Аннотация

Работа посвящена оптимизации пересыпного узла с целью снижения абразивного износа, возникающего при эксплуатации. В работе представлены результаты численного моделирования. Определены параметры материалов, необходимые для моделирования методом дискретных элементов (DEM). На основе построенных верифицированных моделей проведена серия оптимизационных расчетов с варьированием конфигурации рудных карманов и наклонных полок. Определены геометрические параметры, обеспечивающие увеличение расчётного межремонтного периода в несколько раз. Предложена модульная схема формирования защитных рудных подушек с быстросъёмными упорами.

Ключевые слова: численное моделирование DEM, абразивное изнашивание, ресурс футеровки, оптимизация, пересыпной узел, рудная подушка, калибровка, износ, межремонтный период.

Введение

В процессах обработки минерального сырья одну из главных статей производственных расходов составляют затраты на ремонт и замену изношенных рабочих частей основного оборудования [1-3]. Такой высокий расход материалов обогатительного оборудования объясняется интенсивным изнашиванием их об абразивные горные породы в процессе дробления [4-6].

Альтернативой натурным исследованиям могут служить получившие большое распространение методы компьютерного моделирования, которые позволяют исключить необходимость проведения натурных экспериментов [7]. Так, например, для исследований процессов измельчения активно применяется метод дискретных элементов (DEM), который рассматривает гранулированные материалы как совокупность отдельных взаимодействующих друг с другом частиц, каждая из которых управляется физическими законами [8]. Метод дискретных элементов (МДЭ) широко используется для моделирования механического поведения различных сред, состоящих из твердых частиц (дискретных элементов) [10].

 Использование данного метода позволяет прогнозировать кинематическое, динамическое и энергетическое поведение загружаемого материала, определять такие параметры как нормальная и тангенциальная составляющие сил столкновений частиц, скорость удара, расстояние скольжения при их взаимодействии и так далее [6]. Используя программные продукты, реализующие метод DEM, специалисты прогнозируют износ элементов футеровки [3,4].

Моделирование пересыпного узла

Процессы транспортировки и перегрузки крупнодисперсного минерального сырья на обогатительных фабриках сопряжены с комплексом взаимосвязанных проблем: абразивный износ рабочих поверхностей, локальные ударные нагрузки на конвейерную ленту, неконтролируемое пылеобразование и, как следствие, сокращение межремонтного цикла. Наиболее критичными с точки зрения интенсивности износа являются пересыпные узлы в головной части мельниц самоизмельчения, где происходит приём и предварительное торможение потока руды, поступающего с системы ленточных конвейеров. Практика эксплуатации показывает, что многие действующие конструкции таких узлов не в полной мере учитывают реальную механику движения сыпучей среды: зоны прямого удара не защищены рудной подушкой, углы наклона направляющих поверхностей не согласованы с трибологическими свойствами материала, а сами геометрические параметры зачастую выбираются по приближённым зависимостям или на основе предшествующего опыта.

Современные методы компьютерного инженерного анализа, в частности, метод дискретных элементов (DEM) позволяют перейти от эмпирического проектирования к верифицированному численному моделированию поведения сыпучего материала на всех этапах его движения в пересыпном узле. Однако успешное применение DEM требует выполнения двух условий: во-первых, корректной калибровки параметров контактного взаимодействия (коэффициентов восстановления, статического и динамического трения) для рассматриваемых пар материалов «руда — сталь», «руда — резино-керамика», «руда — руда»; во-вторых, проведения серии параметрических расчётов, позволяющих выделить устойчивые конструктивные закономерности, а не единичные локальные оптимумы.

Цель настоящей работы состоит в определении рациональных геометрических характеристик пересыпного узла питания мельницы самоизмельчения, обеспечивающих увеличение расчётного ресурса работы за счёт управляемого формирования рудных подушек и снижения скорости соударения частиц с элементами узла и конвейерной лентой. В статье рассматривается пересыпной узел с двумя питающими конвейерами, различные варианты его исполнения, отличающиеся расположением рудных карманов и габаритными размерами. Основное внимание уделяется следующим аспектам:

1. калибровке параметров контактного взаимодействия руды и футеровки на основе натурных экспериментов (коэффициенты статического и динамического трения, восстановления, сопротивление качению);
2. сравнительному анализу базовых и модифицированных конфигураций по критериям накопления массы материала в защитных зонах и прогнозируемой интенсивности износа;
3. оценке чувствительности срока службы к изменению форме полок, рудных карманов и приёмного окна.
4. количественные результаты представлены в относительных единицах (процентах относительно базовой конфигурации).

О проекте

В качестве объектов исследования выбраны два пересыпных узла, осуществляющих подачу рудного материала на мельницы самоизмельчения. Узлы различаются пространственной компоновкой подводящих конвейеров, однако имеют сопоставимые характеристики по диапазону крупности исходного сырья и номинальной производительности. Гранулометрический состав материала включает классы крупности от мелких фракций до предельных значений, определяемых конструкцией загрузочного устройства мельницы.

Для достоверности численного моделирования проведена серия калибровочных испытаний с использованием натурных образцов руды, а также образцов конструкционных материалов (сталь, резино-керамическая футеровка, резина конвейерной ленты). Калибровка выполнялась для каждого искомого параметра (коэффициент восстановления, статического трения, динамического трения), ставился лабораторный эксперимент, результат которого преимущественно зависит от этого параметра и в меньшей степени – от остальных. Затем лабораторный опыт воспроизводился в DEM-среде и путём итерационного подбора достигалось совпадение численного результата с натурным.

Коэффициент восстановления определялся методом сбрасывания единичного куска руды на наклонную поверхность с последующим замером дальности отскока. Коэффициент статического трения – по углу наклонной поверхности, при котором начинается соскальзывание частицы. Результаты представлены в таблице 1. Коэффициент динамического трения – по скорости соскальзывания частицы с наклонной плоскости фиксированной длины. Дополнительным верификационным тестом служило определение угла естественного откоса сыпучего материала (рисунок 1).