CC BY
12
УДК 621.9:519.8
DOI 10.18413/2411-3808-2018-45-4-741 -747
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ КРИТЕРИЕВ И МЕТОДИКА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ВНУТРИМЕЛЬНИЧНОГО УСТРОЙСТВА ТРУБНОЙ ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ
SYSTEMATIZATION OF CRITERIA AND TECHNIQUE OF A MULTICRITERAL SELECTION OF A RATIONAL STRUCTURE OF AN INTERNAL DEVICE OF A TUBE BALL MILL
С.И. Ханин1, В.В. Ломакин2, Н.П. Путивцева2, О.П. Пусная2, Т.В. Зайцева2 S.I. Khanin1, V.V. Lomakin2, N.P. Putivtseva2, O.P. Pusnaya2, T.V. Zaitseva2
1)1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, 46
2) Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Россия, 308015, Белгород, ул. Победы, 85
1)1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov, 46 Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia 2) Belgorod State National Research University, 85 Pobeda St, Belgorod, 308015, Russia
E-mail: dh@intbel.ru, lomakin@bsu.edu.ru, putivzeva@bsu.edu.ru pusnaya@bsu.edu.ru,
zaitseva@bsu.edu.ru
Аннотация
В статье изложена методика подбора конструкции внутримельничного устройства шаровой мельницы. Был проведен анализ лопастных энергообменных устройств и выделены характеристики, которые позволяют уменьшить количество рассматриваемых мельниц. В методике на первом этапе происходит удаление заведомо неподходящих вариантов внутримельничных устройств по заданным критериям, на втором этапе производится окончательный выбор мельниц по технико-экономическим показателям с использованием метода анализа иерархий. Приведена классификация внутримельничных лопастных энергообменных устройств, составлена cводная таблица первичных данных характеристик ЛЭУ. Представлено описание предметной области, выделены критерии и определены связи между ними, произведено многокритериальное оценивание конструкций лопастных эллипсных энергообменных устройств. В результате сформулированы рекомендации по выбору оптимального внутримельничного устройства при проектировании конструкции шаровой мельницы.
Abstract
The article describes the methodology for selecting the design of the intra-mill device of a ball mill. The analysis of the blade energy-exchanging devices was carried out and the characteristics that reduce the number of mills were highlighted. On the first stage of the method, the obviously unsuitable variants of intra-mill devices are removed according to specified criteria; on the second stage the final selection of mills according to technical and economic indicators with the use of the analytical hierarchical procedure was made. A classification of intra-mill bladed energy-exchanging devices is represented; a summary table of the primary data of the characteristics of VED is compiled. A description of the subject area is presented, criteria are highlighted and relationships between them are determined, multi-criteria evaluation of the designs of vane ellipse energy-exchange devices was carried out. As a result, recommendations on the choice of the optimal intra-mill device during designing the construction of a ball mill were formulated.
Ключевые слова: шаровая мельница, лопастное энергообменное устройство, многокритериальный подход, принятие решений, метод анализа иерархий, лопастное энергообменное устройство.
Keywords: ball mill, vane energy-exchange device, multicriteria approach, decision making, hierarchy analysis method, vane energy exchanger.
Введение
Производство многих материалов связано с необходимостью тонкого измельчения исходного сырья [Глухарев, 2014]. Это производство цемента и удобрений, выпуск керамических и стеклянных изделий, помол угля, руды и др. Измельчение материалов является одним из самых энерго- и трудоемких процессов в различных отраслях промышленности. Основные технологические процессы преимущественно осуществляются с материалами в измельченном состоянии [Bogdanov et а1., 2014]. Тонкость измельчения оказывает существенное влияние на качество готовой продукции. При производстве различных строительных материалов и изделий из них (листовое строительное стекло, цемент, изделия из тонкой керамики и др.) требуется достаточно высокая дисперсность используемых компонентов. Так, около 85% электроэнергии, затрачиваемой на производство цемента, расходуется на дробление и помол, из которой 75% приходится только на помол [Khanin et 81., 2015]. Несмотря на низкий коэффициент полезного действия, большие габариты и энергоемкость, шаровые мельницы (ШМ) по-прежнему остаются наиболее распространенными агрегатами для помола различных материалов благодаря большой производительности, простоте и надежности конструкции.
Основная часть
Производство многих материалов связано с необходимостью тонкого измельчения исходного сырья. Это производство цемента и удобрений, выпуск керамических и стеклянных изделий, помол муки и фарм-компонентов. Измельчение материалов является одним из самых энерго- и трудоемких процессов в различных отраслях промышленности. Основные технологические процессы преимущественно осуществляются с материалами в измельченном состоянии. Тонкость измельчения оказывает существенное влияние на качество готовой продукции. При производстве различных строительных материалов и изделий из них (листовое строительное стекло, цемент, изделия из тонкой керамики и др.) требуется достаточно высокая дисперсность используемых компонентов.
При измельчении различных материалов нашли достаточно широкое применение ШМ различных типоразмеров с внутримельничными классифицирующими устройствами и разгрузкой материала через сито. Они могут использоваться как в открытом, так и в замкнутом циклах (рис. 1).
Рис. 1. Шаровая мельница с периферийной разгрузкой: 1 - кожух, 2 - загрузочная часть, 3 -вал, 4 - днище, 5 - наружное сито, 6 - промежуточное сито, 7 - перфорированная бронеплита Fig. 1. Ball mill with peripheral unloading: 1 - casing, 2 - loading part, 3-shaft, 4 - bottom, 5 - outer sieve, 6 - intermediate sieve, 7 - perforated armored plate
Эта конструкция ШМ позволяет удалять из шароматериальной среды частицы определённой крупности, исключить их переизмельчение, повысить эффективность процесса помола.
На предприятиях при помоле угля, производстве керамических изделий в условиях мокрого и сухого помолов различных материалов (пегматита, полевого шпата, кварца и др.) нашли применение ШМ непрерывного действия с комбинированной конструкцией корпуса [Buchholtz et al, 2000; Schwager and Poschel, 2008]. Корпус мельницы выполняется составным из цилиндрической части и примыкающих к ней большими основаниями двух конусообразных частей - короткоконусной, расположенной со стороны загрузочной части, имеющей больший угол при вершине конуса и расположенной со стороны разгрузочной части длинноконусной, с меньшим углом при вершине конуса (рис. 2).
Рис. 2. Шаровая мельница с комбинированной конструкцией корпуса: 1,2 - загрузочная и разгрузочная части; 3,4 и 5 - соответственно короткоконусная, цилиндрическая и длинноконусная части корпуса; 6 - подшипники; 7 - мелющие тела Fig. 2. Ball mill with a combined housing design: 1,2 - loading and unloading parts; 3,4 and 5 - short-cone, cylindrical and long-cone parts of the body,
respectively; 6 - bearings; 7 - grinding bodies
Стремление к повышению эффективности работы ШМ и их конструктивные и эксплуатационные особенности предопределили образование внутримельничных устройств различных конструкций. К ним следует отнести межкамерные перегородки, выходные решетки, классифицирующие решетки, лопастные энергообменные устройства (ЛЭУ) и ряд других. Исходя из конструктивных признаков, устройства объединяются в соответствии с представленной классификацией (рис. 3).
Рис. 3. Классификация внутримельничных лопастных энергообменных устройств Fig. 3. Classification of intra-mill bladed energy-exchanged machines
Методика
Выбор ЛЭУ является сложной и неоднозначной задачей, что связно как с большим количеством предлагаемых конструктивных устройств, так и возможностью их комбинирования. При этом процесс выбора устройства необходимо осуществлять как по ряду формальных признаков, так и с помощью экспертов, обладающих профессиональными знаниями и имеющих соответствующий опыт их применения в конкретных ситуациях [Lomakin and Lifirenko, 2014].
При принятии решения по выбору наиболее подходящего по критериям ЛЭУ авторами предлагается двухэтапная методика:
1. Выбор типа лопастного энергообменного устройства исходя из конструктивных параметров мельницы и условий реализации процесса помола.
2. Подбор конструкции рационального ЛЭУ с учетом затрат, качественных и количественных показателей работы мельницы.
Этап 1. Выбор типа лопастного энергообменного устройства. Данный этап осуществляется с целью отбрасывания заведомо неподходящих типов ЛЭУ [Маторин и др., 2015].
При проектировании конструкции шаровой мельницы в зависимости от исходных свойств материалов и требования к тонкости помола проведем выбор типа лопастного энергообменного устройства. Основными критериями отбора будут служить следующие параметры: способ производства, тип измельчаемого материала, типоразмер и режим работы. При выборе оборудования по переработке пород необходимо учитывать их основные физико-механические свойства. В первую очередь это относится к размолоспособности материалов. Общепринято их разделять на материалы повышенной, средней и пониженной разма-лываемости. Машиностроительные компании, занимающиеся производством мельниц, выпускают несколько типоразмеров мельниц различной производительности. Основные характеристики лопастных энергообенных устройств приведены в таблице.
На основании анализа таблицы построим дерево решений [Lomakin et al, 2017], отбрасывающее заведомо неподходящие варианты ЛЭУ, исходя из выделенных ранее критериев (рис. 4) [Путивцева и др., 2017; Petrovsky et al, 2011].
Таблица Table
Сводная таблица первичных данных характеристик ЛЭУ Summary table of BEM characteristics primary data
Вид устройства Способ помола Соотношение диаметра и длины камеры мельницы Размалываемость Исходная крупность материала Режим работы
Мокрый Сухой V Л Q г>ч/1а >i m V Л Q V (N Повышенная Средняя Пониженная Регламентированная Повышенная Непрерывный Периодический
ЛЭС + + - + - - + + + + + -
ЛЭС и ЛДД + - - - + - + + + + + -
ЛЭС и НМП + + - - + - + + + + + -
ЛЭЧУ + + + - - + + - + - + +
ДВЛ + + + + - - + + + + + +
ОВЛ + + - + - - + + + + + -
НПЛУ + + + - - + + - + - + +
РПЛУ + + + - - + + - + + + +
В результате получена совокупность наборов ЛЭУ, удовлетворяющая заданным исходным условиям. При этом в каждом наборе для любого из ЛЭУ проставлена степень соответствия в виде десятичной дроби из диапазона [0;1] [Зайцева и др., 2012; Putivtseva et 8!, 2016].
МО!фЫЙ Способ помола
ЛЭС+ЛДД; 1,0
"J Суло
Регламентированная Исходная крупность материала
ЛЭЧУ; HI my; ,0 ,0
Неважно > L ь Пони; Kei 1 14
[с 5И ОДИЧЕСКИ И Режим работы
ЛЭЧУ; 0,85
ДВЛ: 0,85 НПЛУ; 0,7
РПЛУ; ),7 II )К1 ниенкая Неважно ? > Непреры вный 11 и /). ОН 1 ая
Размальткаемость 11 ЛЭС; 1,0 ДЭС+НМП; 0,85 ДВЛ: 0,85 ОВЛ; 0.7
ЛЭЧУ; 0,85
ЛЭС+ЛДД: 0.7
Нк-'ЕШЖПО > ь о! h Средне
Соотношение Т> i /1
<1 1< СЗ Ненажно ЛЭС; 0.4 ЛЭС-ИМП; 0.4 ДВЛ: 0,4 ОВЛ; 0,4 ЛЭЧУ; 0.4 НИЛУ; 0,4 РВЛУ, 0,4
ЛЭЧУ; 0.7 ДВЛ; 0,7 ПИЛУ: 0.5? РИЛУ, 0,55
VLi<2 ts S? > У К D,/L 1"
ЛЭС+ЛДД; 0.7
ЛЭО+ НМЛ; 0,55 ЛЭС 1 ЛДД; 0.4
Рис. 4. Дерево решений Fig. 4. Solution tree
Этап 2. Подбор конструкции рационального ЛЭУ с учетом затрат, качественных и количественных показателей работы мельницы.
Этот этап выбора рациональной конструкции лопастного энергообменного устройства мельницы осуществляется с учетом множества критериев на основе метода анализа иерархий [Ларичев, 2002; Саати, 1993]. Данный метод предназначен для упорядочения конечного множества реальных вариантов А1,...,Ат, оценённых по многим количественным и качественным критериям К1,...,Кп, и выбора лучшего варианта по наибольшей общей ценности. Задача выбора вида ЛЭУ шаровой мельницы представляется в виде иерархии, которая в самом простом случае состоит из 3 уровней: цель (доминанта), критерии, альтернативы (варианты) [Сенник, Гребенников, 2015; Шрейдер, Шаров, 1982].
Альтернативами являются шаровые мельницы с выбранными конструкциями внут-римельничных устройств [Ломакин и др., 2014; Ломакин и Лифиренко, 2014].
Критериями являются технико-экономические показатели, характеризующие особенности эксплуатации мельницы с различными конструкциями лопастных эллипсных энергообменных устройств (рис. 5) [Путивцева и др., 2015; Ьошакт et а1, 2018].
Выбор устройства
шэринои мельницы
Трудоемкость Трудоемкость Условия
изготовления эксплуатаиии
// //
ILS J
Удельный ргсход Качество
с.рок службы
электроэнергии помола
г II IM IIIM IIIM 1
1
г 1 Г лчг С ДВЛ
\
Рис. 5. Иерархия выбора устройства шаровой мельницы Fig. 5. Hierarchy of selection of a ball mill device
Заключение
Предложенная методика использована для подбора ЛЭУ шаровой мельницы по заявленным требованиям предприятия. Рассмотренный подход позволил на первом этапе сузить количество рассматриваемых вариантов с 8 до 5. На 2 этапе лицо, принимающее решение, выбрало вид, который наиболее выгоден предприятию на основе технико-экономических показателей [Пусная и др., 2018]. Предлагаемые научно-технические решения позволяют осуществить поддержку пользователя в ходе принятия решений при построении новых конструкций трубной шаровой мельницы с энергообменными устройствами.
Выводы
1. Проведен анализ использования шаровых мельниц в различных отраслях промышленности: строительных материалов, химической, горнорудной и др. Приведены особенности условий их эксплуатации.
2. Для шаровых мельниц рассмотрены различные конструкции лопастных энергообменных устройств и схемы их установки в корпусе, а также преимущества их применения, позволяющие осуществлять помол необходимого качества из различных материалов.
3. Предложена двухэтапная методика, позволяющая выбрать наиболее рациональную конструкцию лопастных энергообменных устройств шаровой мельницы, исходя из ее конструкции и особенностей технологического производства.
4. Проведена апробация предлагаемого метода для применения на машиностроительном предприятии.
Список литературы References
1. Глухарев Н.Ф. Сухое измельчение в условиях электронейтрализации: монография. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2014. 193.
Gluxarev N.F. Suxoe izmeFchenie v usloviyax e'lektronejtralizacii: monografiya [Dry grinding in electroneutralization conditions: monograph] SPb.: Izd-vo Politexnicheskogo universiteta, 2014. 193.
2. Зайцева Т.В., Нестерова Е.В., Игрунова С.В., Пусная О.П., Путивцева Н.П., Смородина Н.Н. 2012 Байесовская стратегия оценки достоверности выводов. Научные ведомости БелГУ. Сер. Экономика Информатика 13(132): 180-183.
Zajceva T.V., Nesterova E.V., Igrunova S.V., Pusnaja O.P., Putivceva N.P., Smorodina N.N. 2012. Bajesovskaja strategija ocenki dostovernosti vyvodov [Bayesian estimation of the reliability of the conclusions of the strategy]. Nauchnye vedomosti BelGU. Ser. Jekonomika Informatika, 13(132): 180-183 (in Russian)
3. Ларичев О.И., 2002 Теория и методы принятия решений. М.: Логос, 392.
Larichev O.I., 2002 Teorija i metody prinjatija reshenij [Theory and methods of decisionmaking]. M.: Logos, 392. (in Russian)
4. Ломакин В.В., Лифиренко М.В. 2014. Система поддержки принятия решений с автоматизированными средствами корректировки суждений экспертов. Научные ведомости БелГУ. Сер. История. Политология. Экономика. Информатика. 1(172): 114-120.
Lomakin V.V., Lifirenko M.V. 2014. Decision support system with means of expert judgment correction. Nauchnye vedomosti BelGU. Istoriya. Politologiya. Ekonomika. Informatika. [Belgorod State University Scientific Bulletin. History Political Science Economics Information technologies]. 1(172): 114-120. (in Russian)
5. Ломакин В.В., Лифиренко М.В. 2014. Инструментальные средства поддержки жизненного цикла автоматизированных систем управления наружным освещением на основе экспертных методов принятия решений. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 5: 196-200.
Lomakin V.V., Lifirenko M.V. 2014. Instrumental decision-making tools for lifecycle support of outdoor lighting automated control systems. Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 5: 196-200. (in Russian)
6. Маторин С.И., Жихарев А.Г., Зайцева Н.О. 2015. Имитационное моделирование с использованием системно-объектного подхода. Прикладная информатика, 6(10): 91-104.
Matorin S.I., Zhikharev A.G., Zaitseva N.O. 2015. Imitatsionnoe modelirovanie s ispol'zovaniem sistemno-ob'ektnogo podkhoda. Prikladnaya informatika, 6(10): 91-104. (in Russian)
7. Пусная О.П., Путивцева Н.П., Зайцева Т.В., 2018. Расчет вероятностей выбора внут-римельничных устройств. Международный научно-практический журнал «Теория и практика со-
временной науки», 9(39). Date Views 05.10.2018 www.modern-j. ru/domains_data/ files/39/Pusnaya%200. P.pdf.
Pusnaya O.P., Putivceva N.P., Zajceva T.V., 2018. Raschet veroyatnostej vybora vnu-trimeFnichnyx ustrojstv [Calculation of probabilities of the choice of intramuscular devices]. Mezhdu-narodnyj nauchno-prakticheskij zhurnal «Teoriya i praktika sovremennoj nauki», 9(39). (in Russian)
8. Путивцева Н.П., Зайцева Т.В., Игрунова С.В., Нестерова Е.В., Пусная О.П. 2015. О разработке пакета компьютерной поддержки принятия решений для выбора корреляционно -регрессионных моделей анализа и прогнозирования эмпирических данных. Научные ведомости БелГУ Сер. Экономика Информатика. 21(216): 126-131
Putivceva N.P., Zajceva T.V., Igrunova S.V., Nesterova E.V., Pusnaja O.P. 2015. O razrabotke paketa komp'juternoj podderzhki prinjatija reshenij dlja vybora korreljacionno-regressionnyh modelej analiza i prognozirovanija jempiricheskih dannyh. Nauchnye vedomosti BelGU. Ser. Jekonomika In-formatika [On the development computer support package decision to select the correlation-regression model analysis and prediction of empirical data. Belgorod State University Scientific Bulletin. Economics Information technologies] 21(216): 126-131 (in Russian)
9. Путивцева, Н.П., Ряснова В.А., Зайцева Т.В., Пусная О.П., Нестерова Е.В., Игрунова С.В. 2017. Выбор системы электронного документооборота методом ELECTRE и сравнение результатов при использовании метода анализа иерархий. Научные ведомости БелГУ. Сер. Экономика Информатика. 2(251): 135-141
Putivceva, N.P., Ryasnova V.A., Zajceva T.V., Pusnaya O.P., Nesterova E.V., Igrunova S.V. 2017. Vy'bor sistemy' elektronnogo dokumentooborota metodom ELECTRE i sravnenie rezultatov pri ispol'zovanii metoda analiza ierarxij. [Selecting an electronic document management system using the ELECTRE method and comparing the results using the hierarchy analysis method] Belgorod State University Scientific Bulletin. Economics Information technologies. 2(251): 135-141. (in Russian)
10. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1993. 320.
Saati T., 1993. Prinjatie reshenij. Metod analiza ierarhij [Making decisions. Analytic Hierarchy
Method. Radio and Communications]. M.: Radio i svjaz', 320. (in Russian)
11. Сенник Ю.С., Гребенников И.Р. 2015. Жизненный цикл информационных систем. Системный анализ и прикладная информатика, 2: 4-9.
Sennik U.S., Grebennikov I.R. 2015. Life cycle of information systems. System analysis and applied informatics, 2: 4-9. (in Russian)
12. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. 1982. Системы и модели. М., Радио и связь, 152.
Shreyder Y.A., Sharov A.A. 1982. Sistemy i modeli. [Systems and models] M., Radio i svyaz',
152. (in Russian)
13. Bogdanov V.S., Hanin S.I., Starchenko D.N. and Sagitov I.A., 2014. Distinctive features of the relations between grinding equipment and devices inside ball mill body. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 9(11): 2344-2350.
14. Buchholtz V J, Freund A., Poschel T. 2000 Molecular dynamic of comminution in ball mills. European physical journal 16: 162-182
15. Khanin S.I., Starchenko D.N., Bogdanov V.S. and Mordovskaya O.S., 2015. Grinding Bodies Movement Features In A Ball Grinder Tapered Chamber. International Journal of Applied Engineering Research (IJAER), 10(24): 45097-45107
16. Lomakin V.V. and Lifirenko M.V., 2014. Supporting Tools for Decision-making in the Outdoor Lighting Control Systems. Research Journal of Applied Sciences, 9(12): 1185-1190.
17. Lomakin V.V., Putivtseva N.P., Zaitseva T.V., Liferenko M.V. and Zaitsev I.M., 2017. Mul-ti-critera selection of a corporate system by using paired comparison analysis. J. Fundam. Appl. Sci, 9(7S): 1472-1482.
18. Lomakin V.V., Khanin S.I., Putivtseva N.P., Pusnaya O.P. and Zaitseva T.V., 2018. Method of selecting the rational structure of the intra-mill device while designing a bal lmill. J. Fundam. Appl. Sci, 10(4S): 1188-1197.
19. Petrovsky A.B., Royzenson G.V. and Tikhonov I.P., 2011. Multiple Criteria Analysis and Expert Evaluation of Activity Efficiency of Scientific Organizations. Advances in Decision Technology and Intelligent Information Systems. Tecumseh: The International Institute for Advanced Studies in Systems Research and Cybernetics, 12: 22-26.
20. Putivtseva, N.P., Zaitseva T.V., Pusnaya O.P., Kuz'micheva T.G. and Kaljuzhnaja E.V., 2016. On the Use of Expert Evaluation Methods to Select the Electronic Document Management System. Journal of Engineering and Applied Sciences, 11(4): 733-737.
21. Schwager T., Poschel T. 2008. Coefficient of restitution for viscoelastic spheres: The effect of delayed recovery. Physical review E V. 78(5): 1304-1316
