчій імовірності 0,95.

У четвертому розділі розглянуто основні положення створення нових конструкцій класифікаторів з динамічно активними робочими органами та наведено методики їх інженерного розрахунку, що базуються на результатах теоретичних і експериментальних досліджень.

Наведено результати промислових випробувань комбінованого поперечно-потокового і балістичного класифікатора, здійснених в умовах діючого підприємства на заводі великопанельних конструкцій ВАТ “Криворіжжитлобуд” (м. Кривий Ріг). Досліджено залежність ефективності класифікації та подрібненості крупного продукту від вологості відсіву дроблення, що класифікується (рис. 8). Було встановлено, що розроблена конструкція комбінованого поперечно-потокового і балістичного класифікатора дозволяє здійснювати збагачення дрібнозернистих матеріалів за розміром, працюючи у режимі контрольної класифікації.

Розраховано очікуваний економічний ефект від впровадження розроблених конструкцій пневматичних класифікаторів з динамічно активними робочими органами при їх підключенні до діючої технологічної лінії заводу з виробництва залізобетонних виробів. Загальний річний економічний ефект у цінах на момент впровадження результатів роботи (липень 1999 року) складає 33,617 тис. грн.

ВИСНОВКИ

1. В дисертації теоретично обґрунтовано і практично вирішено задачу створення високоефективних пневматичних класифікаторів з динамічно активними робочими органами для збагачення та фракціонування будівельного піску.

2. Встановлено закономірності взаємодії частинок будівельного піску з робочими органами пневматичних класифікаторів двох типів: на основі методів поперечно-потокової та балістичної класифікацій при цілеспрямованому використанні керованого потоку повітря і на основі методів відцентрової та балістичної класифікацій шляхом попереднього сортування матеріалу при переміщенні його по пластинах ротора.

3. Розроблено математичну модель руху зерен вихідного матеріалу при подачі на ротор комбінованого поперечно-потокового і балістичного пневматичного класифікатора з використанням робочого органа в якості генератора повітряного потоку та ротора-метальника оброблювального матеріалу.

4. На підставі факторного експерименту отримано рівняння регресії, яке описує залежність ефективності класифікації від основних параметрів процесу й апарата комбінованого методу поперечно-потокової і балістичної класифікації та визначено оптимальні значення параметрів: швидкість поперечного повітряного потоку – 1,1 м/с; висота подачі вихідного матеріалу – 1,0 м; радіус ротора – 0,28 м; кількість ударних пластин ротора – 26 шт.

5. Розроблено математичну модель та одержано рівняння руху зерна при його взаємодії з пластинами ротора при осьовій подачі матеріалу до торцевої частини робочого органа комбінованого відцентрового та балістичного класифікатора.

6. За результатами експериментальних досліджень комбінованого методу відцентрової і балістичної класифікацій визначено наступні раціональні значення параметрів: кутова швидкість ротора – 34,2 рад/с; радіус ротора – 0,34 м; кут нахилу пластин до радіуса ротора – 180,5.

7. Розбіжність між результатами експериментальних досліджень та теоретичних розрахунків не перевищує 14при довірчій імовірності 0,95. Складено алгоритми і розроблено методики інженерного розрахунку основних параметрів робочого процесу сортування будівельного піску на пневматичних класифікаторах з динамічно активними робочими органами. Новизну конструкцій розроблених класифікаторів підтверджено патентами України на винахід.

8. Створено діючі зразки пневматичного поперечно-потокового і балістичного комбінованого класифікатора, які пройшли промислові випробування на заводі залізобетонних конструкцій ТОВ “Спарта” та заводі з виробництва великопанельних конструкцій ВАТ “Криворіжжитлобуд” (м. Кривий Ріг). За результатами промислових випробувань отримано, що збільшення вологості вихідного матеріалу від 2 до 7веде до відповідного зменшення ефективності класифікації з 74 до 51та збільшення подрібненості крупного продукту з 1,1 до 6,1

9. Розрахунковий річний економічний ефект від використання у будівельній індустрії комбінованого поперечно-потокового і балістичного класифікатора складає 20337 грн., а при впроваджені технологічного ланцюга з двох апаратів (комбінований поперечно-потоковий і балістичний класифікатор та багатопродуктовий класифікатор, що поєднує методи відцентрової і балістичної класифікацій) очікуваний економічний ефект складає 33617 грн. у цінах на момент впровадження роботи (1999 рік).

10. Сукупність нових наукових положень, результатів і висновків, сформульованих на основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень робочого процесу сортування дрібнозернистих матеріалів, можна кваліфікувати як вирішення важливої науково-прикладної задачі в галузі машинобудування для промисловості нерудних будівельних матеріалів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

АНОТАЦІЯ

Сергєєв А.М. Створення пневматичних класифікаторів з динамічно активними робочими органами для збагачення та фракціонування будівельного піску. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.02 – машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. – Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2007.

У дисертації розроблено пневматичні класифікатори з динамічно активними робочими органами для збагачення та фракціонування будівельного піску за крупністю. Поставлені завдання вирішено шляхом комбінування в одній конструкції ударно-лопатевого класифікатора або з внутрішньоциркуляційним поперечним потоком повітря, або з використанням відцентрових сил під час руху вихідного матеріалу по робочій поверхні пластин.

Представлено теоретичні дослідження з вибору фізичної та створенню математичної моделі робочого процесу взаємодії матеріалу з робочим органом та розділовим середовищем пневматичних класифікаторів, створених на основі поєднання методів поперечно-потокової, відцентрової і балістичної класифікацій. Складено алгоритми та розроблено методики інженерних розрахунків параметрів пневматичних класифікаторів з динамічно активними робочими органами.

Порівнянням результатів експериментальних та теоретичних досліджень виявлено розбіжність між визначеними значеннями параметрів у межах до 14

Новизну запропонованих розробок підтверджено патентами України на винахід. Експериментальні дослідження виконано в умовах діючого виробництва на заводах залізобетонних конструкцій ТОВ “Спарта” та великопанельних конструкцій громадських будівель ВАТ “Криворіжжитлобуд”.

Ключові слова: пневматичний класифікатор, ударно-лопатевий класифікатор, внутрішньоциркуляційний, збагачений пісок, фракціонований пісок.

АННОТАЦИЯ

Сергеев А.М. Создание пневматических классификаторов с динамически активными рабочими органами для обогащения и фракционирования строительного песка. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.02 – машины для производства строительных материалов и конструкций. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2007.

В диссертации разработаны пневматические классификаторы с динамически активными рабочими органами для обогащения и фракционирования строительного песка по крупности. Поставленные задачи решены путем комбинации в одной конструкции аппаратов ударно-лопастных пневматических классификаторов с процессами предварительного разделения исходного материала при поперечно-поточной и центробежной классификациях.

Для разделения природных песков и продуктов дробления горных пород по крупности 0,16 мм разработан комбинированный метод поперечно-поточной и баллистической классификации. При наличии в исходном материале агрегатов тонкодисперсных частиц предложено многократное предварительное ударное воздействие на материал.

Выбрана и обоснована физическая и математическая модель рабочего процесса системы “рабочий орган классификатора – перерабатываемый материал”. Выведена система дифференциальных уравнений, описывающая движение зерен материала при свободном падении в поперечном потоке воздуха, изменяющем свое направление на нисходящее относительно ротора. Составлено нелинейное уравнение для момента повторного столкновения зерна с пластиной и получены аналитические зависимости для определения основных параметров рабочего процесса классификации.

Разработана конструкция роторного метателя в виде комбинации ротора ударно-баллистического классификатора и диаметрального вентилятора – генератора воздушного потока, – необходимого для предварительной поперечно-поточной классификации. Получено аналитическое выражение, позволяющее при заданных параметрах процесса и аппарата определять скорость генерируемого воздушного потока.

Разработан метод многопродуктовой классификации мелкозернистых материалов, основанный на методах центробежной и баллистической классификаций. Получено уравнение движения зерен материала (при подаче в торец роторного метателя) по поверхности пластин рабочего органа с учетом сил трения