CC BY
36
------------------------------------------ © В. А. Бобин, А.Н. Ланюк,
2006
УДК 621.926.73
В.А. Бобин, А.Н. Ланюк
ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ НАГРУЗКАМИ В ТЕРОЧНЫХ МЕЛЬНИЦАХ
Семинар № 20
ТЪ настоящее время при дезинте-
-М-Э грации природного вещества широко применяются дробилки и мельницы крупного, среднего и мелкого измельчения, которые используют два принципа разрушения твердого вещества - разрушение раздавливанием и истиранием.
В России проблемы технологии дробления и измельчения руд и других твердых материалов решались в работах К.Н. Трубецкого, М.И. Агош-кова, В.В. Ржевского, Л.И. Барона, Л.А. Красов-ского, А.С. Воронюка, С.Е. Андреева, В.А. Перова, В.В. Зверевича, Л.Ф. Биленко, В.И. Ревнивцева и др.
Однако, эта проблема требует дальнейшего теоретического и экспериментального развития как в вопросе понимания сущности процесса истирания горных пород за счет гироскопического эффекта, так и основанных на нем конструкций гироскопических терочных мельниц.
В этой связи актуальной для теории разрушения является задача развития исследований по истиранию горных пород за счет управления гироскопическим эффектом передачи усилий истирания на исполнительный орган мельницы.
Анализ существующих технических устройств по измельчению показывает, что их высокая энерго- и металлозатрат-ность определяется тремя основными
причинами, а именно: 1) значительной массой рабочего органа этих устройств (щек, валков, роторов, шаров, стержней и т. д.), которая достигает нескольких тонн; 2) одновременным использованием рабочего органа как в качестве элемента, создающего разрушающее усилие, так и качестве силового элемента, непосредственно действующего на измельчаемую горную породу, что требует сложной системы регулирования устойчивой деятельности рабочего органа устройства, а также энергоемкого силового привода, обеспечивающего работу всех элементов устройства; 3) отсутствием у системы регулирования устойчивой деятельности рабочего органа устройства свойств системы автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, что не только ограничивает область устойчивой работы, но и приводит к катастрофическому разрушению конструкции устройства.
Минимальной удельной мощностью среди различных измельчающих твердые тела устройств, обладают терочные мельницы, работающие в основном в режиме истирания исходного материала. Однако основным недостатком терочных мельниц является их сравнительно большие весовые показатели, определяемые большой массой истирающих органов, что затрудняет управление ими в режиме устойчивого истирания, а также формирование больших усилий в
Рис. 1. Схема гироскопической терочной мельницы: 1 - вал силового привода; 2 - размольный стол; 3 - шарнир бегунка; 4 - бегунок
шарнирной опоре, соединяющей рабочий орган терочной мельницы с силовым приводом. В результате терочные мельницы заключают в себе все упомянутые выше причины, определяющие высокую энерго- и металлоемкость устройств данного типа.
Но один из типов терочных мельниц, а именно гироскопические терочные мельницы обладают уникальной конструкцией, в которой с одной стороны присутствуют все три главных недостатка существующих устройств по разрушению природных геоматериалов, а с другой стороны пунктиром намечены пути для разрешения казалось несовместимых друг с другом технических противоречий, касающихся, например, вопроса по разделения функционального дуализ-ма рабочего органа, разрушающего горную породу.
Для иллюстрации сказанного рассмотрим конструкцию терочной мельницы, схематично представленной на рис. 1, при работе которой используется гироскопический эффект [1].
Терочная мельница (рис. 1) состоит из вала силового привода 1, горизонтального размольного стола 2 радиусом
0,5 м и металлического бегунка 4 массой 100 кг, вращающегося при помощи силового привода и шарнира 3 вокруг вертикальной оси симметрии размольного стола с угловой скоростью О = 6п рад/с. При этом угловая скорость вращения бегунка составляет ш = 5 О = 30п рад/с, а дополнительная максимально возможная величина вертикальной силы давления тяжелого бегунка на размольный стол, возникающая благодаря гироско-
пическому эффекту, составляет порядка 80 % от веса бегунка.
В конструкции гироскопической терочной мельницы отчетливо проступают все три главных недостатка существующих устройств по разрушению природных геоматериалов, а именно: 1) вес бегунка составляет более половины веса всей мельницы; 2) рабочий орган - бегунок - используется как в качестве элемента, создающего дополнительную гироскопическую силу, так и в качестве силового элемента непосредственно действующего на измельчаемую горную породу; 3) из-за жесткой кинематической связи между бегунком и осью вращения размольного стола возможен срыв работы устройства в неустойчивый режим ударного разрушения горной породы.
Все это приводит к невозможности управляемого независимо друг от друга изменения угловых скоростей ш и О и не позволяет эффективно управлять величиной силы давления бегунка на размольный стол. Действительно величина ш определяется кинематической связью между размольным столом и бегунком и вычисляется из соотношения ш = ОхИ^/Иб , где И-с. - расстояние от оси
вращения размольного стола до бегунка, а И - радиус бегунка.
В силу фиксированной кинематической связи между размольным столом и бегунком угловая скорость вращения бегунка не может превышать наперед заданной величины, что не позволяет эффективно измельчать горные породы с различными прочностными свойствами, фракционным составом и геометрической формы.
Кроме того, при угловой скорости размольного стола, превышающей величину О = 6п рад/с, происходит потеря кинематического непрерывного контакта бегунка с размольным столом, в результате чего происходит резкое уменьшение угловой скорости его вращения и уменьшение гироскопической силы, при этом устройство переходит в неустойчивый режим ударного разрушения горной породы, завершающийся разрушением конструкции самого устройства.
Анализ всех трех главных недостатков существующих терочных мельниц по разрушению природных геоматериалов показывает, что они являются следствием, во-первых, традиционной переоценки сил тяготения и недооценки роли гироскопических сил как в деле создания разрушающих усилий, так и деле формирования системы автоматического регулирования процесса с использованием отрицательной обратной связью, и, во-вторых, наличие жесткой кинематической связи между силовым приводом и рабочим органом (бегунком) мельницы.
Таким образом, устройство свободное от всех трех ранее рассмотренных недостатком должно отвечать двум новым условиям:
1) независимому управлению величинами угловых скоростей бегунка и
размольного стола, что подразумевает ликвидацию жесткой кинематической связи между силовым приводом и бегунком мельницы;
2) опоре на гироскопические силы как источник создания разрушающих усилий по дезинтеграции горных пород, так и элемент системы автоматического регулирования устойчивой работой мельницы, что подразумевает трансформацию бегунка в элемент вполне самостоятельного устройства именуемого двухстепенным гироскопом, который предназначен для создания разрушающих горные породы усилий вместо сил тяжести. При этом масса бегунка не имеет принципиального значения и является несущественной величиной.
Для реализации гироскопического принципа управления силовыми нагрузками в терочных мельницах, основанного на независимом управлении величинами угловых скоростей бегунка и размольного стола, а также опоре на гироскопические силы как источник разрушающих горные породы усилий было разработано и создано устройство ГМ-1 (гироскопическая мельница). Ее схема приведена на рис. 2.
ГМ-1 содержит маршевый электродвигатель 1, вращающий грузовую площадку 2, шарнирную опору 3 с шарниром 4, на котором установлен электродвигатель 5, на его валу 6 закреплен маховик 7. Рабочий орган 8 (бегунок) связан с электродвигателем 5 осью бегунка 9. На размольном столе 10, неподвижном относительно Земли, находится измельчаемая горная порода 11. Электродвигатель 5 с валом 6 и маховиком 7, установленный на оси бегунка 9 и шарнирно соединенной с опорой 3, образуют двухстепенный гироскоп 12.
Для балансировки гироскопической мельницы при вращении вокруг вертикальной оси устройство может быть снабжено балансировочными грузами 13, 14, установленными на горизонтальной площадке 2.
При работе устройства с нечетным числом двухстепенных гироскопов при взаимодействии бегунка с измельчаемой породой 11 возникают большие несбалансированные усилия, для уменьшения влияния которых целесообразно установить на горизонтальной площадке четное число двухстепенных гироскопов и разместить их попарно симметрично относительно вертикальной оси вращения.
ГМ-1 работает следующим образом: электродвигатель 5 раскручивает маховик 6 до угловой скорости ш. Затем маршевый электродвигатель 1 раскручивает грузовую площадку 2 до угловой скорости О, при этом возникает гироскопическая сила
Шг I = Jx шхОх8таЛь (1)
где J - момент инерции маховика 6, а - угол между векторами ш и О, а 11 -расстояние между шарниром 4 и центром масс рабочего органа 8. Направле-
ние этой силы определяется знаком тригонометрической функции.
Из соотношения (1) следует, что, изменяя ш и О независимо друг от друга, можно изменять величину гироскопической силы Fг в широком диапазоне значений., что дает возможность в зависимости от конкретного случая изменять величину гироскопической силы от нуля до величины на один-два порядка величины больших, чем в известных технических решениях, что позволяет использовать бегунки малого веса, причем при необходимости они могут быть жестко закреплены на оси 9.
ГМ - 1 работает следующим образом: силовой привод 1 раскручивает горизонтальную площадку 2 с установленным на нем бегунком 8 до угловой скорости О вокруг вертикальной оси вращения; электродвигатель 5 раскручивает маховик 7 до угловой скорости ш, направление вектора которой совпадает с направлением оси 9 бегунка 8. При этом на двухстепенный гироскоп действует гироскопический момент, а сам бегунок прижимается к размольному столу гироскопической силой, величина которой определяется формулой (1). Возникаю-
щее при этом усилие разрушения измельчает горную породу, находящуюся на размольном столе.
Устойчивость работы ГМ - 1 определяется тем, что при увеличении силы сопротивления размельчаемой породы перемещению бегунка 8 по размольному столу происходит и уменьшение заданной величины угловой скорости О, что в свою очередь, согласно формуле (1) приводит к уменьшению величины ги-роскопичской силы и увеличению О до заданной величины.
Следовательно, с точки зрения теории автоматического регулирования ГМ - 1 является автоматическим устройством с отрицательной обратной связью, которая и обеспечивает его устойчивую работу в заданном режиме.
На основе проведенных исследований было получен патент Российской федерации № 2248242 на "Гироскопический измельчитель сухой горной породы" [2], а также с помощью лабораторной экземпляра гироскопической мельницы (масса - 2 кг, мощностью силового привода - 5 - 10 ватт, время работы 5-7 мин.) были произведены размолы кальцита, пирита и кимберлита исходной массы 50-60 г и крупностью 3-7 мм способом истирания до гранулометрического состава, что доказало на практике действенность и эффективность ГМ - 1 и гироскопического принципа управления силовыми нагрузками при разрушении горной породы.
------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Россель Ж. Общая физика. - М.: Мир, 2. Патент РФ № 2248242 "Гироскопиче-
1964., с. 134. ский измельчитель сухой горной породы",
2005, бюл. № 8.
— Коротко об авторах ------------------------
Бобин В.А., Ланюк А.Н. - ИПКОН РАН, г. Москва.
ф
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ ДИССЕРТАЦИИ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ УРО РАН
ТАРАНТИН Михаил Викторович Оценка структуры горных пород по материалам акустического каротажа 25.00.16 к.т.н.
