Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении
Проведено изучение фактора динамичности нагружения с экспериментальной проверкой рационального режима в процессах дробления на основе применения закономерностей физики разрушения. Установлены экспериментальные показатели энергоемкости дробления при разрушении хрупких и пластичных пород. Применение м...
Saved in:
| Published in: | Геотехнічна механіка |
|---|---|
| Date: | 2017 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2017
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158641 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении / Л.Ж. Горобец, Е.В. Федоскина, И.В. Верхоробина // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 137. — С. 93-106. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860244635800043520 |
|---|---|
| author | Горобец, Л.Ж. Федоскина, Е.В. Верхоробина, И.В. |
| author_facet | Горобец, Л.Ж. Федоскина, Е.В. Верхоробина, И.В. |
| citation_txt | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении / Л.Ж. Горобец, Е.В. Федоскина, И.В. Верхоробина // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 137. — С. 93-106. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехнічна механіка |
| description | Проведено изучение фактора динамичности нагружения с экспериментальной проверкой рационального режима в процессах дробления на основе применения закономерностей физики разрушения. Установлены экспериментальные показатели энергоемкости дробления при разрушении хрупких и пластичных пород. Применение метода запредельного деформирования позволило рассчитать параметры для оценки степени динамичности (или пластичности) разрушения геосред. На примере вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления реализовано применение виброударных высокочастотных режимов нагружения. Сопоставлены параметры и показатели процессов дробления и измельчения, различающихся динамичностью нагружения. Экспериментально подтверждено положительное влияние повышенной динамичности нагружения в режимах работы виброщековой дробилки и струйной мельницы.
Проведено вивчення чинника динамічності навантаження з експериментальною перевіркою раціонального режиму в процесах дроблення на основі застосування закономірностей фізики руйнування. Встановлені експериментальні показники енергоємності дроблення при руйнуванні крихких і пластичних порід. Застосування методу позамежної деформації дозволило розрахувати параметри для оцінки міри динамічності (чи пластичності) руйнування геосередовищ. На прикладі вібраційної щічної дробарки з похилою камерою дроблення реалізовано застосування віброударних високочастотних режимів навантаження. Зіставлені параметри і показники процесів дроблення і подрібнення, що розрізняються динамічністю навантаження. Експериментально підтверджений позитивний вплив підвищеної динамічності навантаження в режимах роботи віброщічної дробарки і струминного млина.
The study of factor of dynamic quality of loading with experimental verification of the rational mode in the processes of crushing on the basis of application regular physics of destruction is conducted. The experimental indexes of energy capacity of crushing at destruction of fragile and plastic breeds are set. Application of method of behind-limit deformation allowed to expect parameters for estimation degree of dynamic quality (or plasticity) of destruction of geomedium. On the example of vibration cheek crusher with inclined chamber of crushing application of the vybro-percussive high-frequency modes of loading is realized. Parameters and indexes of processes of crushing and growing shallow, differentiating by dynamic quality of loading, are confronted. The positive influencing of the promoted dynamic quality of loading in the modes of operations of vybro-cheek cruster and stream mill is experimentally confirmed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:35:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
93
УДК [622.02 : 539.2/.8]: 620.174.24
Горобец Л.Ж., д-р.техн.наук, профессор,
Федоскина Е.В., магистр
(ГВУЗ «НГУ»),
Верхоробина И.В., магистр
(ИГТМ НАН Украины)
ЭФФЕКТЫ ДИНАМИЧНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОГО
МАТЕРИАЛА ПРИ ДРОБЛЕНИИ
Горобець Л.Ж., д-р.техн.наук, професор,
Федоскіна О.В., магістр
(ДВНЗ «НГУ»),
Верхоробіна І.В., магістр
(ІГТМ НАН України)
ЕФЕКТИ ДИНАМІЧНОСТІ НАВАНТАЖЕННЯ ГЕТЕРОГЕННОГО
МАТЕРІАЛУ ПРИ ДРОБЛЕННІ
Gorobets L.J., D.Sc. (Tech), Professor,
Fedoskina E.V., M.S (Tech.)
(SHEI “NMU”),
Verhorobina I.V., M.S. (Tech.)
(IGTM NAS of Ukrane)
EFFECTS OF DYNAMIC QUALITY OF LADENING OF GETEROGEN
MATERIAL AT CRUSHING
Аннотация. Проведено изучение фактора динамичности нагружения с эксперименталь-
ной проверкой рационального режима в процессах дробления на основе применения законо-
мерностей физики разрушения. Установлены экспериментальные показатели энергоемкости
дробления при разрушении хрупких и пластичных пород. Применение метода запредельного
деформирования позволило рассчитать параметры для оценки степени динамичности (или
пластичности) разрушения геосред. На примере вибрационной щековой дробилки с наклон-
ной камерой дробления реализовано применение виброударных высокочастотных режимов
нагружения. Сопоставлены параметры и показатели процессов дробления и измельчения,
различающихся динамичностью нагружения. Экспериментально подтверждено положитель-
ное влияние повышенной динамичности нагружения в режимах работы виброщековой дро-
билки и струйной мельницы.
Ключевые слова: геологическая среда, динамичность нагружения, плотность энергии,
разрушение, виброщековая дробилка.
Введение. Обработка полезных ископаемых в дробилках и мельницах со-
провождается значительными затратами энергии. В этой связи весьма важен
поиск рациональных способов обработки гетерогенных сред, обеспечивающих
выполнение технологических циклов дробления или измельчения с минималь-
ными уровнями энергоемкости процесса и степени переизмельчения продукта.
© Л.Ж. Горобец, Е.В. Федоскина, И.В. Верхоробина, 2017
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
94
Проблема повышения эффективности дробления-измельчения требует
изучения этих процессов на теоретическом уровне, в частности,
закономерностей накопления энергии к моменту разрушения.
При этом выбор параметров нагружения геоматериалов требует теоретичес-
кого обоснования, поскольку скорость динамической деформации, плотность
энергии при разрушении и длительность нагружения должны изменяться в за-
висимости от задаваемой крупности или распределений по размерам частиц
дробленого (измельченного) продукта.
Варьируя режим нагружения, важно предусмотреть эффективное
использование энергии разрушения, накопленной материалом на стадии
нагружения.
Анализ состояния исследований в области теории и практики дробления (из-
мельчения) [1, 2] позволяет считать, что концентрация напряжений в процессе
нагружения материала является фактором роста эффектов динамичности разру-
шения. В режимах с повышенной концентрацией напряжений возрастает сред-
няя плотность энергии, накопленной образцом, усиливаются эффекты дробле-
ния (измельчения), уменьшаются удельные затраты энергии на образование
мелких фракций.
Анализ последних исследований и публикаций. В основе процессов дроб-
ления (измельчения) лежат элементарные акты разрушения – необратимые раз-
рывы межатомных связей, при условии достижения критического состояния ве-
щества в локальных зонах, где имеет место сильное отклонение от термодина-
мического равновесия. В этих зонах возникают автовозбуждения активности
вещества квантово-механической природы, а разделение деформируемого тела
на изолированные фрагменты (отдельности) происходит на стадии авторезо-
нанса – стадии свободного разрушения, когда формирование разрывов сплош-
ности и отдельностей происходит за счет работы диссипативных сил (без под-
вода энергии извне). Инициаторы актов образования новой поверхности – теп-
ловые и автоакустические флуктуации. Согласно автоколебательной модели
разрушения твердое тело с дефектами (точечными, линейными, поверхностны-
ми и объемными) разрушается волнами напряжений, порождаемых разрывны-
ми (релаксационными) автоколебаниями частиц твердого тела [3]. Образование
новой поверхности происходит путем перекачки энергии кристаллической ре-
шетки в акустическую энергию в процессе разрывных автоколебаний конденси-
рованного вещества [1].
Упругая энергия, накопленная в деформированном теле, переходит не толь-
ко в потенциальную энергию атомов вновь образующихся свободных поверх-
ностей. Основным вкладом в эффективную поверхностную энергию s является
энергия автоколебательного движения кристаллической решетки, которая в ко-
нце концов трансформируется в тепло, либо в кинетическую энергию разлетаю-
щихся осколков.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
95
При формализованном подходе к оценке энергозатрат на дробление (измель-
чение) критическую плотность энергии при разрушении WV (Дж/м
3
) можно пре-
дставить двумя составляющими:
WV = Ws + WД = s Sуд+ WД , (1)
где WV = о о /2; о , о - напряжение о и деформация о на пределе прочности;
WД - удельная работа упругих и пластических деформаций; Ws= s Sуд – компо-
нента критической плотности энергии, определяемая приростом Sуд (м
2
/м
3
)
удельной поверхности продукта; Sуд= S/V=(S-Sо)/V; S – прирост общей пло-
щади поверхности продукта, Sо и S - площадь начальной поверхности и после
разрушения образца.
Компонента WД V представляет собой затраты энергии на отделение блоков
(или структурных неоднородностей) от массива (или образца), которые пропор-
циональны удельной работе WД и объему V разрушаемого куска, что характери-
зует энергетические условия образования крупных фрагментов, то есть режим
дробления.
Вторая компонента s Sуд представляет собой удельные затраты энергии на
создание новой (ювенильной) поверхности S образованных блоков, отдельно-
стей (частиц), характеризующие энергетический режим диспергирования мате-
риала.
Общие энергозатраты (Дж) на разрушение образца объемом V оценивают
соотношением:
А = WV V = s S + WД V (2)
В согласии с установленной закономерностью 1 роста критической плотно-
сти WV энергии с уменьшением размера разрушаемого образца компонента
( s S) сравнительно с (WД V) в уравнении (2) составляет на порядок более весо-
мый вклад в энергозатраты на дробление (измельчение).
В этой связи в практике дробления (измельчения) целесообразно соблюдать
принципы рациональной организации разрушения, предложенные Л.Ф. Билен-
ко 4 . С позиции достижения зкономичности и селективности процесса дробле-
ния режимы разрушения должны включать локальное комбинированное нагру-
жение сжатием высокоскоростными импульсами с элементами сдвига, изгиба,
кручения. При нагружении должно изменяться соотношение нагрузок (сжатие,
сдвиг и др.) и достигаться подвижность кусков (переориентация, удаление час-
тиц готового продукта) между циклами нагружения.
Согласно теории при динамичном нагружении с высокой частотой N нагру-
жающих импульсов и высокой скоростью =v/d динамической деформации (v -
скорость удара) в процессе дробления энергия нагружаемых кусков (частиц)
изменяется скачками, что позволяет при условии соизмеримости времени нака-
чки энергией со временем разрушения куска ускорить проявление авторезонан-
сного механизма и усилить эффекты разрушения. Факторами, определяющими
эффекты динамичности разрушения геоматериала, являются, с одной стороны,
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
96
природные свойства вещества (поверхностная энергия, прочность), а с другой –
режимные параметры (скорость = v / d деформации и длительность Т нагру-
жения).
На рис. 1 отражено влияние динамичности разрушения свободным ударом
железной руды крупностью 10-14 мм в диапазоне изменения скорости удара v
= 50-600 м/с 5 .
Исходная крупность частиц d (мм): - 14 мм; х - 12 мм; - 10 мм
Рисунок 1 - Влияние скорости удара v на количество V/V мелких фракций
(менее 74 мкм) при разрушении частиц железной руды.
Многолетними исследованиями, проведенными специалистами Националь-
ного горного университета Украины [6-8], установлено, что виброщековая дро-
билка (ВЩД) отличается от традиционных вариантов (конусная, щековая, вал-
ковая) улучшенными технологическими и уменьшенными удельными энергети-
ческими показателями. Повышение эффективности разрушения реализуется за
счет приложения ударного воздействия на материал. Согласно опытным дан-
ным дробления ферросилиция и феррохрома исходной крупностью 50 мм уде-
льный расход электроэнергии составил 13,5 - 32 кВт-ч/т при производительнос-
ти соответственно 0,6-0,24 т/ч по готовому продукту (менее 0,2 мм).
Основной принцип, реализованный в современных моделях виброщековых
дробилок, включает дробление материалов путем высокочастотного виброудар-
ного нагружения кусков между щеками, причем, частота воздействий на куски
за время прохождения камеры дробления может регулироваться в рациональ-
ных пределах (0,8-1,5)10
3
мин
-1
.
Для дробления особо прочных материалов с получением мелкозернистого
продукта (доли мм) рекомендуется применение однокамерного варианта конст-
рукции виброщековой дробилки с наклонной камерой дробления. Например, ус-
пешно проведены испытания дробления (измельчения) материалов с широким
диапазоном крепости (мел, каолин, уголь, руда, ферросплавы, твердый сплав и
др.), а также переработка материалов, требующих особых технологических ре-
жимов (кабель, металлопластиковые трубы, шины и т.п.).
Положительной особенностью такой дробилки, показанной на рисунке 2, яв-
ляется возможность управления движением материала и его силовым нагруже-
нием. В общем виде дробилка включает пассивную (нижнюю) дробящую щеку
v, м/с
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
97
1, установленную на упругих элементах 5 и одновременно выполняющую фун-
кцию корпуса. Активная щека 3 установлена в стойках пассивной щеки посред-
ством оси 2, относительно которой может совершать поворотные колебания. В
заданном нейтральном положении активная щека удерживается упругими эле-
ментами 6. Колебания щѐк генерируются двухвальным инерционным вибровоз-
будителем 2. Рабочие поверхности щѐк футерованы износостойкими плитами 7.
а
Рисунок 2 - Конструктивная схема виброщековой дробилки с наклонной камерой
дробления и одной подвижной щекой
Загружаемый в дробилку материал, при перемещении к разгрузочной щели
камеры дробления, подвергается силовому воздействию со стороны рабочей
поверхности активной щеки, что приводит к его разрушению. Дробленый про-
дукт проходит параллельную зону, разгрузочную щель и попадает в приемный
бункер.
Перемещение материала к разгрузочной щели осуществляется за счет на-
клона рабочей поверхности пассивной щеки и еѐ колебаний под действием воз-
мущающей силы вибровозбудителя, расположенного на активной щеке. Таким
образом, движение материала в щековой дробилке с наклонной камерой можно
рассматривать как процесс вибрационного перемещения материала, подвержен-
ного периодическим ударам. Перемещение может происходить между сужаю-
щимися или параллельными плоскостями. Нижняя плоскость (пассивная щека)
обеспечивает транспортирование материала. Верхняя плоскость (активная ще-
ка) обеспечивает нанесение периодических ударов.
Изучение кинетики взаимодействия куска с активной щекой проводилось с
применением скоростной кинокамеры. В начальном положении кусок материа-
ла в зоне дробления занимает устойчивое положение на пассивной щеке, так как
находится в зажатом положении: зазор между поверхностями щѐк и куском от-
сутствует.
На рис. 3 показано состояние кусков материала в зоне дробления. Кусок,
зажатый между щеками, имеет нулевую скорость до появления зазо-ра с
рабочей поверхностью активной щеки. Такой зазор образуется в результате
разрушения куска или от движения активной щеки в направлении холостого
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
98
хода. При появлении зазора кусок будет перемещаться к разгрузочному окну до
следующего силового воздействия между щеками.
Рисунок 3 - Состояние кусков материала в зоне дробления
Эти особенности конструктивной схемы вибрационной щековой дробилки с
наклонной камерой дробления создают возможность варьировать параметрами
нагружения материала в широких пределах, а также управлять процессом дроб-
ления за счѐт применения динамических режимов силового нагружения и регу-
лирования скорости движения материала [9]. Установлено, что критерием эф-
фективной работы служит коэффициент = Р/ , характеризующий динамичес-
кие свойства дробилки как отношение собственных Р и вынужденных коле-
баний активной щеки: = 0,4-0,7.
Выделение не решенных ранее частей общей проблемы, которым по-
священа статья.
Согласно кинетической концепции прочности разрушение нагруженных
геоматериалов является многостадийным процессом зарождения и роста тре-
щин от момента приложения нагрузки до макроразрушения. Процесс разруше-
ния на разных масштабных уровнях развивается в нагружаемом твердом теле в
активных локальных зонах по достижении в них критического состояния веще-
ства. Динамические эффекты разрушения формируются в зависимости от уров-
ня энергетического воздействия, в частности, от скорости и частоты нагружаю-
щих импульсов изменяется критическая плотность WV энергии при разрушении
образца.
Для изучения факторов, влияющих на эффекты динамичности нагружения
геосред, проведем теоретический анализ закономерностей их разрушения с
применением метода запредельного деформированияна на установке неравно-
компонентного трехосного сжатия (УНТС) [10, 11]. Пример полной диаграммы
- деформирования угля показан на рис. 4, где отмечены ведущие характе-
ристики диаграммы: предел прочности 0 , остаточная прочность *, а также
деформации о и * перехода к разупрочнению и далее – к состоянию остаточ-
ной прочности.
Запредельная стадия диаграммы начинается с релаксации напряжений после
достижения максимальной прочности ( о), затем наблюдается область
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
99
(вертикальный участок графика) интенсивного разрушения ( о -_ i*) - стадия
быстрой разгрузки напряжений (с максимальным модулем спада графика),
сопровождающаяся увеличением деформации, разрыхлением структуры с
образованием тонкодисперсных частиц (стадия диспергирования). Эффекты
объемного нагружения ( 1 – параллельно напластованию) образца угля и
разрушения его на пределе прочности = 50МПа (коэффициент концентрации
напряжений К = 2) иллюстрируются на рис. 5. Видно, что разрушение
угольного образца произошло в результате сдвиговой пластической
деформации.
Рисунок 4 - Диаграмма деформирования угля трехосным
неравнокомпонентным сжатием
Рисунок 5 - Образец угля в результате нагружения трехосным
неравнокомпонентным сжатием
Наклонные трещины в образце угля, ориентированные под углом 30-40
о
к
2, свидетельствуют о действии касательных напряжений в условиях
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
100
обобщенного сдвига, а наличие трещин вдоль оси сжатия 1 подтверждает
действие нормальных напряжений.
Информация о запредельном поведении геоматериалов дает возможность
для оценки общего удельного расхода энергии Г (Дж/м
2
) на дробление (измель-
чение) по соотношению, включающему все статьи затрат энергии: полезную ра-
боту WiVi диспергирования с компонентой WoVo действия упругих напряжений
и работой WплVпл пластического деформирования:
Г =
V/S
WWW
S
VWVWVW плплiiooплплiioo . (3)
Здесь Vo, Vi, Vпл - обьемы зон действия соответственно упругих, разрушаю-
щих (диспергирующих) и перемещающих (сдвиговых) напряжений; Vo = oV;
Vпл = плV, Vi = iV; пл, пл - изменение напряжений и деформаций на стадии
пластической разгрузки; пл = i* - *; пл = * - i*, Wпл = пл пл /2; Wo = o o/2;
Wi = i i /2.
При одноосном сжатии из-за отсутствия сведений о запредельном состоянии
производим оценку удельного расхода энергии на дробление (измельчение) по
формуле:
Г =
V/S
W
S
VW oooo . (4)
В таблицу 1 сведены показатели, характеризующие эффекты
деформирования и разрушения, дробления и диспергирования при различных
режимах на-гружения модельных образцов угля: ООС – одноосное сжатие,
ТОС - трехосное неравнокомпонентное сжатие с изменением величины К
концентратора напря-жений (соотношение максимального и минимального
напряжений К = 2; 5). Объем разрушаемых образцов составлял 175 см
3
.
Таблица 1 - Влияние условий нагружения на показатели разрушения угля сжатием
№
Вид
нагружения
о,
Па
М
о,
%
Wo,
МДж/м
3
W V,
МДж/м
3
(%)
фракции (мкм)
менее
S/V,
м
2
/м
3
Г,
Дж/м
2
200 500
1 ООС 11 3,6 0,2 - 2,7 5,5 1970 102,0
2 ТНС, К = 2 50 2,4 0,6 25,0 0,9 1,7 342 137,0
3 ТНС, К = 2 40 1,7 0,34 13,0 1,9 2,3 427 39,5
4 ТНС, К = 5 104 7,7 4,0 210,0 8,2 10,2 7690 45,0
5 ТНС, К = 5 63 3,4 1,1 46,5 4,8 11,3 955 90,0
Как следует из опытных данных, режимы с повышенной концентрацией на-
пряжений (К = 5) обеспечивают рост уровня средней плотности Wo в разрушае-
мом материале, деформации 0 и свежеобразованной поверхности S/V, при
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
101
этом уменьшаются энергозатраты Г (Дж/м
2
). Таким образом, с позиций дроби-
мости и (измельчаемости) энергетически выгоден режим неравнокомпонентно-
го объемного нагружения: по сравнению с одноосным сжатием можно
увеличить в 2-3 раза количество мелких фракций (-200; -500 мкм), а прирост
поверхности S/V - в 3,5-4 раза.
Цель работы состоит в установлении параметров для оценки динамичности
нагружения, их связи с эффектами и энергоемкостью дробления. При этом
практически важно обосновать рациональные способы и уровни
энергетических параметров нагружения с учетом особенностей механизма
хрупкого или пластичного разрушения геоматериалов.
Основной материал исследования. Динамическую стадию разрушения
(саморазрушение, свободное разрушение) с эффектами дробления и дисперги-
рования характеризует запредельная часть диаграммы ( ), а именно, степень
динамичности пропорциональна модулю спада запредельного участка (от о, о
до i*, i*) разгрузки напряжений. Чем круче модуль спада запредельного уча-
стка разгрузки напряжений (от о, о до i*, i*), тем ближе механизм разруше-
ния к хрупкому (удароопасносному, выбросоопасному) варианту. На рис. 6
приведены диаграммы ( ) в режиме трехосного неравнокомпонентного сжатия
песчаника выбросоопасного (ВО) (1) и невыбросоопасного (НВО) (2).
Рисунок 6 - Диаграммы ( ) в режиме трехосного неравнокомпонентного сжатия
песчаника выбросоопасного (ВО) (1) и невыбросоопасного (НВО) (2)
Как видно, у квазипластичных материалов (песчаник НВО) за стадией само-
разрушения (вертикальным участком графика) следует отчетливо выраженная
стадия пластического деформирования (с малым модулем спада) обусловлен-
ная сдвигом, трансляцией и ротацией обломков и отдельностей, которая за-
вершается состоянием остаточной прочности ( *, *). Для природных сред с
хрупким механизмом разрушения (песчаник ВО) запредельный участок плас-
тического деформирования на диаграмме ( ) может практически отсутство-
вать (см. график 1 рис. 2).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
102
Существенные отличия геосред в запредельных параметрах нагружения дают
основание для оценки их склонности к динамичному или пластичному механизму
разрушения с променением следующих характеристик плотности энергии. Энергетика
разрушения характеризуется средней WV и локальной W V плотностью энергии, в
частности, величина WV = o o /2 - это энергия, придан-ная телу в процессе
нагружения и приходящаяся на единицу его объема, а W V = WV / Д - локальная
плотность энергии на единицу объема очага разрушения ( Д – относительная
деформация трещинообразования – диспергирования.
Склонность породы к динамичному (хрупкому) или длительному (пластичному)
разрушению можно оценить коэффициентами диспергируемости КД и пластичности
Кпл согласно соотношениям компонент плотности энергии на стадиях допредельного
(Wo) и запредельного (Wi , Wпл) деформирования [1] :
КД =
o
io
W
WW
; Кпл =
o
плo
W
WW
, (5)
где Wo , Wi , Wпл - компоненты плотности энергии соответственно в зонах действия
упругих напряжений Wo, диспергирования Wi и пластического деформирования Wпл
( Wo = o o/2; Wi = i i /2; Wпл = пл пл /2).
Эксперименты показали, что порода с динамичным (хрупким) механизмом
разрушения релаксирует накопленную энергию преимущественно в результате
перепада напряжений i = o - i* на стадии диспергирования, тогда как порода с
преобладающим пластичным разрушением (песчаник невыбросоопасный - НВО) – за
счет преимущественного роста деформации пл = * - i* на стадии дробления,
предшествующей состоянию остаточной прочности ( *).
Как установлено, по хрупкому механизму разрушается выбросоопасный песчаник
(ВО), (Кпл=1,0; КД =1,32), тогда как тальку и песчанику невыбросоопасному (НВО)
присуща более высокая пластичность разрушения (Кпл = 1,27 для талька, Кпл = 1,49 для
песчаника НВО). Согласно испытаниям деформация образца НВО песчаника на
стадии разгрузки напряжений превышает более, чем в 3 раза аналогичную величину
для ВО песчаника [1].
В таблице 2 приведены показатели процессов дробления и измельчения,
различающихся динамичностью нагружения материалов в виброщековой дробилке и
шаровой барабанной мельнице (НГУ), щековой дробилке и конусной инерционной
(НПО «Механобр»), противоточной воздухоструйной мельнице (ВГМК).
Полученные экспериментальные данные дробления кусков ферроматериалов в
виброщековой дробилке и воздухоструйного измельчения в условиях НГУ и
Вольногорского горно-металлургического комбината (редкометальные концентраты)
показали положительное влияние фактора повышенной динамичности нагружения как
в режиме дробления – вибрационным сжатием крупных отдельностей, так и в режиме
измельчения – свободными высокоскоростными соударениями частиц, ускоренных
струями до сотен метров в секунду. Для обоих видов технологий на один-два порядка
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
103
повышается условная технологическая эффективность E = G i процесса, оцениваемая
произведением степени i измельчения на производительность G по готовому продукту.
Таблица 2 – Параметры и показатели процессов дробления и измельчения, различающихся
динамичностью нагружения
Параметры
Измельчение Дробление
воздухоструйное шаровое
виброщековая
дробилка
ВЩД-220
щековая
дробилка
ДЩ60х100
Конусная
инерционная
дробилка
КИД-100
Режим нагружения
свободные
удары частиц
(100-300 м/с)
стесненные
удары
шаров
(до 10 м/с)
вибрационное
сжатие
одноосное
сжатие
сжатие
Вид материала
цирконовый
концентрат
феррохром
ферросилиций,
феррохром
геосреды геосреды
Крупность, D, мм 0,16 50 50 50 10
d, мм 0,02 0,2 0,2 1,0 0,3
Производительность
G, т/ч
1,4-1,1 0,06 0,24-0,6 0,03 0,03
Степень i измельче-
ния
80 66,5 66,5 50 33,3
Удельный расход
электроэнергии W,
кВт ч/т
201,3-250,4 55 32-13,5 36,7 50
W , МДж/м
3
( = 3
т/м
3
)
2174-2704 594 345,6-145,8 396 540
Эффективность про-
цесса E = G i
112-91 4 40-16 1,5 1
Следует отметить более рациональную организацию динамики и кинетики
разрушения в виброщековой дробилке (с учетом принципа Л.Ф. Биленко), что
позволило в 1,5-3 раза уменьшить величину W удельных энергозатрат в
технологии мелкого дробления по сравнению со стандартными способами
дробления в щековой и конусной инерционной дробилками.
Выводы.
1. В технологиях дробления - измельчения концентрация напряжений в на-
гружаемой геосреде служит фактором уменьшения удельных энергозатрат. Рас-
чет параметров КД и Кпл с применением метода запредельного деформирования
позволяет экспериментально оценить степень динамичности (или пластичнос-
ти) разрушения геосред.
2. Динамичность разрушения геоматериалов усиливается в режимах нагру-
жения с повышенной частотой и скоростью динамической деформации, при
этом в технологии дробления (измельчения) квазихрупких материалов энергети-
чески выгодны режимы объемного нагружения, для квазипластичных – одноос-
ного нагружения.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
104
3. Проведенные теоретический анализ и экспериментальные исследования
подтверждают целесообразность использования вибрационной щековой дробил-
ки с наклонной камерой дробления в качестве самостоятельного измельчитель-
ного агрегата (крупность продукта – доли мм). При этом эффективность рабо-
чего процесса, реализующего виброударные высокочастотные ( 10
3
мин
-1
) ре-
жимы нагружения, превышает на порядок аналогичные показатели для менее
энергонапряженных дробилок и мельниц (щековая, конусная инерционная, ша-
ровая барабанная).
____________________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горобец, Л.Ж. Развитие научных основ измельчения твердых полезных ископаемых: автореф.
дис... д-ра техн. наук / Л.Ж. Горобец. – Днепропетровск: НГУ, 2004. - 35 с.
2. Бовенко, В.Н. Синергетические эффекты и закономерности релаксационных колебаний в
состоянии предразрушения твердого тела: автореф. дис... д-ра физ.-мат. наук / В.Н. Бовенко. -
М.:1990.-30 с.
3. Горобец, Л.Ж. Определение зависимости плотности энергии от размера разрушения
Л.Ж. Горобец, В.Н. Бовенко // ФТПРПИ. -1986. - № 5. – С. 109-111.
4. Биленко, Л.Ф. Особенности приготовления известняково-нефелиновой шихты глиноземного
производства – С-Пб: 1993. – 189 с.
5. Горобец, Л.Ж. Об эффективности высокодинамичной обработки материалов при тонком
измельчении / Л.Ж. Горобец, И.А. Шуляк, И.В. Верхоробина // Вибрации в технике и технологиях /
НГУ – Днепропетровск, 2004. - № 1 (33). – С. 36-39.
6. Федоскина, Е.В. Об оценке производительности вибрационной щековой дробилки / Е.В.
Федоскина // Обогащение полезных ископаемых: Научн.-техн. сб. – Днепропетровск, 2004. – Вып. 20
(61). - С.34-38.
7. Пат. № 32607 Україна, МПК В02С 1/00. Вібраційна щокова дробарка / В.П. Франчук, О.В.
Федоскіна; заявник та патентовласник НГУ. - № а200714974 ; заявл. 28.12.07; опубл. 26.05.08, Бюл.
№ 10.
8. Пат. № 89439 Україна, МПК В02С 1/00. Вібраційна щокова дробарка / В.П. Франчук, О.В.
Федоскіна; заявник та патентообладатель НГУ. - № а200805565 ; заявл. 29.04.08; опубл. 25.01.10,
Бюл. № 2.
9. Плахотник, В.В. Динамика дробилки в режиме виброударного дробления / В.В. Плахотник,
Е.В. Федоскина // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. трудов / ИГТМ им. Н.С. Полякова
НАН Украины. – Днепропетровск, 2008. – Вып. 85. - С. 88 - 93.
10. Верхоробина, И.В. Новый метод исследования процесса измельчения / И.В. Верхоробина,
Л.Ж. Горобец // Теорія і практика процесів подрібнення, розділення, змішування і ущільнення: Зб.
наук. праць / ОНМА. – Одеса, 2003. - Вип. 10. - С. 29-33.
11. Горобец, Л.Ж. Принципы и показатели функционирования геосреды при нагружении / Л.Ж.
Горобец, И.В. Верхоробина // Геотехническая механика: межвед. сб. научн. трудов / ИГТМ им. Н.С.
Полякова НАН Украины. – Днепропетровск, 2016. – Вып. 129. - С.122-135.
REFERENCES
1. Gorobets, L.Zh. (2004), «Development of scientific foundation for the solid minerals grinding»,
Abstract of Ph.D. dissertation, Mineral dressing, National Mining University, Dnepropetrovsk, Ukrane.
2. Bovenko, V.N. (1990), «The synergetics effects and conformities to law of relaxation vibrations in a
state of pre-destruction of solid», Abstract of Ph.D. dissertation, Phis.- Math., Institute MIEM, Moskow, SU.
3 Gorobets, L.Zh. and Bovenko, V.N. (1986), “Determination of energy closeness dependence from the
size of destruction”, FTPRPI, no 5, pp. 109-111.
4. Bilenko, L.F. (1993), Osobennosti prigotovleniya izvestnyakovo-nefelinovoy shikhty glinozemnogo
proizvodstva [Features of preparation aluminous production limestone-nephelite charge], S-Pb, RU.
5. Gorobets, L.Zh., Shulyak, I.A. and Verhorobina, I.V. (2004), “About efficiency of high-dynamic
treatment of materials at micronizing”, Vibration in a technique and technologies, no 1 (33), pp. 36-39.
6. Fedoskina, Ye.V. (2004), “About the estimation of the productivity of oscillation cheek crusher”,
Enriching of minerals, no. 20 (61), pp. 34-38.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
105
7. Franchuk, V.P. and Fedoskina, O.V., Zayavnyk ta patentovlasnyk NGU (2008), Vibratsiyna
shchokova drobarka [Oscillation cheek crusher], Dnipropetrovsk, UA, Pat. 32607.
8. Franchuk, V.P. and Fedoskina, O.V., Zayavnyk ta patentovlasnyk NGU (2010), Vibratsiyna
shchokova drobarka [Oscillation cheek crusher], Dnipropetrjvsk, UA, Pat. 89439.
9. Plahotnik, V.V. and Fedoskina E.V. (2008), “Dynamics of crusher in the mode of the vibroshock
crushing”, Geo-Technical Mechanics, no. 85, pp. 88 - 93.
10. Verhorobina, I.V and Gorobets, L.Zh. (2003), “New method of grinding process research”, Theory
and practice of processes of grinding, National Marine Academy, Odessa, UA, no 10, pp. 29-33.
11. Gorobets, L.Zh. and Verhorobina, I.V. (2016) “Principles and indexes of functioning of geological
environment at a ladening”, Geo-Technical Mechanics, no. 129, pp.122-135.
___________________________________
Об авторах
Горобец Лариса Жановна, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры обогащения
полезных ископаемых, Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный
университет» (ГВУЗ НГУ), Днепр, Украина, larisa-gorobets-@rambler.ru
Федоскина Елена Валерьевна, магистр, асистент кафедры основ конструирования машин и ме-
ханизмов, Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет» (ГВУЗ
НГУ), Днепр, Украина, fedoskina.ev@gmil.com
Верхоробина Инна Владимировна, магистр, ведущий инженер в отделе геодинамических систем
и вибрационных технологий, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной
академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепр, Украина, inna_kuchuk@ukr.net
About the authors
Gorobets Larisa Zhanovna, Doctor of Technical Sciences (D.Sc), Professor, Professor of Minerals
Enriching Department, State Higher Educational Institution «National Mining University» (SHEI “NMU”),
Dnepr, Ukraine, larisa-gorobets@rambler.ru.
Fedoskina Elena Valeryevna, Master of Sciences, Assistant in the Department of the Fundamentals of
Designing Machines and Mechanisms, State Higher Educational Institution «National Mining University»
(SHEI “NMU”), Dnepr, Ukraine, fedoskina.ev@gmil.com
Verkhorobina Inna Vladimirovna, Master of Sciences, Principal Engineer in the Department of
Geodynamic Systems and Vibration Technologies, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under
the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM NASU), Dnepr, Ukraine, inna_kuchuk@ukr.net.
________________________________
Анотація. Проведено вивчення чинника динамічності навантаження з
експериментальною перевіркою раціонального режиму в процесах дроблення на основі
застосування закономірностей фізики руйнування. Встановлені експериментальні показники
енергоємності дроблення при руйнуванні крихких і пластичних порід. Застосування методу
позамежної деформації дозволило розрахувати параметри для оцінки міри динамічності (чи
пластичності) руйнування геосередовищ. На прикладі вібраційної щічної дробарки з
похилою камерою дроблення реалізовано застосування віброударних високочастотних
режимів навантаження. Зіставлені параметри і показники процесів дроблення і подрібнення,
що розрізняються динамічністю навантаження. Експериментально підтверджений
позитивний вплив підвищеної динамічності навантаження в режимах роботи віброщічної
дробарки і струминного млина.
Ключові слова: геологічне середовище, динамічність навантаження, щільність енергії,
руйнування, віброщічна дробарка.
Annotation. The study of factor of dynamic quality of loading with experimental verification
of the rational mode in the processes of crushing on the basis of application regular physics of
destruction is conducted. The experimental indexes of energy capacity of crushing at destruction of
fragile and plastic breeds are set. Application of method of behind-limit deformation allowed to
expect parameters for estimation degree of dynamic quality (or plasticity) of destruction of
geomedium. On the example of vibration cheek crusher with inclined chamber of crushing
application of the vybro-percussive high-frequency modes of loading is realized. Parameters and
mailto:fedoskina.ev@gmil.com
mailto:inna_kuchuk@ukr.net
mailto:larisa-gorobets@rambler.ru
mailto:fedoskina.ev@gmil.com
mailto:inna_kuchuk@ukr.net
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 137
106
indexes of processes of crushing and growing shallow, differentiating by dynamic quality of
loading, are confronted. The positive influencing of the promoted dynamic quality of loading in the
modes of operations of vybro-cheek cruster and stream mill is experimentally confirmed.
Keywords: geological environment, dynamic quality of loading, closeness of energy,
destruction, vybro-cheek crusher.
Статья поступила в редакцию 25.11.2017
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук В.П. Надутым
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158641 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:35:13Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Горобец, Л.Ж. Федоскина, Е.В. Верхоробина, И.В. 2019-09-08T12:39:58Z 2019-09-08T12:39:58Z 2017 Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении / Л.Ж. Горобец, Е.В. Федоскина, И.В. Верхоробина // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 137. — С. 93-106. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158641 [622.02 : 539.2/.8]: 620.174.24 Проведено изучение фактора динамичности нагружения с экспериментальной проверкой рационального режима в процессах дробления на основе применения закономерностей физики разрушения. Установлены экспериментальные показатели энергоемкости дробления при разрушении хрупких и пластичных пород. Применение метода запредельного деформирования позволило рассчитать параметры для оценки степени динамичности (или пластичности) разрушения геосред. На примере вибрационной щековой дробилки с наклонной камерой дробления реализовано применение виброударных высокочастотных режимов нагружения. Сопоставлены параметры и показатели процессов дробления и измельчения, различающихся динамичностью нагружения. Экспериментально подтверждено положительное влияние повышенной динамичности нагружения в режимах работы виброщековой дробилки и струйной мельницы. Проведено вивчення чинника динамічності навантаження з експериментальною перевіркою раціонального режиму в процесах дроблення на основі застосування закономірностей фізики руйнування. Встановлені експериментальні показники енергоємності дроблення при руйнуванні крихких і пластичних порід. Застосування методу позамежної деформації дозволило розрахувати параметри для оцінки міри динамічності (чи пластичності) руйнування геосередовищ. На прикладі вібраційної щічної дробарки з похилою камерою дроблення реалізовано застосування віброударних високочастотних режимів навантаження. Зіставлені параметри і показники процесів дроблення і подрібнення, що розрізняються динамічністю навантаження. Експериментально підтверджений позитивний вплив підвищеної динамічності навантаження в режимах роботи віброщічної дробарки і струминного млина. The study of factor of dynamic quality of loading with experimental verification of the rational mode in the processes of crushing on the basis of application regular physics of destruction is conducted. The experimental indexes of energy capacity of crushing at destruction of fragile and plastic breeds are set. Application of method of behind-limit deformation allowed to expect parameters for estimation degree of dynamic quality (or plasticity) of destruction of geomedium. On the example of vibration cheek crusher with inclined chamber of crushing application of the vybro-percussive high-frequency modes of loading is realized. Parameters and indexes of processes of crushing and growing shallow, differentiating by dynamic quality of loading, are confronted. The positive influencing of the promoted dynamic quality of loading in the modes of operations of vybro-cheek cruster and stream mill is experimentally confirmed. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехнічна механіка Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении Ефекти динамічності навантаження гетерогенного матеріалу при дробленні Effects of dynamic quality of ladening of geterogen material at crushing Article published earlier |
| spellingShingle | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении Горобец, Л.Ж. Федоскина, Е.В. Верхоробина, И.В. |
| title | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении |
| title_alt | Ефекти динамічності навантаження гетерогенного матеріалу при дробленні Effects of dynamic quality of ladening of geterogen material at crushing |
| title_full | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении |
| title_fullStr | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении |
| title_full_unstemmed | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении |
| title_short | Эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении |
| title_sort | эффекты динамичности нагружения гетерогенного материала при дроблении |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158641 |
| work_keys_str_mv | AT gorobeclž éffektydinamičnostinagruženiâgeterogennogomaterialapridroblenii AT fedoskinaev éffektydinamičnostinagruženiâgeterogennogomaterialapridroblenii AT verhorobinaiv éffektydinamičnostinagruženiâgeterogennogomaterialapridroblenii AT gorobeclž efektidinamíčnostínavantažennâgeterogennogomateríalupridroblenní AT fedoskinaev efektidinamíčnostínavantažennâgeterogennogomateríalupridroblenní AT verhorobinaiv efektidinamíčnostínavantažennâgeterogennogomateríalupridroblenní AT gorobeclž effectsofdynamicqualityofladeningofgeterogenmaterialatcrushing AT fedoskinaev effectsofdynamicqualityofladeningofgeterogenmaterialatcrushing AT verhorobinaiv effectsofdynamicqualityofladeningofgeterogenmaterialatcrushing |