[1]Изобретение относится к способам механических испытаний, в частности к способу испытания мелющих шаров.
[2]Известен способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость, включающий комплексное испытание двух испытуемых шаров, многократно соударяющихся между собой на протяжении всего времени испытания [патент RU № 2759709, МПК G01M7/08, G01N3/34, 2021].
[3]Недостатком данного способа является необходимость изготовления или приобретения испытательной установки, предназначенной только для данного вида испытаний, а также то, что испытуемые шары подвергаются только односторонней нагрузке, что в недостаточной мере имитирует их работу в шаровой мельнице.
[4]Известен способ испытания шаров на раздавливание с использованием опорных шаров характеризующийся тем, что испытываемый шар устанавливают между тремя парами опорных шаров таким образом, чтобы опорные шары попарно были расположены относительно испытываемого шара диаметрально противоположно с линией центров на прямой, проходящей через центр испытываемого шара и наклонной под некоторым небольшим углом в плоскости, перпендикулярной направлению приложения нагрузки [авторское свидетельство № 69856, МПК G01N3/08, 1947].
[5]Недостатками данного способа являются сложность подготовки к проведению испытания, а также невозможность или техническая сложность воспроизведения циклических нагрузок.
[6]Технический результат заявленного изобретения - разработка способа испытания мелющих шаров на ударную стойкость, позволяющего имитировать работу различных по классу твердости и размеру шаров в мельницах любого объема.
[7]Технический результат достигается тем, что в способе испытания мелющих шаров на ударную стойкость, согласно изобретения, сначала определяют максимальную кинетическую энергию шара в мельнице, затем экспериментально определяют силу разового нагружения, обеспечивающую с учетом полной деформации шара работу, величина которой эквивалентна максимальной кинетической энергии шара в мельнице, после чего экспериментально определяют частоту нагружений в зависимости от силы разового нагружения и необходимое количество циклов нагружения, далее испытуемый шар помещают в испытательную установку, обеспечивают контакт шара с бойком и в соответствии с определенными на предыдущих этапах способа параметрами подвергают пульсирующему циклическому нагружению.
[8]Каждое разовое нагружение осуществляют с силой 10 - 500 кН.
[9]Пульсирующее циклическое нагружение осуществляют с частотой 60 - 1800 ед/мин.
[10]Количество циклов в испытании составляет 10 000 - 300 000 шт.
[11]Также технический результат достигается тем, что в способе испытания мелющих шаров на ударную стойкость, согласно изобретения, сначала определяют максимальную кинетическую энергию шара в мельнице, затем экспериментально определяют силу разового нагружения, обеспечивающую с учетом полной деформации шара работу, величина которой эквивалентна максимальной кинетической энергии шара в мельнице, после чего экспериментально определяют частоту нагружений в зависимости от силы разового нагружения, а также необходимое количество циклов нагружения по формуле N = n * t, где n - частота вращения мельницы, t - время работы мельницы, далее испытуемый шар помещают в испытательную установку, обеспечивают контакт шара с бойком и в соответствии с определенными на предыдущих этапах способа параметрами подвергают пульсирующему циклическому нагружению.
[12]Каждое разовое нагружение осуществляют с силой 10 - 500 кН.
[13]Пульсирующее циклическое нагружение осуществляют с частотой 60 - 1800 ед/мин.
[14]Количество циклов в испытании составляет 10 000 - 300 000 шт.
[15]Сущность изобретения.
[16]Заявляемый способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость разработан в качестве альтернативы испытаниям шаров на копре или на установке ball-on-ball.
[17]Методика испытаний шаров на ударную стойкость следующая.
[18]1. Определяют максимальную кинетическую энергию шара Ек в момент его соударения со стенкой мельницы. Она равна потенциальной энергии шара Еп при падении с высоты равной диаметру мельницы, в которой имитируют работу шара, и вычисляется по формуле:
[21]Ек - максимальная кинетическая энергия шара, Дж,
[22]Еп - потенциальная энергия шара, Дж,
[24]g - ускорение свободного падения, м/с2,
[25]D - диаметр мельницы, м.
[26]2. Определяют усилие разового нагружения, обеспечивающее равенство работы, затрачиваемой на деформацию шара, с уровнем максимальной кинетической энергии шара в мельнице.
[27]Сила, деформация и работа внешних сил связаны выражением:
[31]Е - полная деформация, м,
[33]Полная деформация - определяется экспериментально и соответствует перемещению нижнего захвата (нижней сдавливающей поверхности: основание, опора, фиксатор) при разовом нагружении.
[34]Для шара каждого типоразмера расчетным путем с использованием метода конечных элементов (МКЭ), либо экспериментально, вычисляют зависимость «сила-перемещение». Требуемое значение усилия подбирают исходя из равенства работы внешней силы и кинетической энергии шара.
[35]Каждый цикл нагружения осуществляют с усилием 10 - 500 кН. Указанный диапазон обеспечивает возможность имитировать работу шаров нескольких типоразмеров в мельницах разного диаметра, а также испытания по альтернативным методикам. Например, максимальная кинетическая энергия шара диаметром 30 мм в мельнице диаметром 2 м равна 2,5 Дж. Эквивалентный уровень работы обеспечивается при нагружении шара диаметром 30 мм с силой порядка 20 кН. В случае падения шара диаметром 120 мм с высоты 10 м в установке типа «ball-on-ball», кинетическая энергия равна 784 Дж. Эквивалентный уровень работы внешних сил обеспечивается при нагружении шара диаметром 120 мм усилием порядка 400 кН.
[36]3. Определяют частоту пульсирующего циклического нагружения экспериментально, с учетом уровня вибрации при работе испытательной машины, в зависимости от уровня разового нагружения. Пульсирующее циклическое нагружение осуществляют с частотой 60 - 1800 раз в минуту.
[37]Указанный диапазон определяется экспериментально и исходя из технических характеристик используемой испытательной машины. Максимальная частота нагружений по техническим возможностям оборудования составляет 1800 раз в минуту. В то же время, при испытании шаров с большой силой разового нагружения возникает вибрация, которая может привести в выходу испытательной машины из строя. Экспериментально подобраны следующие частоты нагружений при испытании крупных шаров:
[38]| Сила разового нагружения, кН | Частота нагружений, ед/мин |
| 50 | 800 - 1000 |
| 100 | 500 - 700 |
| 150 | 200 - 400 |
| 180 | 40 - 80 |
[39]4. Определяют необходимое количество циклов нагружения по формуле:
[42]n - частота вращения мельницы, оборотов/мин
[43]t - время работы мельницы, мин.
[44]Затем, испытуемый шар помещают в установку, схема которой приведена на фиг. 1 и подвергают пульсирующему циклическому нагружению в соответствии с параметрами, определенными согласно методике испытаний.
[45]На фиг. 1 приведена схема установки, на которой осуществляются испытания шаров на ударную стойкость, где:
[52]Необходимо провести испытания, имитирующие работу шара диаметром 100 мм в мельнице диаметром 3,85 м в течение 10 суток, скорость вращения мельницы - 20 об/мин.
[53]1. Определили максимальную кинетическую энергию шара Ек в мельнице.
[54]Eк = Еп = m * g * D = 4,62 кг * 9,8 м/с2 * 3,85 м = 174,3 Дж,
[56]Еп - потенциальная энергия шара при падении с высоты, равной диаметру мельницы, Дж,
[58]g - ускорение свободного падения, м/с2,
[59]D - диаметр мельницы, м.
[60]2. Экспериментально определили силу разового нагружения, обеспечивающую с учетом полной деформации шара работу, величина которой эквивалентна максимальной кинетической энергии шара в мельнице. По результатам серии экспериментов определена полная деформация шара диаметром 100 мм в зависимости от силы разового нагружения:
[61] | d шара, мм | F, кН | E, мм |
| 1 | 100 | 100 | 0,5337 |
| 2 | 100 | 150 | 0,7766 |
| 3 | 100 | 180 | 0,9697 |
[62]Результаты расчета совершенной работы:
[63] | d шара, мм | F, кН | E, мм | A, Дж |
| 1 | 100 | 100 | 0,5337 | 53,37 |
| 2 | 100 | 150 | 0,7766 | 116,49 |
| 3 | 100 | 180 | 0,9697 | 174,546 |
[64]Выбираем результаты эксперимента №3, где:
[65]A = F * E = 180000 Н * 0,0009697 м = 174,546 Дж,
[67]F - сила разового нагружения, H,
[68]E - полная деформация шара, м,
[69]Сила разового нагружения равна 180 кН.
[70]3. Экспериментально определили частоту нагружений в зависимости от силы разового нагружения:
[71]| Сила разового нагружения, кН | Частота нагружений, ед/мин |
| 50 | 900 |
| 100 | 600 |
| 150 | 300 |
| 180 | 60 |
[72]Для силы разового нагружения 180 кН необходимо использовать частоту нагружений 60 ед/мин.
[73]4. Определили необходимое количество циклов нагружения:
[74]N = n * t = 20 об/мин * 14400 мин = 288000 циклов
[76]n - частота вращения мельницы, об/мин,
[77]t - время работы мельницы, мин.
[78]Затем, испытуемый шар (2) поместили в установку, обеспечили контакт шара с бойком (3) и подвергли пульсирующему циклическому нагружению в соответствии с определенными параметрами. По результатам испытаний определено: на шаре отсутствуют дефекты поверхности (в том числе трещены), а, следовательно, шары из данной партии могут быть переданы потребителю.
[79]Шары данной партии прошли успешное применение у потребителя в мельнице диаметром 3,85 м в течение 10 суток, что позволяет считать заявленный способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость и методику их испытания практически применимыми.
[80]Пример 2. Необходимо провести испытания, имитирующие работу шара диаметром 40 мм в мельнице диаметром 5 м в течение 3 суток, скорость вращения мельницы - 24 об/мин.
[81]1. Определили максимальную кинетическую энергию шара Ек в мельнице.
[82]Eк = Еп = m * g * D = 0,294 кг * 9,8 м/с2 * 5 м = 14,406 Дж,
[84]Еп - потенциальная энергия шара при падении с высоты, равной диаметру мельницы, Дж
[86]g - ускорение свободного падения, м/с2,
[87]D - диаметр мельницы, м.
[88]2. Определили расчетами МКЭ силу разового нагружения, обеспечивающую с учетом полной деформации шара работу, величина которой эквивалентна максимальной кинетической энергии шара в мельнице. По результатам серии экспериментов определена полная деформация шара диаметром 40 мм в зависимости от силы разового нагружения:
[89] | d шара, мм | F, кН | E, мм |
| 1 | 40 | 50 | 0,3041 |
| 2 | 40 | 100 | 0,5972 |
| 3 | 40 | 150 | 0,8147 |
[90]Результаты расчета совершенной работы:
[91] | d шара, мм | F, кН | E, мм | A, Дж |
| 1 | 40 | 50 | 0,3041 | 15,205 |
| 2 | 40 | 100 | 0,5972 | 59,72 |
| 3 | 40 | 150 | 0,8147 | 122,205 |
[92]Выбираем результаты эксперимента №1, где:
[93]A = F * E = 50000 Н * 0,0003041 м = 15,205 Дж,
[95]F - сила разового нагружения, H,
[96]E - полная деформация шара, м
[97]Сила разового нагружения равна 50 кН
[98]3. Экспериментально определили частоту нагружений в зависимости от силы разового нагружения:
[99]| Сила разового нагружения, кН | Частота нагружений, ед/мин |
| 50 | 900 |
| 100 | 600 |
| 150 | 300 |
| 180 | 60 |
[100]Для силы разового нагружения 50 кН необходимо использовать частоту нагружений 900 ед/мин.
[101]4. Определили необходимое количество циклов нагружения:
[102]N = n * t = 24 об/мин * 4320 мин = 103680 циклов
[104]n - частота вращения мельницы, об/мин,
[105]t - время работы мельницы, мин.
[106]Затем, испытуемый шар (2) поместили в установку, обеспечили контакт шара с бойком (3) и подвергли пульсирующему циклическому нагружению в соответствии с определенными параметрами. По результатам испытаний определено: на шаре отсутствуют дефекты поверхности (в том числе трещены), а, следовательно, шары из данной партии могут быть переданы потребителю.
[107]Шары данной партии прошли успешное применение у потребителя в мельнице диаметром 5 м в течение 3 суток, что позволяет считать заявленный способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость и методику их испытания практически применимыми.
