Способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость и методика для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01N3/34 

Изобретение относится к способам механических испытаний, в частности к способу испытания мелющих шаров.

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].

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.

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].

Недостатками данного способа являются сложность подготовки к проведению испытания, а также невозможность или техническая сложность воспроизведения циклических нагрузок.

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.

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.

Каждое разовое нагружение осуществляют с силой 10 - 500 кН.

Пульсирующее циклическое нагружение осуществляют с частотой 60 - 1800 ед/мин.

Количество циклов в испытании составляет 10 000 - 300 000 шт.

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.

Каждое разовое нагружение осуществляют с силой 10 - 500 кН.

Пульсирующее циклическое нагружение осуществляют с частотой 60 - 1800 ед/мин.

Количество циклов в испытании составляет 10 000 - 300 000 шт.

Сущность изобретения.

Заявляемый способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость разработан в качестве альтернативы испытаниям шаров на копре или на установке ball-on-ball.

Методика испытаний шаров на ударную стойкость следующая.

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:

Eк = Еп = m*g*D, (1)

где

Ек - максимальная кинетическая энергия шара, Дж,

Еп - потенциальная энергия шара, Дж,

m - масса шара, кг

g - ускорение свободного падения, м/с²,

D - диаметр мельницы, м.

2. Определяют усилие разового нагружения, обеспечивающее равенство работы, затрачиваемой на деформацию шара, с уровнем максимальной кинетической энергии шара в мельнице.

Сила, деформация и работа внешних сил связаны выражением:

A = F*E, (2)

где

А - работа, Дж,

Е - полная деформация, м,

F - сила, Н.

Полная деформация - определяется экспериментально и соответствует перемещению нижнего захвата (нижней сдавливающей поверхности: основание, опора, фиксатор) при разовом нагружении.

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.

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.

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.

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:

Сила разового нагружения, кН Частота нагружений, ед/мин 50 800 - 1000 100 500 - 700 150 200 - 400 180 40 - 80

4. Определяют необходимое количество циклов нагружения по формуле:

N = n * t , (3)

где

n - частота вращения мельницы, оборотов/мин

t - время работы мельницы, мин.

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.

На фиг. 1 приведена схема установки, на которой осуществляются испытания шаров на ударную стойкость, где:

1 - основание

2 - опора

3 - боек

4 - фиксатор

5 - шар

Пример 1.

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.

1. Определили максимальную кинетическую энергию шара Ек в мельнице.

Eк = Еп = m * g * D = 4,62 кг * 9,8 м/с² * 3,85 м = 174,3 Дж,

где:

Еп - потенциальная энергия шара при падении с высоты, равной диаметру мельницы, Дж,

m - масса шара, кг,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

D - диаметр мельницы, м.

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:

d шара, мм F, кН E, мм 1 100 100 0,5337 2 100 150 0,7766 3 100 180 0,9697

Результаты расчета совершенной работы:

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

Выбираем результаты эксперимента №3, где:

A = F * E = 180000 Н * 0,0009697 м = 174,546 Дж,

где:

F - сила разового нагружения, H,

E - полная деформация шара, м,

Сила разового нагружения равна 180 кН.

3. Экспериментально определили частоту нагружений в зависимости от силы разового нагружения:

Сила разового нагружения, кН Частота нагружений, ед/мин 50 900 100 600 150 300 180 60

Для силы разового нагружения 180 кН необходимо использовать частоту нагружений 60 ед/мин.

4. Определили необходимое количество циклов нагружения:

N = n * t = 20 об/мин * 14400 мин = 288000 циклов

где:

n - частота вращения мельницы, об/мин,

t - время работы мельницы, мин.

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.

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.

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.

1. Определили максимальную кинетическую энергию шара Ек в мельнице.

Eк = Еп = m * g * D = 0,294 кг * 9,8 м/с² * 5 м = 14,406 Дж,

где:

Еп - потенциальная энергия шара при падении с высоты, равной диаметру мельницы, Дж

m - масса шара, кг,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

D - диаметр мельницы, м.

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:

d шара, мм F, кН E, мм 1 40 50 0,3041 2 40 100 0,5972 3 40 150 0,8147

Результаты расчета совершенной работы:

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

Выбираем результаты эксперимента №1, где:

A = F * E = 50000 Н * 0,0003041 м = 15,205 Дж,

где:

F - сила разового нагружения, H,

E - полная деформация шара, м

Сила разового нагружения равна 50 кН

3. Экспериментально определили частоту нагружений в зависимости от силы разового нагружения:

Сила разового нагружения, кН Частота нагружений, ед/мин 50 900 100 600 150 300 180 60

Для силы разового нагружения 50 кН необходимо использовать частоту нагружений 900 ед/мин.

4. Определили необходимое количество циклов нагружения:

N = n * t = 24 об/мин * 4320 мин = 103680 циклов

где:

n - частота вращения мельницы, об/мин,

t - время работы мельницы, мин.

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.

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.

Изобретение относится к способам механических испытаний мелющих шаров. Сущность по первому варианту: 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. Сущность по второму варианту: 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 рассчитывают по формуле, 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. Технический результат: возможность имитировать работу различных по классу твердости и размеру шаров в мельницах любого объема. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 табл., 1 ил.

1. Способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость, характеризующийся тем, что 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.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что каждое разовое нагружение осуществляют с силой 10 - 500 кН.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что пульсирующее циклическое нагружение осуществляют с частотой 60 - 1800 ед/мин.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что количество циклов в испытании составляет 10 000 - 300 000 шт.

5. Способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость, характеризующийся тем, что 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.

6. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что каждое разовое нагружение осуществляют с силой 10 - 500 кН.

7. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что пульсирующее циклическое нагружение осуществляют с частотой 60 - 1800 ед/мин.

8. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что количество циклов в испытании составляет 10 000 - 300 000 шт.