CC BY
102
© Ю.В. Дмитрак, А.П. Вержанский, Е.Е. Балахнина, 2002
УДК 621.926.5
Ю.В. Дмитрак, А.П. Вержанский, Е.Е. Балахнина
СОЗДАНИЕ НОВОГО ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕЛЬНИЦ ПРИ ТОНКОМ ПОМОЛЕ ГОРНЫХ ПОРОД
В
настоящее время в развитых странах на механические способы обогащения полезных ископаемых тратится 5-8 % всей производимой электроэнергии. 80 % от этой величины составляют энергозатраты на измельчение. На современных горно-обогатительных комбинатах в основном используются мельницы больших типоразмеров. Масса мелющих тел в таких машинах соизмерима, а иногда и превосходит массу остальных частей мельницы. На движение мелющих тел тратится 95 % всей подводимой к мельнице энергии. Динамика мелющих тел тесно связана с потреблением энергии мельницей. В связи с этим точное измерение и задание строго определенных величин динамических параметров мелющих тел позволяет вести процесс в оптимальном с точки зрения энергоемкости режиме.
Однако определение истинных значений динамических характеристик мелющих тел связано с большими сложностями в связи с замкнутостью объема помольной камеры и невозможностью измерения параметров с помощью проводов.
В МГГУ на кафедре Теоретической и прикладной механики в течение нескольких лет ведутся работы по созданию устройства, позволяющего определять динамические параметры мелющих тел непосредственно в помольной камере мельницы и обеспечивающего передачу информации с помощью радиосигнала к приемному устройству.
Для того чтобы замерить непосредственно ударный импульс, возникающий в момент соударения мелющих тел (шаров), нужно было решить две задачи. Первая заключалась в том, чтобы для отражения реального процесса измельчения сохранить объем и форму соударяющихся тел. В связи с этим один из шаров был превращен в измерительное устройство. Шар был выполнен полым, а внутрь него был помещен акселерометр КБ-35 германской фирмы "VebRobotronMessrElektronik". Следует отметить, что измерительная аппаратура, использованная на данной стадии эксперимента, была также произведена этой фирмой [1].
В корпусе измерительного шара было сделано отверстие для вывода провода, а сам шар был помещен в выделенный в загрузке столбик шаров. При этом для того, чтобы не произошло быстрого перетирания провода, необходимо было устранить вращение шара, для чего на его поверхности были отфрезерованы параллельные грани, а сам столбик ша-
ров был помещен в вертикальный канал с металлическими боковыми стенками. Таким образом, измерительное устройство имело возможность перемещаться только в вертикальном направлении, что естественно искажало реальный процесс, но позволило впервые измерить центральный прямой удар между шарами.
Сигнал с датчика вибраций КБ-35 через провод передавался на виброметр, который после обработки сигнала выдавал средние за время измерения значения ударных ускорений и скоростей. Сигналы, поступающие от датчика вибраций после их обработки на виброметре, записывались на самописец и анализатор спектра. Таким образом, была сделана первая попытка измерения реальной величины ударного импульса в помольной камере мельницы. Однако, в силу вышеперечисленных причин, точность эксперимента не позволяла определить истинные значения динамических параметров мелющих тел.
В связи с этим необходимо было решить новую задачу, а именно - разработать устройство для бесконтактной передачи информации (измеренного сигнала) от шарика на приемное устройство. На основе анализа существующих способов передачи информации было решено передавать сигнал по радио. Эта идея воплотилась в пьезоэлектрическом вибропреобразователе, корпусом для которого служило стандартное мелющее тело - шар, см. рис. 1. Пьезоэлектрический вибропреобразователь состоит из корпуса 1, выполненного в виде полого шара, с крышкой 2, соединенной с корпусом посредством резьбы. Внутри корпуса расположен пьезоэлемент 3, выполненный в виде кварцевой пластины, установленной на двух электродах 4 и помещенной в кожух 5. Электроды соединены с усилителем 6, выполненным в виде микросхемы, который соединен с дополнительным усилителем 7. Все приборы размещены на плате 8. На внешней поверхности корпуса выполнена кольцевая канавка 9, в кото-
Рис. 1. Пьезоэлектрический вибропреобразователь
Рис. 2. Осциллограмма сигнала кварцевого резонатора, находящегося в статическом положении
Рис. 3. Осциллограмма ускорения помольной камеры
рую уложена антенна 10, исходный конец которой проходит через отверстие 11 в корпусе 1 и соединен с дополнительным усилителем 7. Питание устройства осуществляется автономно от элементов питания 12 типа СЦ-32, размещенных в полостях крышки и корпуса. Усилитель 6 выполнен в виде микросхемы с кварцевым резонатором, а выходной усилитель 7 представляет собой последовательно соединенную цепь из резистора С2-23, транзистора 2Т312Б и конденсатора КМ-5б.
Пьезоэлектрический вибропреобразователь работает следующим образом.
Вначале подключают источник питания к усилителям 6 и 7, завинчивают крышку 2 и корпус 1 помещают в помольную камеру. При статическом положении помольной камеры, а значит и корпуса вибропреобразователя, колебания пьезоэлемента 3 происходят с собственной частотой колебаний кварцевой пластины, которые усиливаются дополнительным усилителем 7 и поступают при помощи антенны в эфир.
На торце помольной камеры закреплена приемная антенна, которая связана с селективным микровольтметром SMV-11А, в котором происходит обработка сигнала, поступающего с приемной антенны. Для регистрации сигнала микровольтметр связан с запоминающим осциллографом С8-13. При статическом положении вибропреобразователя на экране осциллографа высвечивается изображение импульса, ширина которого пропорциональна интенсивности сигнала, создаваемого собственной частотой колебаний кварцевой пластины, см. рис. 2. При неподвижном креплении вибропреобразователя к помольной камере и включении мельницы под действием внешних нагрузок корпус устройства испытывает импульсное нагружение, в результате чего происходит наложение внешней (вынужденной) частоты колебаний корпуса на собственную частоту колебаний пьезоэлемента. Это изменение частоты усиливается дополнительным усилителем 7 и через антенну 10 передается в эфир. На экране осциллографа при этом возникает сигнал, показанный на рис. 3. Ширина сигнала пропорциональна ускорению камеры. Так как устройство неподвижно закреплено по помольной камере, то зная амплитуду и частоту колебаний камеры, можно оттарировать прибор, связав ширину сигнала, зафиксированного осциллогра-
фом, с численным значением ускорения камеры. Затем, поместив пьезоэлектрический вибропреобразователь в помольную камеру, получаем на экране осциллографа сигнал, ширина которого пропорциональна интенсивности воздействия шаров на вибропреобразователь, см. рис. 4.
Рис. 4. Осциллограмма ускорения мелющего тела
Рис. 6. Зависимость амплитуды ударного импульса от времени при измельчении известняка в вибрационной мельнице. (ю=150 с-1, А = 5 мм). а) Запись процесса в целом; б) Типичная волна импульсов в увеличенном масштабе
В результате проведенных работ по исследованию и созданию пьезоэлектрического вибропреобразователя удалось значительно улучшить "чистоту" эксперимента и получить ряд выводов, которые в дальнейшем были использованы при проектировании машин для тонкого измельчения [2]. Однако пьезоэлектрический вибропреобразователь имеет два существенных недостатка. Первый из них состоит в том, что данное измерительное устройство не учитывает вращения шарика во время работы мельницы. Следовательно, не учитывается снижение интенсивности излучения радиоволн по отношению к приемной антенне и, кроме того, не может быть зафиксирован косой удар шаров или одновременный удар нескольких шаров, произведенных в трех направлениях,
т.к. эллипс чувствительности кварцевой пластины, являющейся основным элементом кварцевого генератора, построен на полуосях, отношение которых близко к 6.
Таким образом, если удар с одинаковой амплитудой ударного импульса будет произведен перпендикулярно и параллельно кварцевой пластине, то в первом случае датчик зафиксирует реальную величину, а во втором -только одну шестую реальной величины. Естественно предполагать, что число прямых ударов шаров в мельнице незначительно, а значит, только на небольшом промежутке времени пьезоэлектрический вибропреобразователь будет отражать реальную картину взаимодействия мелющих тел.
Второй недостаток этого устройства заключается в том, что кварцевая пластина не может выдерживать перегрузки большие, 50g . Если для вибрационной мельницы (для "мягких" режимов работы) кварцевый генератор выполнял свои функции, то при сильных ударах в шаровой мельнице и высоком статическом напряжении в планетарной мельнице кварцевая пластина не выдерживала.
В связи с вышеизложенными обстоятельствами было принято решение разработать и создать устройство, которое было бы лишено указанных недостатков и позволяло бы получать истинные величины ударных импульсов при исследовании процессов измельчения в измельчителях различных типов.
Такое устройство было создано на базе емкостных акселерометров, разработанных на основе передовых технологий с использованием микросварки золотосодержащих компонентов. Данные акселерометры выдерживают ударные ускорения до 1000g и позволяют измерять практически любые ударные ускорения, возникающие в помольных камерах всех существующих на сегодняшний день мельниц, использующих принцип измельчения шарами. Данное устройство мы назвали трехкомпонентным радиоакселерометром (ТРА). ТРА представляет собой мелющее тело - шар, выполненный в виде двух частей: корпуса 1 и крышки 2, см. рис. 5. Внутрь корпуса 2 жестко вмонтированы три одинаковых вибро-измерительных блока 3, расположенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждый блок состоит из
1. Дмитрак Ю.В. Исследования динамики мелющих тел для определения оптимальных режимов работы вибрационной мельницы. Интенсификация горно-рудного производства. IV Всесоюзная конференция молодых ученых: Тезисы докладов. Свердловск, 1989.
2. Дмитрак Ю.В. К вопросу об экспериментальном подтверждении теории разрушения материалов в вибрационной мельнице. В
емкостного акселерометра 4, выполненного в виде двух пластин и микросхемы 5, собранной в виде усилителя сигнала. В корпусе 1 выполнена канавка, в которую уложены три передающие антенны 6, каждая из которых соединена со своим виброизмерительным блоком 3 через канавки 7 в корпусе 1. Энергоснабжение ТРА осуществляется от трех элементов питания 8.
При завинчивании крышки 2 происходит включение питания блоков 3. Затем ТРА помещается в помольную камеру мельницы. При статическом положении помольной камеры, а значит и ТРА, расстояние между пластинами емкостных акселерометров 4 остается незначительным, при этом сигнал, проходящий через акселерометры 4 и включенные в цепь параллельно катушки индуктивности, усиливается на микросхемах 5 и передается через антенны 6 в эфир. На торце помольной камеры закреплены три приемные антенны, каждая из которых связана с селективными микровольтметрами SMV-11A, которые принимают сигнал от ТРА. Далее через АЦП сигнал передается на запоминающее устройство. На рис. 6 в качестве примера показана распечатка реальных ударных импульсов в помольной камере вибрационной мельницы [3].
Разработка данного устройства позволила определить истинные значения динамических параметров мелющих тел в помольных камерах мельниц различных типов и установить количество энергии, требуемое для измельчения материала до заданного размера.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сб. Исследования физических процессов горного производства, - М.: МГИ, 1989.
3. Дмитрак Ю.В. Обоснование параметров вибрационной мельницы для измельчения карбонатных пород с учетом динамики мелющих тел: Дис. канд. тех. наук, - М.: МГГУ, 1991.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Дмитрак Юрий Витальевич - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
Вержанский Александр Петрович — доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет. Балахнина Евгения Евгеньевна — аспирантка, Московский государственный горный университет.
