CC BY
14
УДК 622.646
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-317-324
О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ПРОЦЕССА ВИБРОВЫПУСКА ИЗ ЕМКОСТИ СЫПУЧИХ И СВЯЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Людмила Ивановна Гендлина
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел. (383)205-30-30, доп. 317, e-mail: gen@misd.ru
Владимир Михайлович Усольцев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел. (383)205-30-30, доп. 168, e-mail: vovchik_big@list.ru
Евгения Григорьевна Куликова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел. (383)205-30-30, доп. 169, e-mail: shevchyk@ngs.ru
Для выпуска сыпучих материалов из накопительных емкостей в горном и строительном производстве часто используются вибрационные питатели. Отмечены особенности и недостатки вибропитателей, созданных в Институте горного дела СО РАН. В этих вибромашинах в качестве источника колебаний используется инерционный вибровозбудитель, который осуществляет силовое возбуждение колебаний. В этом случае амплитуда вибрации является функцией параметров системы, в частности, она зависит от массы материала на грузонесу-щей поверхности. Снижение этой массы и связанное с ним увеличение амплитуды колебаний рабочего органа может вывести вибровозбудитель из строя.
Показано, что при использовании в конструкции вибропитателя упругих опорных элементов сила натяжения рабочего органа и амплитуда его колебаний на участке приложения вынуждающей силы сохраняются постоянными, что позволяет обеспечить стабильные условия работы вибровозбудителя и всей колебательной системы.
Приведены технические характеристики вибропитателей, выполненных по разным конструктивным схемам.
Ключевые слова: вибропитатель, вибровыпуск, связный материал, нерастяжимая нить, провисание нити, растягивающая сила.
ON IMPROVEMENT OF VIBRORELEASE OF LOOSE AND COHESIVE MATERIALS FROM CAPACITY
Lyudmila I. Gendlina
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher, Vibro Equipment Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 317, e-mail: gen@misd.ru
Vladimir M. Usol'tsev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Researcher, Vibro Equipment Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 168, e-mail: vovchik_big@list.ru
Evgeniya G. Kulikova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Researcher, Vibro Equipment Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 169, e-mail: shevchyk@ngs.ru
Virbofeeders are often used in mining and construction to release loose materials from accumulation capacity. Features and disadvantages of vibrofeeders created at the Institute of Mining SB RAS are noted. In these vibrators an inertial vibration exciter is used as an oscillation source, which performs forced excitation of oscillations. In this case, the vibration amplitude is a function of the system parameters. It depends on the material's mass on the load-bearing surface. The reduction of this mass and the associated increase in the amplitude of the vibrations of the working element can disrupt the exciter.
The paper shows that if elastic supporting elements are used in vibrofeeder construction, tensile force of vibrofeeder member and its oscillation amplitude remains the same in the area of driving force application. This fact provides the stable mode.
Technical characteristics of vibrofeeders made according to different design schemes are presented.
Key words: vibrofeeder, vibrorelease, cohesive material, inextensible cord, cord sagging, tensile force.
Вибрация и связанные с ней эффекты в настоящее время широко применяются в различных отраслях промышленности. Некоторые технологические процессы эффективно осуществляются только при использовании вибрации. Вибрация может существенно интенсифицировать процесс и повысить его качественные показатели [1]. Именно поэтому изучению колебательных процессов вообще и вибрации, как одному из видов колебаний, в частности, уделяется серьезное внимание [2-5].
В горном и строительном производстве технологическими линиями часто предусматривается временное хранение сыпучих материалов в накопительных емкостях. Последующая выгрузка осуществляется либо гравитационным способом, либо с помощью питателей различных конструкций, в частности, широко используются вибропитатели [6, 7].
Среди разнообразных конструктивных схем вибрационных питателей можно выделить класс машин, созданных в ИГД СО РАН. Их основная особенность заключается в том, что перемещение материала осуществляется упругим рабочим органом, совершающим волновое движение [8]. В настоящее время существует несколько конструкций таких машин. Для горнорудных и строительных предприятий созданы вибропитатели типа «Волна», которые эффективно используются для разгрузки емкостей различного назначения. Эти питатели имеют упругий рабочий орган в виде тонкого металлического листа, свободно уложенного на основание, в качестве привода используется инерционный электрический вибровозбудитель с круговой вынуждающей силой. В таблице приведена техническая характеристика вибрационного питателя «Волна 1.5», который предназначен для выпуска сыпучей массы из емкостей, например бункеров, и может быть использован в различных отраслях промышленности.
Техническая характеристика питателей
Тип питателя Волна 1,5 С опорными элементами
Габаритные размеры, мм: длина 1 535 1 500
ширина 570 664
высота 600 1 050
Тип вибровозбудителя ИВ-98 МУБ 1200/3
Вынуждающая сила, кН 4.0 2.4
Частота колебаний, Гц 50 35
Масса, кг 115 160
Производительность, м3/ч до 60 55-60
Недостаток вибромашин этого класса заключается в том, что из-за потерь, в основном, за счет внешнего трения колебания существенно затухают в обе стороны от источника. Как следствие, амплитуда колебаний на загрузочном участке рабочего органа существенно меньше, чем у вибровозбудителя, из-за чего снижается скорость перемещения материала. Кроме того, используемый в рассматриваемых вибромашинах инерционный вибровозбудитель осуществляет силовое возбуждение колебаний [9], при этом амплитуда вибрации является функцией параметров системы, в частности, она зависит от массы материала на грузонесущей поверхности. Снижение этой массы и связанное с ним увеличение амплитуды колебаний рабочего органа может вывести вибровозбудитель из строя.
Для устранения отмеченных недостатков была принципиально изменена конструктивная схема вибропитателя [10]. В новой конструкции рабочий орган малой поперечной жесткости в подвешенном состоянии опирается на упругие опорные элементы, которые установлены на концевых участках грузонесущей поверхности и работают на изгиб. Такая схема позволила устранить трение между рабочим органом и основанием и существенно увеличить вибрацию загрузочного участка виброустройства.
Определим условия, при которых интенсивность вибрации на участке приложения вынуждающей силы не зависит от массы выпускаемого материала. Для этого введем следующие допущения:
- представим рабочий орган в виде предварительно растянутой, не обладающей жесткостью на изгиб нити, которая может свободно колебаться в поперечном направлении;
- нить нагружена равномерной распределенной нагрузкой, а концы ее жестко закреплены;
Известно, что колебания такой системы описываются одномерным волновым уравнением. Воспользуемся решением этого уравнения, приведенным в [3]. Динамические перемещения, обусловленные действием сосредоточенной силы Р(?), приложенной в точке х1, при использовании интеграла Дюамеля определяются выражением
2 ^ 1 . inx . inxi 1
o
y = 2 ^ —sin— sin —-1 Jqi (t')sinPi (t - t')dt', (1)
1 -=1p- 1 1 o
где l - длина нити;
P- = ~T - частоты собственных форм колебаний, i = 1,2,3,..
c = - скорость распространения поперечных волн в продольном направлении;
N - растягивающая сила;
m - масса единицы длины нити с присоединенной погонной массой нагрузки;
qi (t )=PCr •
m
Если предположить, что вынуждающая сила изменяется по гармоническому закону, приложена на расстоянии 1/2 от опор, и перемещение нити ищется в этой же точке, то имеем
2 P ж 1 t
y = — ^— J sin ю/ sin pi (t - t')dt (2)
m1 i=1 pi 0
и после вычисления интеграла получаем
( \
2 P ™ 1
2P 1 Ю .
y = —^-J sin ю/--sin pit
m1 i =1 p- 2 l p- )
P-, (3)
n 1
где pi = -
1 - ю2/
1 7 2 p-
ю - частота вынуждающей силы.
Используя выражение (3), находим перемещение нити в точке х = 1/2 при ее вынужденных колебаниях
2Р1 1
У = ^77 81П ш -Т^ • (4)
Ur - 2
1 -Ю
П2 N -=1.2
V / p-2)
Из (4) следует, что перемещение нити в точке приложения вибровоздействия при неизменных параметрах вынуждающей силы не будет зависеть от массы в том случае, если от нее не зависят собственные частоты и растягивающая сила N.
Этот результат, а также условия, при выполнении которых он может быть получен, проверены экспериментально на физической модели питателя. Было установлено, что увеличение или уменьшение статической нагрузки на рабочий орган вызывает изменение его кривизны, при этом собственные частоты меняются несущественно. Результат измерения частоты основной собственной формы приведен на рис. 1, из графика следует, что при увеличении массы почти в 4 раза частота изменилась менее чем на 2 Гц.
Для выбранной расчетной модели питателя показано [4], что изменение статической нагрузки, создаваемой выпускаемым материалом, не оказывает влияния на горизонтальную составляющую растягивающей силы, возникающей в рабочем органе, только в том случае, если эта нагрузка и вызванное ею провисание рабочего органа связаны между собой линейной зависимостью. Линейная связь между этими параметрами обеспечивается работой опорных элементов, что подтверждается результатами экспериментов.
/, Гц
12,0 4----
6,0 -I----
0 200 400 600 800 (2, кг
Рис. 1. Зависимость частоты собственной формы колебаний от массы
На рис. 2 для обеих конструктивных схем показаны осциллограммы виброскорости колебаний рабочего органа, записанные на участке приложения вынуждающей силы в течение всего времени выпуска из емкости мерного объема материала, масса которого на рабочем органе постепенно уменьшалась от 650 кг до 0. Как следует из осциллограмм, амплитуда колебаний питателя, выполненного по основной конструктивной схеме (рис. 2, а), растет с уменьшением массы выпускаемого материала. Колебания же рабочего органа питателя с упругими опорными элементами в течение всего периода выпуска существенно не изменялись по величине (рис. 2, б).
Изложенные факты подтверждают возможность реализации стабильного режима колебаний рабочего органа на участке приложения вынуждающей силы независимо от изменений нагрузки.
На основе полученных результатов изготовлен экспериментальный образец вибропитателя для выпуска сыпучих и связных материалов, техническая характеристика которого приведена в таблице.
и, м/с
и, м/с
t, чч:мм:сс.ттт
t, чч:мм:сс.ттт
а) б)
Рис. 2. Осциллограммы виброскорости колебаний рабочего органа на участке приложения вынуждающей силы:
а) питатель выполнен по основной схеме; б) питатель с упругими опорными элементами
Таким образом, установлено и подтверждено экспериментально, что при использовании упругих опорных элементов можно реализовать режим колебаний, амплитуда которых на участке приложения вынуждающей силы практически не зависит от изменения массы сыпучей среды на грузонесущей поверхности, что обеспечивает стабильные условия работы вибровозбудителя и всей колебательной системы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Блехман И. И. Эффекты вибрационного перемещения в процессах переработки минерального сырья - полезные применения и аварийные ситуации // Ресурсосбережение и охрана окружающей среды при обогащении и переработке минерального сырья (Плаксинские чтения - 2016) Материалы международной конференции - СПб., 2016. - С. 65-67.
2. Rajasekaran S., Khaniki H. B. Bending, buckling and vibration of small-scale tapered beams // International Journal of Engineering Science - 2017. - No. 120 - Pp. 172-188.
3. Farghaly S. H., El-Sayed T. A. Exact free vibration analysis for mechanical system composed of Timoshenko beams with intermediate eccentric rigid body on elastic supports: An experimental and analytical investigation // Mechanical Systems and Signal Processing - 2017. -No. 82 - Pp. 376-393.
4. Ansari R., Faghih Shojaei M., Rouhi H. Small-scale Timoshenko beam element // European Jour-nal of Mechanics, A/Solids - 2015. - No. 53 - Pp. 19-33.
5. Di Paola M., Failla G., Sofi. А., Zingales М. On the vibrations of a mechanically based non-local beam model // Computational Materials Science - 2012. - No. 64 - Pp. 278-282.
6. Батраков Д. В. Применение вибрационных питателей для выпуска руды в условиях железорудных шахт Криворожского бассейна // Вестник Криворожского Национального Университета - 2013. - 34 (1) - С. 104-108
7. Блехман И. И., Блехман Л. И., Васильков В. Б. О механизме износа и аварийности оборудования, работающего в условиях ударных и вибрационных нагрузок // Обогащение руд. - 2016. - № 6 (366) - С. 32-39
8. Левенсон С. Я., Гендлина Л. И., Глотова Т. Г., Алесик М. Ю., Морозов А. В. Энергосберегающие вибрационные устройства для выпуска связных материалов из емкостей на предприятиях горной промышленности // Горное оборудование и электромеханика. - 2010. -№ 10 - С. 8-12.
9. Блехман И. И., Блехман Л. И., Ярошевич Н. П. К динамике привода вибрационных машин с инерционным возбуждением // Обогащение руд - 2017. - № 4. - С. 49-53.
10. Гендлина Л. И., Левенсон С. Я., Алесик М. Ю., Куликова Е. Г. О влиянии параметров вибра-ционного устройства на процесс выпуска связных материалов из емкости // Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - № 1. - С. 43-46.
11. Тимошенко С. П., Янг Д. Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. - М.: Машиностроение, 1985. - 472 с.
12. Гендлина Л. И., Куликова Е. Г., Усольцев В. М. Обоснование расчетной схемы вибрационного питателя для выпуска связных материалов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 3. - С. 68-73.
REFERENCES
1. Blechman I. I. (2016). Effects of vibration displacement in the processing of mineral raw materials - useful applications and emergency situations. In Resursosberezheniye i ochrana okruzhayushjey sredi pri obogashjenii i perepabotke mineralnogo cirsya (Plaksinsky chteniya -2016). Materiali mezhdunarodnoy conferensii [Resource conservation and environmental protection in the enrichment and processing of mineral raw materials (Plaksinsky readings- 2016), Proceedings of International Conference] (pp 65-67). St. Petersburg [in Russian].
2. Rajasekaran S., Khaniki H. B. (2017). Bending, buckling and vibration of small-scale tapered beams. International Journal of Engineering Science, 120, 172-188. doi: 10.1016/ j.ijengsci.2017.08.005.
3. Farghaly S. H., El-Sayed T. A. (2017). Exact free vibration analysis for mechanical system composed of Timoshenko beams with intermediate eccentric rigid body on elastic supports: An experimental and analytical investigation. Mechanical Systems and Signal Processing, 82, 376-393. doi: 10.1016/j.ymssp.2016.05.029.
4. Ansari R., Faghih Shojaei M., Rouhi H. (2015). Small-scale Timoshenko beam element. European Journal of Mechanics, A/Solids, 53, 19-33. doi: 10.1016/j.euromechsol.2015.02.005.
5. Di Paola M., Failla G., Sofi. А., Zingales М. (2012). On the vibrations of a mechanically based non-local beam model. Computational Materials Science, 64, 278-282. doi: 10.1016/j.commatsci.2012.03.031.
6. Batrakov D. V. (2013). Application of vibrating feeders for mineral release in conditions of iron-ore mines of the Krivoy Rog basejn. In Vestnik Krivirogsckogo Nacionalnogo Universiteta [Bulletin of the Krivoy Rog National University], 34(1), 104-108 [in Ukraine].
7. Blechman I. I., Blechman L. I., Vasifkov V. B. (2016). About the process of wear and failure of equipment operating under shock and vibration loads. In Obogashyenie rud [Ore processing] , 6(366), 32-39 [in Russian].
8. Levenson S. Ya., Gendlina L. I., Glotova T. G and over. (2010). Energy-conservation vibrating mechanisms for coherent rock materials discharge from the bunker at mining facility. In Gornoe oborudovanie I electromechanika [Mining equipment and electromechanics], 10, 68-73 [in Russian].
9. Blechman I. I., Blechman L. I., Yaroshevich N. P. (2017). About the dynamics of the drive of vibration machines with inertial excitation, In Obogashyenie rud [Ore processing], 4, 49-53 [in Russian].
10. Gendlina L. I., Levenson S. Ya., Alesik M. Yu., Kulikova E. G. (2013). About vibratory equipment parameters affects to the process of coherent rock materials discharge from the bunker. In Gornoe oborudovanie I elyectromechanika [Mining equipment and electromechanics], 1, 43-46 [in Russian].
11. Timoshenko S. P., Young D. H., Weaver W. (1985). Vibration problems in engineering. Moscow: Mashinostroenie [in Russian].
12. Gendlina L. I., Kulikova E. G., UsoFtsev V. M. (2016). Evaluation of analytical model of a vibratory feeder for coherent materials. In Sbornik materialov Interekspo Geo-Sibir'-2016: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 3. NedropoVzovanie. Gornoe delo. Napravleniya b tehnologii poiska, razvedki I razrabotkimestorogdenij poleznih iskopaemih. Geoekologiya-2017 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2016: International Scientific Conference: Vol. 3. Subsoil use. Mining. Directions and technologies of prospecting, exploration and development of mineral deposits. Geoecology -2016] (pp. 68-73). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].
© Л. И. Гендлина, В. М. Усольцев, Е. Г. Куликова, 2018
