КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-79-30056

НазваниеВибрационные технологии переработки различных материалов в передовых интеллектуальных производствах - теория, моделирование, основы создания мехатронных комплексов для их реализации

РуководительВайсберг Леонид Абрамович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регионНаучно-производственная корпорация "Механобр-техника" (акционерное общество), г Санкт-Петербург

Года выполнения при поддержке РНФ 2017 - 2020 

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые словаВибрационные эффекты, динамические системы, резонанс, дезинтеграция, сепарация, сыпучие и жидкие среды, мехатроника, аддитивные технологии, интеллектуальные производства

Код ГРНТИ30.15.12, 30.15.27


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Основной научной проблемой, рассматриваемой в данном проекте, является установление закономерностей, описание и прогнозирование многочисленных новых физических явлений и эффектов поведения различных систем и сред, демонстрирующих их неординарный отклик на вибрационные воздействия, в том числе, и в комбинированных силовых полях. Актуальность проблемы определяется фактическим наличием многочисленных новых, неизученных полностью физических явлений и эффектов, возникающих в поведении различных систем и сред при вибрационных воздействиях, особенно при наличии ещё и дополнительных силовых полей. Создание общей теории подобных явлений и эффектов позволит сформулировать основные принципы и методики создания энерго- и ресурсосберегающих мехатронных технологических комплексов для дальнейшей промышленной реализации новых технологий в передовых интеллектуальных производствах. Новый класс вибрационных технологий будет предназначен для переработки самых различных материалов, в первую очередь, конструкционных наноматериалов, отличающихся исходной крупностью и формой – крупнокусковая масса с размерами отдельных её составляющих до 300 мм, порошковые смеси и составы с максимальной крупностью частиц от 5 до 10 мм и минимальной от 10 до 100 мкм. Технологические потоки указанных материалов могут быть самыми различными и колебаться в широких пределах: в одних случаях это килограммы в час, в других случаях потребуются новые агрегаты с часовой производительностью до сотен тонн в час. В рамках общей проблемы в данном проекте выделяются следующие задачи: - исследование и разработка вибрационных динамических систем с энергетически оптимальным типом возбуждения колебаний, обеспечивающих избирательную, заранее заданную по технологическим соображениям форму колебаний и форму воздействия на перерабатываемый материал; - аналитическое описание и численное моделирование поведения сыпучих сред в комбинированных силовых полях, где доминирующими являются вибрационные воздействия, что позволит на последующем этапе разработать общий подход к созданию мехатронных устройств высокой производительности и низкой энергоёмкости для механической классификации сыпучих (порошковых) материалов по крупности, по форме, а также по электрическим и магнитным свойствам, причем в условиях вибрационных воздействий высокой интенсивности; - изучение и описание поведения при вибрационных воздействиях жидких сред и структурированных суспензий дисперсных материалов с целью создания технологий и мехатронных устройств вибрационного типа для виброаэрации, перемешивания, осаждения, осветления, что позволит также обеспечить энергоэффективность и заметное снижение потребления во многих технологиях пресной воды за счёт переработки более плотных суспензий. В целом проект посвящён полезному применению вибраций в технологиях, выявлению и использованию тех многочисленных возможностей, которые обеспечиваются принципиально новыми явлениями и эффектами поведения материалов в этих условиях: это энерго- и ресурсосбережение, повышение качества готовых продуктов по основным потребительским параметрам, надёжная управляемость, обеспечивающая возможность создания мехатронных комплексов, встраиваемых в передовые интеллектуальные производства во многих сферах промышленности и, следовательно, экономики Российской Федерации. К указанной научной проблеме и её практическому использованию проявляется серьёзный интерес во многочисленных российских и мировых университетских исследовательских центрах, а также в лабораториях известных фирм, выпускающих аналогичную технику, соответствующую нынешнему технологическому укладу. Исследования ведутся не только в 3 – 4-х научных коллективах в Российской Федерации, но и в университетских центрах за рубежом: технический университет г. Копенгаген, Дания; технический университет г. Делфт, Нидерланды; технологический институт г. Карлсруэ, Германия; технический университет г. Мюнхен, Германия и других. Прототипы машин, соответствующих предыдущему технологическому укладу и без мехатронного управления производят 5-6 ведущих фирм мира, в частности в SIEBTECHNIK GMBH, RHEWUM GMBH, METSO MINERALS, SANDVIK, TELSMITH, HAVER&BOECKER GMBH. Однако, ведущее положение организации, которая подготовила и подаёт заявку – Научно-производственной корпорации «Механобр – техника» - подтверждается наличием у неё устойчивого экспорта продукции, соответствующей нынешнему технологическому укладу, в 25 стран мира, в том числе в те, которые считаются высокотехнологичными. Особенность НПК "Механобр-техника" и её лаборатории вибрационной механики, в которой будет выполняться проект, состоит в том, что в ней функционирует полный инновационный цикл - от фундаментальных исследований и получения нового научного знания до разработки на этой основе новых передовых интеллектуальных технологий и дальнейшего перехода к ОКР (опытно-конструкторским работам), постановки новых машин и агрегатов на промышленное производство, поставки их потребителям, технологической отладки и обучения персонала, обеспечения всего жизненного цикла изделий запасными частями. Количество установок, машин, комплектных технологических линий, разработанных в НПК "Механобр-техника", на новых и реконструированных предприятиях горно-металлургического комплекса, химической и фармацевтической отрасли, строительной индустрии, машиностроения и ряда других отраслей превышает десятки тысяч единиц; причём это технологии уровня для дезинтеграции, сепарации и других видов переработки материалов различного происхождения, в том числе, искусственного, реализующие именно направленные вибрационные воздействия. Предлагаемые исследования, являясь по сути фундаментальными, имеют в то же время, выраженный прикладной характер, что позволит оперативно перейти к стадии ОКР, используя для этого другие источники финансирования (за пределами данного проекта). Предполагается, что часть новой продукции в виде энерго- и ресурсосберегающих мехатронных комплексов для промышленной реализации новых технологий в передовых интеллектуальных производствах будет полностью подготовлена и предложена рынку уже к моменту полного завершения данного проекта, то есть к концу 4-го года. В первую очередь, это будут технологии и устройства, базирующиеся на результатах исследований первых двух лет проекта. При полном завершении проекта в течение 2-х последующих лет будет налажен промышленный выпуск полного комплекса новой продукции по результатам всего цикла исследований. В том числе, будут полностью укомплектованы технологические линии для подготовки порошковых материалов различной крупности и состава для широкомасштабного развития и применения аддитивных технологий. С учётом положительного опыта НПК "Механобр- техники" в экспортных поставках высокотехнологичной продукции по собственным разработкам, планируется, что все вновь создаваемые в рамках данного проекта технологии и комплексы будут также экспортно-ориентированы. За время выполнения проекта будет опубликовано не менее 40 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, будут ежегодно проводиться школы молодых учёных, будут частично откорректированы учебные программы в нескольких вузах, прочитаны объёмные курсы лекций, что позволит наряду с получением нового научного знания и дальнейшей его коммерциализации в экономике России, использовать его также для подготовки инновационно-ориентированных инженерных и научных кадров, в том числе, и на базе собственного, существующего в организации Научно-образовательного центра.

Ожидаемые результаты
Выполнение нового объемного цикла фундаментальных исследований, изложенного в данном проекте, позволит получить новое научное знание в достаточно широком диапазоне и вести его последующую коммерциализацию. Основным содержанием проекта будет: - исследование и разработка вибрационных динамических систем с энергетически оптимальным типом возбуждения колебаний, обеспечивающих избирательную, заранее заданную по технологическим соображениям форму колебаний и форму воздействия на перерабатываемый материал, идеализируемый определённой средой – твёрдое тело, сыпучий материал, жидкость или их комбинацию. Будут исследованы также квазирезонансные системы и их воздействия на перерабатываемые среды. Исследование ориентировано на снижение общих энергетических затрат в этих технологиях на 10-15% за счёт использования энергетически оптимального типа возбуждения вибрационных воздействий при полном использовании дефектности структуры различных материалов, а также на возможность управления формой и размерами частиц готовых продуктов переработки, обеспечивающих их высокие потребительские качества как исходных материалов в дальнейших технологиях, например, в аддитивных технологиях, где крупность порошковых материалов, в том числе, конструкционных наноматериалов, должна находится в диапазоне от 10 до 100 мкм. Эти же вибрационные системы и созданные на их базе мехатронные комплексы в специализированном исполнении могут быть использованы для принципиально новых технологий твердофазного легирования наноматериалов; - аналитическое описание и численное моделирование поведения сыпучих сред в комбинированных силовых полях, где доминирующими являются вибрационные воздействия. Это позволит на последующем этапе разработать общий подход к созданию мехатронных устройств высокой производительности и низкой энергоёмкости для механической классификации сыпучих (порошковых) материалов по крупности на перфорированных (ситовых) поверхностях с использованием, в том числе, эффекта диффузной сегрегации, а также для электростатической, электродинамической и вибромагнитной классификации тех же дисперсных материалов, что будет, в первую очередь, ориентировано на развитие аддитивных технологий за счёт новых, создаваемых в данном проекте подходов к подготовке соответствующего материала – порошкового сырья, а именно это и является в настоящее время ключевой проблемой аддитивных технологий. Создаваемые технологии позволят значительно расширить ассортимент выпускаемых порошков, улучшить их качество по размерам и диапазонам узких классов крупности, которые, как уже сказано выше, должны находится в пределах от 10 до 100 мкм, но должны быть с высокой точностью расклассифицированы на различные узкие классы крупности (например, 20 – 40 мкм, 40 – 60 мкм и т.д.), а взаимное засорение этих узких фракций не должно превышать 10%; - разработка технологий и мехатронных устройств для сепарации сыпучих материалов по форме, а также по электрическим и магнитным свойствам, причем в условиях вибрационных воздействий высокой интенсивности, обеспечивающих переход обрабатываемых сред в так называемое состояние вибрационного ожижения, по сути, квазиожижения, обеспечивающего кажущееся состояние нахождения материала в дисперсной жидкой среде. Потребность в них остро ощущается в таких отраслях, как переработка минерального рудного и нерудного сырья, строительных и техногенных материалов, химических и фармацевтических продуктов, при переработке промышленных отходов, а также в агропромышленном комплексе при сортировке зерновых материалов. - изучение и описание поведения при вибрационных воздействиях жидких сред и структурированных суспензий дисперсных материалов, в том числе, конструкционных наноматериалов, с целью создания технологий и мехатронных устройств вибрационного типа для виброаэрации, перемешивания, осаждения, осветления. Эти научные результаты позволят обеспечить не только энергоэффективность, но и заметное снижение потребления во многих технологиях пресной воды за счёт переработки более плотных суспензий. В отдельных технологиях переработки материалов объём потребляемой свежей пресной воды достигает 15-20 м3 на одну тонну твёрдых материалов в дисперсном виде. Проект нацелен на возможность снижения этого расхода на 20 – 30%, а в отдельных случаях, например, при вибрационной сепарации, полностью отказаться от использования водной среды и перейти к так называемым сухим технологиям. Перечисленные исследования, являясь по сути фундаментальными, имеют в то же время, выраженный прикладной характер, что позволит в самые кратчайшие сроки перейти к стадии ОКР. По ряду направлений опытно-конструкторские работы будут начаты уже в конце второго года выполнения проекта, а далее все вновь получаемые результаты будут передаваться на последующую стадию инновационной реализации. Предполагается, что часть новой продукции в виде энерго- и ресурсосберегающих мехатронных комплексов для промышленной реализации новых технологий в передовых интеллектуальных производствах будет полностью подготовлена и предложена рынку уже к моменту полного завершения данного проекта, то есть к концу 4-го года. В первую очередь, это будут технологии и устройства, базирующиеся на результатах исследований первых двух лет проекта. При полном завершении проекта в течение 2-х последующих лет будет налажен промышленный выпуск полного комплекса новой продукции по результатам всего цикла исследований. В том числе, будут полностью укомплектованы технологические линии для подготовки порошковых материалов различной крупности и состава для широкомасштабного развития и применения аддитивных технологий. С учётом положительного опыта НПК "Механобр-техники" в экспортных поставках высотехнологичной продукции по собственным разработкам, все вновь создаваемые в рамках данного проекта технологии и комплексы будут также экспортно-ориентированы. В целом проект соответствует, а в отдельных частях значительно превышает современный мировой уровень создания и применения энерго- и ресурсосберегающих мехатронных технологических комплексов для дальнейшей промышленной реализации новых технологий в передовых интеллектуальных производствах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Рассмотрена механико-математическая модель колебательной системы вибрационного макета с энергетически эффективным типом возбуждения колебаний рабочих органов. Вибрационная система состоит амортизированного корпуса и присоединенного к нему при помощи специальных пакетов винтовых пружин рабочего органа. Система приводится в движение от двух самосинхронизирующихся дебалансных вибровозбудителей, установленных на корпусе. Отсутствие жестких кинематических связей между двумя вибровозбудителями делает такую колебательную систему исключительно простой в обслуживании и надежной в работе; она также является полностью уравновешенной. Впервые получены законы вынужденных колебаний вибрационной установки с учетом присоединенной массы (технологической нагрузки) при учете вязкого сопротивления движению, а также уравнение баланса энергозатрат в рабочем режиме системы и уравнения для определения эквивалентных коэффициентов вязкого трения. Кроме того, сформулированы условия существования синхронного противофазного режима движения рабочих органов, необходимого для эффективной и устойчивой работы вибрационного макета в квазирезонансном режиме. Выполненное исследование позволяет оценить влияние технологической нагрузки, в частном случае, разрушаемого материала на динамику и устойчивость рабочего режима колебательной системы вибрационного макета на основе двухмассной системы с пространственными движениями рабочих органов. Получены зависимости коэффициента запаса по устойчивости синхронно-синфазного режима вращения дебалансных вибровозбудителей, а также угла рассогласования фаз вращения роторов вибровозбудителей от производительности вибрационного устройства. На основании проведенных теоретических исследований разработан многофункциональный вибрационный макет на основе двухмассной динамической системы. К уникальным отличительным особенностям вибрационного макета можно отнести следующие возможности: изменение жесткости упругой системы в широких пределах; замену тарельчатых пружин с нелинейной жесткостью на винтовые пружины сжатия-растяжения; замену платформенных элементов макета для установки различной технологической оснастки. Для всесторонних исследований электромеханических характеристик вибрационного макета и хранения результатов экспериментов и измерений в базе данных была разработана структурная схема контрольно-управляющей цифровой системы. В результате исследования динамики одномассной многоситовой вибрационной системы со стабильным самосинхронизирующимся приводом, совершающей орбитальные движения, впервые установлена технологическая возможность существенного повышения эффективности классификации сыпучих материалов в толстом слое сырья с принципиально новой последовательностью сепарации «от мелкого класса крупности к крупному». Это открывает перспективу для последующего конструирования высокоэффектиных вибрационных сепарирующих машин нового типа. На основе изучения динамики низкочастотных вибрационных колебательных систем спроектирован, изготовлен и испытан действующий макет дезинтегратора, который впервые в мировой практике позволяет адекватно моделировать промышленный процесс получения строительного щебня из прочных и особо прочных горных пород по гранулометрической характеристике и форме получаемых частиц. Рабочими органами дезинтегратора являются две синхронно работающие щеки, совершающие сложные возвратно-поступающие и эллиптические движения. Использование подобного устройства позволит существенно повысить достоверность и оперативность оценочных работ при разведке и постановке на баланс месторождений нерудных строительных материалов. Этот результат проекта переходит на стадию промышленной реализации. Исследована нелинейная динамика привода вибрационных машин и устройств, приводимых от электродвигателя, расположенного на неподвижном основании, через гибкое сочленение. Показано, как оптимальным образом должны соединяться валы дебалансов машины и приводных электродвигателей, чтобы избежать нежелательных резонансных явлений в приводе. Получены приближенные формулы для присоединенной массы и для коэффициента присоединённого вязкого трения рабочего органа вибрационной машины с технологической нагрузкой, то есть с обрабатываемым сыпучим материалом. Уточнены современные методы проектирования и расчета вибрационных машин с механическими (дебалансными) возбудителями; получены формулы для определения необходимых и устранимых энергозатрат в таких вибрационных машинах. Показано, что явление стохастического резонанса объясняется и исследуется на основе подхода вибрационной механики – как результат изменения под действием высокочастотного возмущения эффективной жесткости системы. Кроме того, показано, что данное явление характерно для широкого круга нелинейных осцилляторов. Исследования стохастического резонанса носят междисциплинарный характер, это явление может быть использовано в вибрационных технологиях как способ резонансного усиления периодического воздействия. Обобщены результаты неразрушающих рентгеновских микротомографических исследований природных твердых материалов, что позволило выявить некоторые общие зависимости и закономерности, характеризующие взаимосвязь отдельных параметров микроструктуры исследуемых материалов, влияющих на процессы их вибрационной дезинтеграции. В работе с этой точки зрения исследованы основные типы прочных и особо прочных изверженных горных пород – гранитов и габбро-диабазов, используемых для производства высококачественного строительного щебня. Впервые установлены технологически важные явления: - концентрация пор экспоненциально снижается при увеличении их размера; однозначная зависимость пористости от концентрации пор отсутствует, что связано с различными размерами пор в структуре пород; - в емкость мелкопористых образцов наибольший вклад вносят мелкокапиллярные поры, при увеличении размера пор в емкости образцов увеличивается доля более крупных пор; - сферичность пор экспоненциально снижается по мере увеличения их размера; - наличие зависимости прочности пород от параметров структуры порового пространства; более низкие пределы прочности при сжатии гранитов по сравнению с габбро-диабазами связаны с порами низкой сферичности, что приводит к увеличению коэффициента ослабления связи минеральных зерен. Проведённые рентгеновские микротомографические исследования дают основания и исходные данные для проектирования новых и совершенствования существующих вибрационных машин и устройств, предназначенных для энергоэффективной дезинтеграции природных и техногенных материалов. Рассмотрено поведение слоя сыпучего материала над интенсивно вибрирующей плоскостью и исследованы характеристики его стационарного возбужденного состояния, при котором частицы материала совершают хаотическое газоподобное движение в поле силы тяжести. Рассмотренная система моделирует широко применяемый в различных технологиях «виброкипящий» слой на основе концепции «гранулярного газа». Впервые составлены уравнения для пространственного изменения концентрации частиц и их кинетической энергии (так называемой гранулярной температуры) и найдено общее аналитическое решение этих уравнений, а также решение краевой задачи о слое со свободной поверхностью сверху и с заданным движением плоскости снизу. При исследовании динамики сыпучих сред в условиях вибраций в целом: - получены уравнения для стационарного состояния вибровозбуждаемого сыпучего материала (гранулярного газа) с учетом немаксвеловского закона распределения по скоростям и наличия существенных градиентов как концентрации так и гранулярной температуры; - сформулированы нелинейные граничные условия на вибрирующей и неподвижной плоскостях; - поставлена и аналитически решена задача о слое со свободной поверхностью; - выведены простые формулы для расчета гранулярной температуры, концентрации и давления вблизи вибрирующей плоскости и в любой точке по высоте слоя а также для лейденфростофского скачка концентрации вблизи возбуждающей плоскости; - выведена формула для энергии, расходуемой на поддержание стационарного состояния слоя. Рассмотрен частный случай движения частицы в слое виброожиженного материала при действии объемной силы — движение парамагнитной частицы в рабочей области электромагнитного сепаратора. Получена оценка среднего времени извлечения частицы, а также статистическая оценка задержки в извлечении за счет соударений извлекаемой частицы с другими частицами исходного материала в виброожиженном слое, что позволило установить необходимое время пребывания материала в рабочей области сепаратора для полного извлечения парамагнитных частиц. Разработанные теоретические основы при дальнейшем развитии и валидировании послужат базой энергетической оптимизации вибрационных процессов и технологий для самых различных отраслей промышленности и цифровой экономики. По результатам исследований, выполненных в 2017 г., опубликованы предусмотренные плановым заданием 10 статей в журналах, индексируемых в базах данных sсopus и W.O.S. Проведена школа молодых учёных с тематической направленностью «Вибрационные эффекты в природе и технологиях». http://mtspb.com/nauchnyy_proekt_rnf/

 

Публикации

1. Аминов В.Н., Каменева Е Е., Устинов И.Д. Моделирование дробления горных пород для производства щебня Обогащение руд, № 3, стр. 3-6 (год публикации - 2017).

2. Балдаева Т.М. Эффективность предварительного отсева мелких классов при вибрационной классификации Обогащение руд, № 5, стр. 3-6 (год публикации - 2017).

3. Блехман И.И., Блехман Л.И., Ярошевич Н.П. К динамике привода вибрационных машин с инерционным возбуждением Обогащение руд, № 4, стр. 49-53 (год публикации - 2017).

4. Блехман И.И., Кремер Е.Б. Vertical-longitudinal dynamics of vehicle on road with unevenness Procedia Engineering, т. 199, стр. 3278–3283 (год публикации - 2017).

5. Вайсберг Л.А, Каменева Е.Е. Взаимосвязь структурных особенностей и физико-механических свойств горных пород Горный журнал, № 9, стр. 53-58 (год публикации - 2017).

6. Вайсберг Л.А., Дмитриев С.В., Мезенин А.О. Управляемые магнитные аномалии в технологиях переработки минерального сырья Горный журнал, № 10, стр. 26-32 (год публикации - 2017).

7. Вайсберг Л.А., Коровников А.Н., Подгородецкий Г.С. Совершенствование систем шихтоподготовки в доменном производстве Черные металлы, № 8, стр. 24-27 (год публикации - 2017).

8. Вайсберг Л.А., Кускова Я.В. Совершенствование круглых концентрационных столов как развитие гравитационных методов обогащения Обогащение руд, №4, стр. 54-60 (год публикации - 2017).

9. Шишкин Е.В., Казаков С.В. Динамика колебательной системы вибрационного устройства с пространственными движениями рабочих органов для дезинтеграции особо прочных материалов Обогащение руд, № 5, стр. 48-53 (год публикации - 2017).

10. Шишкин Е.В., Казаков С.В. Application of vibratory-percussion crusher for disintegration of supertough materials IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, Volume 87, Mining machines, 022018 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Разработаны принципы численного моделирования сыпучих сред и проведения численных симуляционных исследований их поведения в комбинированных силовых полях при наличии вибраций с целью создания соответствующей модели и технологии переработки тонкодисперсного сырья различного состава в псевдоожиженном состоянии. 2. Для разработки математической модели переработки тонкодисперсного сырья различного состава в псевдоожиженном состоянии были сформулированы, а в дальнейшем, решены две задачи: задача о вибрационном ожижении слоя сыпучего материала и задача о динамике отдельной, подверженной действию силового поля, извлекаемой частицы. На основании решения сформулированных задач были выработаны основы представления динамики виброожиженного сыпучего материала при разделении его в силовых полях с выводом уравнений, являющихся, по сути, впервые созданными численными выражениями разработанной математической модели, в которой учитываются фундаментальные свойства сыпучих материалов, параметры вибрации и силовых полей. 3. На основании теоретических исследований разработаны, изготовлены и испытаны макеты устройств, позволяющие поддерживать сыпучее сырьё в псевдоожиженном состоянии под действием вибрации, предназначенные для эффективного разделения порошковых материалов различного состава с получением кондиционных продуктов крупностью менее 100 мкм, применяемых в различных сферах промышленного производства, в том числе и для аддитивных технологий, где предъявляются особые требования к порошковым материалам. Это, в частности, макет электростатического сепаратора барабанного типа с подачей питания в режиме вибрационного псевдоожижения материала, макет электростатического сепаратора с подачей питания в режиме вибрационного псевдоожижения материала, макет винтового вибрационного классификатора, позволяющий проводить отделение частиц несферической формы. 4. В отчетном периоде сконструирован, изготовлен и испытан действующий макет устройства для испытаний процесса полиградиентной вибрационной классификации. Установлено, что эффективность полиградиентной вибрационной классификации на трапециевидном сите существенно выше, чем на плоском сите, возрастает при этом также удельная производительность [3]. 5. Выполненные исследования полиградиентной классификации будут коммерциализированы путем конструирования и изготовления в НПК «Механобр-технике» вибрационных классифицирующих машин, в первую очередь, для высокоточной подготовки по крупности гранулярных материалов (специальных порошков) для аддитивных технологий, а также путем создания классифицирующих машин -вибрационных грохотов для обогащения минерального и техногенного сырья, имеющего малую плотность, например, каменного угля. 6. Для решения методических вопросов при проведении исследований сконструировано, изготовлено и испытано устройство (прибор) для измерения углов естественного откоса сыпучих материалов, которое может быть использовано в прикладных исследованиях в вибрационной механике сыпучих материалов для горной, металлургической, аддитивных технологий, строительной промышленности и т.п. 7. Выполнены комплексные исследования и сделана количественная оценка энергетического баланса процесса ситовой вибрационной классификации по крупности сыпучих гранулярных материалов [13]. 8. Выполнен подробный обзор мировых достижений по исследованию влияния вибрационных воздействий на флотационные процессы. Определено два направления использования вибрационных эффектов применительно к процессу флотации: вибрация дисперсионной среды и подача пузырьков воздуха, прошедших источник вибрации. 9. Разработано техническое задание и рабочая документация на изготовление уникального специализированного лабораторного вибрационного стенда (действующего макета) для исследования процессов флотации и поведения коллоидных систем в условиях вибрации. Макет позволяет проводить исследования влияний вибрационных воздействий на двух- и трехфазные системы, как в непрерывном, так и в периодическом режиме. Макет изготовлен; разработана предварительная программа экспериментальных исследований с использованием возможностей указанного макета. 10. Продолжены исследования по разработке энергоэффективного способа дезинтеграции особо прочных природных и техногенных материалов на базе вибрационных устройств с двумя подвижными дробящими элементами. На лабораторном образце вибрационной конусной дробилки выполнен цикл экспериментальных исследований. В ходе исследований были получены динамические параметры вынужденных колебаний корпуса и дробящего конуса, условие устойчивости синхронно-синфазного режима вращения вибровозбудителей, а также удельные коэффициенты вязкого сопротивления [14]. 11. В соответствии с планом работ на 2018 год усовершенствована технология дезинтеграции и вибрационной классификации особо хрупкого искусственного материала - стеклоапатита (фосфатного стекла) для минимизации выхода и рециркуляции отсевов, т.е. мелкого некондиционного класса крупности. Этот подход обеспечивает также энергосбережение при переработке этого материала, используемого в качестве пролонгированного удобрения [9]. 12. В течение 2018 года проанализированы результаты применения вибрационной дезинтеграции для переработки широкой гаммы различных материалов природного и техногенного происхождения [2, 5, 7]. Эти результаты дают основание для частичного уточнения плана работ 2019 г., в частности, по подготовке исходных требований для будущих НИР и ОКР по созданию новых вибрационных технологий и машин. Рассмотрены при этом и новые перспективные направления применения вибрационных технологий в сельском хозяйстве с целью получения высокоэффективных кормовых добавок для птицеводства [8]. 13. Продолжены теоретические и экспериментальные исследования по определению важнейших факторов режимных параметров, определяющих энергетически эффективную дезинтеграцию различных материалов природного и техногенного происхождения в вибрационных машинах и устройствах. В части экспериментальных исследований получен очередной комплекс рентгеновских микротомограмм, позволяющих визуализировать внутреннюю структуру, дефекты и поры горных пород, дать способы их количественного описания. Эти результаты подробно изложены в публикации [6] и дают важную информацию для совершенствования технологий вибрационной дезинтеграции. Большой цикл теоретических исследований по механике вибрационного разрушения касался целого ряда специфических вопросов нагружения и деформирования материалов, образования и взаимодействия пор и трещин, превращения их в новые поверхности раздела. Частично эти результаты опубликованы в течение отчетного года в публикации [1]. 14. Выполнен цикл исследований по проблеме стохастического резонанса, который в отличие от обычного резонанса происходит не при изменении частоты воздействия, а при изменении интенсивности случайного воздействия, установлены и описаны закономерности стохастического резонанса в различных нелинейных системах [4,10,11]. Продолжались работы по использованию подхода вибрационной механики и его развитию для решения актуальных прикладных задач. В частности, классическая задача о поведении маятника Стефенсона-Капицы (маятника с вибрирующей осью) решена для значительно более широкой области значений параметров [12]. 15. Разработана предварительная технологическая схема и схемы цепи аппаратов для измельчения металлической стружки и получения порошков из высоколегированных сплавов на основе вибрационного дробильно-измельчительного и классифицирующего технологического оборудования, разработана конструкторская документация и изготовлен макет виброизмельчительного устройства, применение которых перспективно в аддитивных технологиях. Разработана программа проведения исследований, включающая изучение влияния ударных воздействий в дробилке вибрационного принципа действия, а также в ударной дробилке на измельчаемость металлической стружки в виброизмельчителе; поиск оптимальных технологических параметров измельчения стружки высоколегированных сплавов с помощью виброизмельчительного устройства; разработку промышленной технологии вибрационной дезинтеграции металлической стружки для получения высококачественных тонкодисперсных порошков. 16. В течение 2018 г. опубликовано 14 статей в журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и «Скопус» (Scopus) (см. п. 1.7 отчета о выполнении проекта). Возникли и зарегистрированы 3 исключительных права на результаты интеллектуальной деятельности (см. п. 1.8 отчета о выполнении проекта). http://mtspb.com/nauchnyy_proekt_rnf/

 

Публикации

1. Арсентьев В.А,, Дмитриев С.В., Мезенин А.О., Черкасова М.В. Электростатический сепаратор -, - (год публикации - ).

2. Арутюнян А.Р., Арутюнян Р.А. Condition for transition to an unstable state (necking) of a specimen in tension Journal of Physics: Conference Series, Volume 991, conference 1 (год публикации - 2018).

3. Белоглазов И. И., Степанян А. С., Феоктистов А. Ю., Юсупов Г. А. Моделирование процесса дезинтеграции в щековой дробилке со сложным качанием щек Обогащение руд, № 2, с.3–8. (год публикации - 2018).

4. Бизяев О. Ю., Устинов И. Д., Балдаева Т. М. Испытание технологии полиградиентной вибрационной классификации Обогащение руд, № 4, с. 3–6 (год публикации - 2018).

5. Блехман И.И., Сорокин В.С. On a "deterministic" explanation of the stochastic resonance phenomenon Nonlinear Dynamics, Volume 93, Issue 2, pp 767–778 (год публикации - 2018).

6. Бортников А. В., Самуков А. Д. Вибрационная дезинтеграция в рудоизмельчительных переделах обогатительных фабрик Обогащение руд, № 5, с. 3–10 (год публикации - 2018).

7. Вайсберг Л. А., Каменева Е. Е., Никифорова В. С. Микротомографические исследования порового пространства горных пород как основа совершенствования технологии их дезинтеграции Обогащение руд, № 3, с. 51–55 (год публикации - 2018).

8. Вайсберг Л. А., Сафронов А. Н. О применении вибрационной дезинтеграции для переработки различных материалов Обогащение руд, № 1, с. 3–11 (год публикации - 2018).

9. Вайсберг Л.А., Балдаева Т.М., Герасимов А.М., Иванов К.С., Лазарева В.В., Устинов И.Д. Устройство для измерения угла естественного откоса сыпучего материала -, 2018137328 (год публикации - ).

10. Вайсберг Л.А., Сафронов А.Н., Никонов И.Н., Селменский Г.Е. Investigation Of Vibrational Technology Of Shungite Processing As The Basis Of A Promising Mineral Fodder Additive For Poultry Farming Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, № 9, стр 973-980 (год публикации - 2018).

11. Вайсбрг Л.А., Коровников А.Н., Трофимов В.А. Вибрационный грохот -, - (год публикации - ).

12. Гладкова В.В, Казаков С.В, Карапетян К.Г., Отрощенко А.А. Вибрационная переработка особо хрупкого минерального материала Обогащение руд, № 2, с. 8–12 (год публикации - 2018).

13. Кремер Е.Б. Low-frequency dynamics of systems with modulated high-frequency stochastic excitation Journal of Sound and Vibra tion, 437 (2018) 422-436 (год публикации - 2018).

14. Сорокин В.С., Блехман И.И. On the stochastic resonance phenomenon in parametrically excited systems European Journal of Applied Mathematics, Published online: 26 September 2018, pp. 1-18 (год публикации - 2018).

15. Сорокин В.С., Демидов И.В. Motion of a Pendulum with Damping and Vibrating Axis of Suspension at Unconventional Values of Parameters AIP Conference Proceedings, 1959, 080013 (2018) (год публикации - 2018).

16. Устинов И. Д., Балдаева Т. М. Вибрационная классификация по крупности. Термодинамическая модель Обогащение руд, № 1, с. 12–16 (год публикации - 2018).

17. Шишкин Е.В., Казаков С.В. Vibration cone crusher for disintegration of solid materials IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 194, 3 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период (2019 год) по проекту № 17-79-30056 «Вибрационные технологии переработки различных материалов в передовых интеллектуальных производствах - теория, моделирование, основы создания мехатронных комплексов для их реализации» получены следующие научные результаты: 1. Выполнены технологические исследования, направленные на подбор оптимальных режимных параметров для вибрационных технологий сепарации и получения кондиционных товарных продуктов (металлических порошков), отвечающих требованиям использования аддитивных технологий в различных отраслях промышленного производства. Установлен наилучший режим сепарации, при этом выявлено, что применение эффекта вибрационного псевдоожижения материала при подаче питания в рабочую зону сепаратора обеспечивает повышение эффективности разделения в процессе сепарации. 2. Проведены укрупнённые испытания опытно-промышленного электростатического сепаратора барабанного типа с подачей питания в режиме вибрационного псевдоожижения на промышленном предприятии АО «ПОЛЕМА» (г. Тула), являющемся одним из крупнейших отечественных производителей металлических порошков различных марок. 3. Выполнен комплекс исследований по влиянию вибрационных воздействий на гетерогенные коллоидные системы. Исследования проводились с использованием уникального вибрационного стенда, сконструированного и изготовленного на предыдущем этапе проекта в 2018 году. 4. Впервые установлено явление сегрегации по крупности пузырьков воздуха двухфазной пены газ-жидкость под влиянием вибрации в присутствии коллоидных поверхностно-активных веществ. 5. Экспериментально установлен факт повышения селективности распределения скорости прохождения твердых гидрофильных и гидрофобных частиц через пенный слой в условиях вибрационного воздействия, что открывает перспективы совершенствования технологии пенной сепарации минерального сырья. 6. Установлены новые закономерности вибрационной инжекции газа в жидкость, учитывающие параметры вибрации вибрационного стенда в широком диапазоне значений размеров отверстий инжектора и высоты столба жидкости. Выявленные закономерности позволят развить теорию виброинжекции газов в жидкость, а также усовершенствовать промышленную технологию вибрационной флотации и пенной сепарации. 7. Выполнены теоретические исследования, позволяющие оценить влияние угла наклона осей роторов дебалансных вибраторов к горизонтальной плоскости на устойчивость и стабильность синхронно-синфазного режима вращения вибраторов в вибрационной дробилке. Обнаружено, что при одних и тех же параметрах машины увеличение угла наклона осей роторов вибраторов отрицательно сказывается на устойчивости синхронного вращения и стабильности фазировки самосинхронизирующихся вибраторов. Таким образом, вибрационная динамическая система с плоскими колебаниями рабочих органов с точки зрения устойчивости и стабильности является более предпочтительной, и, как следствие, более эффективной и надежной в работе, чем система с пространственными колебаниями рабочих органов. 8. Разработана методика, позволяющая на основании теоретических и экспериментальных исследований определить в режиме рабочего хода численные значения коэффициента вязкого сопротивления колебаниям, а также безразмерного коэффициента запаса по устойчивости синхронно-синфазного режима вращения дебалансных вибраторов. Это, в свою очередь, позволит определить усредненные значения амплитуд колебаний рабочих органов устройства с учетом технологической нагрузки. Возможность вычисления этих значений на стадии рабочего проектирования позволит существенно улучшить параметры устройств, в которых используется рассмотренная динамическая схема. 9. Выполнены экспериментальные исследования вибрационной дезинтеграции перспективного природного типа руд крупнейшего Тырныаузского месторождения вольфрама и молибдена (Северный Кавказ) – так называемых скарнированных мраморов (СМ). Установлено, что только применение вибрационного дробления для дезинтеграции контрастных вольфрамо-молибденовых руд в сочетании с вибрационной классификацией по крупности позволяет достичь эффекта селективного раскрытия рудного сырья, пригодного для последующей кусковой сепарации. 10. Выполнены исследования технологических особенностей и режимных параметров вибрационной дезинтеграции металлической стружки. Получен положительный эффект от снижения крупности продукта дробления высокоскоростного роторного дезинтегратора. Выявлена более высокая эффективность валового способа подачи материала в приемную воронку дробилки (работа «под завалом»), когда осуществляется вибрационное дробление в слое материала, что более продуктивно, чем в монослое при осуществлении дозированного питания. 11. Выполнены исследования трансформации структуры порового пространства горных пород (граниты, габбро-диабазы) при увеличении нагрузки в области упругих и пластических деформаций. В результате выполненных исследований установлены эффекты, возникающие в горных породах, имеющих различную текстуру, структуру и пористость (образцах гранита и габбро-диабаза) под действием нагрузки. 12. Продолжен цикл исследований по проблеме стохастического резонанса. Установлены и описаны закономерности этого резонансного явления в различных нелинейных системах. Дано физическое объяснение и математическое описание явления стохастического резонанса на основе подхода вибрационной механики. Установлено, что для возникновения этого явления не обязательно наличие случайного воздействия – достаточно гармонического воздействия. 13. Исследованы основные источники энергозатрат в вибрационных транспортно-технологических машинах, в частности, грохотах, конвейерах, питателях. В таких машинах изучены энергозатраты, необходимые для вибрационного воздействия на обрабатываемый материал и преодоления сил сопротивления в приводе. Получены формулы для оценки каждого вида энергозатрат в зависимости от параметров вибрации в режимах с подбрасыванием. Сопоставление расчетных данных с техническими характеристиками машин показывает, что, например, для ряда машин их установленные мощности могут быть существенно снижены за счет снижения или устранения пусковых затрат. 14. Аналитически исследовано движение частиц, находящихся в псевдоожиженном состоянии в магнитном и электростатическом полях. Исследование выполнено применительно к расчету усовершенствованных сепараторов для обогащения тонковкрапленных руд. Отличительной особенностью этих машин является интенсивное вибрационное воздействие на исходный материал при его подаче в рабочую зону в псевдоожиженном состоянии. Такие технологии позволяют существенно снизить расход воды, широко применяемой в качестве дисперсионной среды разделения в соответствующих операциях, а в отдельных случаях полностью отказаться от использования воды и перейти к сухим технологиям. 15. Начато исследование вибрационного транспортирования твердых и сыпучих тел по непоступательно вибрирующей поверхности. Обнаружено, что в зависимости от расположения вибраторов относительно центра тяжести можно получить движение материала по направлению к плоскости симметрии или в противоположном направлении. Особенности возникающих движений позволяют рассчитывать на использование результатов при создании новых вибрационных машин для сепарации природных и техногенных материалов. 16. Рассмотрена механико-математическая модель вибрационной машины с тремя степенями свободы и асинхронным электромотором в качестве привода. Схема с тремя степенями свободы позволяет относительно легко определять технологические особенности устройства на разных режимах - в частности, соотношения масс, скорости вращения магнитного поля в асинхронном двигателе и т.д. Более того, в рабочем режиме при снятии информации о фазовых координатах устройства возможно производить управление скоростью вращения магнитного поля для оптимизации технологического процесса, например, дробления конкретного типа руды. 17. Сконструирован, изготовлен и испытан высокоточный лабораторный прибор - устройство для измерения углов откоса сыпучих материалов; показатели значения этих углов используются при расчетах вибрационных транспортирующих и классифицирующих горных и строительных машин. 18. Сконструировано вибрационное классифицирующее устройство и проведены успешные полупромышленные испытания вибрационной технологии утилизации твердой фракции снегоплавления, которые показали возможность эффективного выделения песчаной фракции для последующего рециклинга. 19. Начато промышленное использование вибрационных технологий и машин в ряде новых технологических операций. 20. В рамках проекта были также разработаны: - исходные требования и техническое задание (далее ТЗ) на разработку опытно-промышленного электростатического сепаратора с подачей питания в режиме вибрационного псевдоожижения для разделения порошковых материалов, используемых в аддитивных технологиях, а также технологический регламент для подобных операций; - исходные требования и ТЗ на разработку опытно-промышленного винтового вибрационного классификатора для разделения металлических порошков по форме. - ТЗ на опытно-промышленный сепаратор, работающий по принципу полиградиентной вибрационной классификации по крупности, в том числе, применительно к порошкам для аддитивных технологий и порошковой металлургии, а также оптимальные технологические режимы классификации; - ТЗ на опытно-промышленное устройство - вибрационную конусную дробилку, позволяющую оптимизировать энергетические затраты, в частности, при селективном разрушении твёрдых кусковых материалов, а также оптимальные технологические режимы дробления. 21. В течение 2019 г. опубликовано 23 статьи в журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и «Скопус» (Scopus), 5 патентов на результаты интеллектуальной деятельности и монография.

 

Публикации

1. Арсентьев В.А., Дмитриев С.В., Мезенин А.О., Черкасова М.В. Электростатический сепаратор -, 188448 (год публикации - ).

2. Блехман И.И., Блехман Л.И., Вайсберг Л.А., Васильков В.Б. Энергозатраты в вибрационных транспортно-технологических машинах Обогащение руд, № 1, стр. 18-27 (год публикации - 2019).

3. Блехман И.И., Васильков В.Б., Семенов Ю.А. On vibrotransportation of a material on a surface performing rotary oscillations Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 25, p. 13-19 (год публикации - 2019).

4. Блехман И.И., Кремер Е.Б Stochastic resonance as the averaged response to random broadband excitation and its possible applications Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol 233, Issue 23-24 (год публикации - 2019).

5. Братов В.А., Кривцов А.М. Analysis of energy required for initiation of inclined crack under uniaxial compression and mixed loading Engineering Fracture Mechanics, Volume 216, 106518 (год публикации - 2019).

6. Вайсберг Л.А. Vibration technology research achievements of the Mekhanobr scientific school and their practical implementation Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 25, p. 76-82 (год публикации - 2019).

7. Вайсберг Л.А. Generalized theory of vibratory separation of granular materials IMPC 2018 - 29th International Mineral Processing Congress, p. 384-389 (год публикации - 2019).

8. Вайсберг Л.А., Балдаева Т.М., Герасимов А.М., Иванов К.С., Лазарева В.В., Устинов И.Д. Устройство для измерения угла естественного откоса сыпучего материала -, 187226 (год публикации - ).

9. Вайсберг Л.А., Казаков С.В., Шишкин Е.В. Vibrational disintegration of solid materials in quasiresonant modes IMPC 2018 - 29th International Mineral Processing Congress, p. 297-304 (год публикации - 2019).

10. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. Microtomographic Study of Gabbro-Diabase Structural Transformations Under Compressive Loads ICAM 2019, SPEES, pp. 146–151 (год публикации - 2019).

11. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. Исследование изменения структуры пористости горных пород на разных этапах нагружения Обогащение руд, № 3, стр. 37-42 (год публикации - 2019).

12. Вайсберг Л.А., Кононов О.В., Устинов И.Д. Process Mineralogy as a Basis of Molybdoscheelite Ore Preparation ICAM 2019, SPEES, pp. 152–156 (год публикации - 2019).

13. Вайсберг Л.А., Коровников А.Н., Трофимов В.А. Вибрационный многодечный грохот -, 187606 (год публикации - ).

14. Вайсберг Л.А., Коровников А.Н., Трофимов В.А. Вибрационный грохот -, 187336 (год публикации - ).

15. Вайсберг Л.А., Коровников А.Н., Трофимов В.А. Вибрациoнный многодечный грохот -, 187607 (год публикации - ).

16. Вайсберг Л.А., Сафронов А.Н. Дробильно-измельчительное оборудование вибрационного действия для переработки сырья и промышленных отходов Экология и промышленность России, Т. 23. № 7. С. 4–9 (год публикации - 2019).

17. Вайсберг Л.А., Сафронов А.Н., Никонов И.Н., Зубков Д.Г. Технологии вибрационной переработки отсевов шунгитовой породы для получения эффективного сорбента микотоксинов Экология и промышленность России, Т. 23. № 7. С. 10–14 (год публикации - 2019).

18. Герасимов А.М., Лазарева В.В. Vibration effects on colloidal gas-liquid systems Vibroengineering PROCEDIA, p. 32-35 (год публикации - 2019).

19. Демидов И.Д., Вайсберг Л.А., Блехман И.И. Vibrational dynamics of paramagnetic particles and processes of separation of granular materials International Journal of Engineering Science, Volume 141, Pages 141-156 (год публикации - 2019).

20. Казаков С.В., Шишкин Е.В. Vibrational dynamic system for the reduction of solid materials Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 25, p. 65-69 (год публикации - 2019).

21. Лапин Р.Л., Кузькин В.А. Вычисление нормальной и сдвиговой податливостей трехмерной трещины с учетом контакта между берегами Письма о материалах, №2. С.234-238 (год публикации - 2019).

22. Лапин Р.Л., Мущак Н.Д., Цаплин В.А., Кузькин В.В., Кривцов А.М. Estimation of Energy of Fracture Initiation in Brittle Materials with Cracks State of the Art and Future Trends in Material Modeling, pp 173-182 (год публикации - 2019).

23. Мезенин А.О., Дмитриев С.В., Черкасова М.В. Vibration effects in conditioning of metal powders Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 25, p. 36-41 (год публикации - 2019).

24. Морозов П.Д., Михеев С.А. Mathematical model of the vibration cone crusher with three degrees of freedom Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 25, p. 42-47 (год публикации - 2019).

25. Самуков А.Д. Комплексная переработка отходов щебеночных производств Экология и промышленность России, Т. 23. № 7. С. 15–19 (год публикации - 2019).

26. Самуков А.Д., Черкасова М.В. Vibration recycling technologies for mining and mineral processing waste for construction purposes Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 25, p. 26-31 (год публикации - 2019).

27. Устинов И.Д. Вибрационная технология рециклинга минеральной части отходов снегоплавления Обогащение руд, № 2, стр. 45-48 (год публикации - 2019).

28. Черкасова М.В., Самуков А.Д., Дмитриев С.В. Vibration technologies for producing metal powders Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 25, p. 208-213 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За отчетный период (2020 год) по проекту № 17-79-30056 «Вибрационные технологии переработки различных материалов в передовых интеллектуальных производствах - теория, моделирование, основы создания мехатронных комплексов для их реализации» получены следующие научные результаты: - Отработана технология и получены кондиционные продукты, отвечающие регламентным требованиям аддитивных технологий и порошковой металлургии. Проведены сравнительные испытания разработанных и изготовленных макетов устройств на металлических порошках различных марок и их смесей с целью определения наилучшей эффективности разделения при сепарации. Определены оптимальные режимы сепарации - величина высокого напряжения, конфигурации электродов, величины разряжения в сепарационной камере (мощности вакуумного насоса) и режим предварительного нагрева порошка; - Предложена теория, описывающая вибрационную инжекцию газа в жидкость с параметром ускорения, не превышающим 4g. Опираясь на детальную экспериментальную информацию об образовании пузырьков газа при виброинжекции, удалось более полно объяснить ее с физической точки зрения. Показано, что важным фактором образования пузырька является наличие высокоскоростной струи газа, разгоняющей жидкость вблизи отверстия и придающей пузырьку вытянутую вертикальную форму. Образование пузырька идет в два этапа: рост пузыря при инжекции газа в сосуд и последующий коллапс пузыря с истечением газа из сосуда; вследствие второго этапа размеры пузырьков и оказываются меньше ожидаемого; - Осуществлено моделирование виброинжекции газа в жидкость с помощью boundary integral method, что позволяет прогнозировать конечные размеры пузырьков и реальный расход газа при виброинжекции; при этом результаты численного моделирования хорошо согласуются с натурным экспериментом. Результаты данного исследования могут быть использованы при проектировании диспергаторов газа на основе виброинжекции; - Проведены исследования трехфазных систем «жидкость-газ-твердое» при варьировании частот вибрационного воздействия на скорость прохождения через пенную структуру пробных силикатных частиц различной крупности и формы, как природно-гидрофильных, так и гидрофобизированных. Статистически достоверно установлена разница в скорости прохождения пенного слоя гидрофильными и гидрофобными частицами твердой фазы, а также скорость прохождения твердых частиц округлой (сферической) и угловатой формы. Дано физическое обоснование наблюдаемого характера движения твердых тел, связанное с взаимодействием твердых частиц с межфазными границами в каналах Гиббса пенного слоя. Проведенные исследования позволят сформулировать требования к совершенствованию конструкции флотационных машин различного типа, в том числе, к ресурсосберегающим вибрационным флотомашинам; - Томографическое исследование структуры пористости горных пород показало, что увеличение скорости нагружения приводит к уменьшению абсолютного количества пор, снижению общей пористости, объема порового пространства и концентрации пор. Степень снижения этих показателей находится в зависимости от текстурно-структурных особенностей и физико-механических свойств горных пород. Результаты выполненных исследований косвенно подтверждают выводы о влиянии скорости нагружения на предел прочности при сжатии; - Проведены исследования вибрационной дезинтеграции металлической стружки, изучены особенности и режимные параметры этого метода, а также его сравнение с традиционной технологией измельчения. Приведенные результаты показывают целесообразность и перспективность методов тонкой вибрационной дезинтеграции и позволяют перейти к отдельному, весьма важному направлению исследований, которое следует посвятить углубленному изучению и оптимизации подобных процессов для получения специальных металлических порошков, но с использованием жидких и газовых сред для обеспечения нужного конечного качества, требуемого в особо ответственных изделиях, получаемых аддитивными методами; - Уточнена динамика двухмассных колебательных систем ударного действия. Предложены способы стабилизации рабочего режима на заданных частотах колебаний корпуса и конуса, в частности, до и после порогов Зоммерфельда. Для этого в модель был введен блок временного отключения питания. Эксперименты с модифицированной моделью показали возможность обеспечить таким управлением полноценную устойчивость даже на интервалах неустойчивости; - Закончены теоретические и экспериментальные исследования двухмассной колебательной системы с линейной упругой связью с энергетически оптимальным типом возбуждения колебаний. Разработка и создание вибрационных механических систем с энергетически оптимальным типом возбуждения колебаний, обеспечивающих избирательную, заранее заданную по технологическим соображениям форму колебаний и вибрационный способ воздействия на перерабатываемый материал, позволит существенно снизить энергетические затраты на разрушение твёрдых материалов при их переработке. Кроме того, полученные данные и исходные требования будут являться необходимыми и достаточными для проектирования опытно-промышленных устройств высокой производительности для различных технологий переработки как природного, так и техногенного материала; - Установлено, что при вибрационном способе воздействия на обрабатываемый материал усилие, необходимое для его разрушения, на порядок меньше усилия при «статическом» (медленном) нагружении материала. Получены параметры работы и выявлены численные закономерности, позволяющие перейти к проектированию и созданию цифрового двойника рассмотренного вибрационного устройства; - Обнаружен и исследован эффект периодических пульсаций (циркуляции) энергии в приводе широко распространённых вибрационных машин с инерционным приводом – грохотов, конвейеров, питателей, исследован связанный с ним эффект пульсации частоты в таких устройствах; при этом получены оценки величин пульсации энергии и частоты. На основе анализа нелинейных дифференциальных уравнений системы во втором приближении показано, что в действительности в таких устройствах систематически происходит обмен энергией между ротором и колеблющимся телом. При этом частота вращения ротора колеблется в течение каждого оборота как с исходной частотой, так и с кратными частотами. В результате, ускорение колеблющегося тела также приобретает гармоники с кратными частотами; - Выполнено исследование влияния вибрации на процесс кипения жидкости. Экспериментально получены характерные графики зависимостей температуры начала интенсивного парообразования и пузырькового кипения от параметров вибрации; - Выполнено исследование движения слоя сыпучей среды при вибрационном воздействии, получены формулы для оценки скорости вибрационного транспортирования штучных грузов и сыпучего материала в основных режимах работы вибрационных транспортно-технологических машин. Результаты вычислений по предлагаемым формулам обнаруживают хорошее согласие с известными и специально полученными в данной работе экспериментальными данными; - Разработаны методы вибрационной механики для вращающихся механизмов с высокочастотными колебаниями несущих тел с целью разработки методов управления их низкочастотными характеристиками. Получено общее уравнение для усредненного уравнения вращающегося многомассового механизма с одной степенью свободы при наличии высокочастотных стохастических колебаний носителя. Данное уравнение аналогично исходному уравнению при отсутствии возбуждения с одним модифицированным инерционным коэффициентом в выражении для кинетической энергии и модифицированной диссипативной функцией, которые зависят от интенсивности случайного процесса. Получены общие выражения для положения точки равновесия и для собственной частоты медленных движений вблизи этой точки; - Получена теория сыпучей среды в контексте создания новых высокоэффективных вибрационных машин для ее переработки и моделирование взаимодействия сыпучей среды как гранулярного газа с рабочим органом технологического агрегата c целью энергетической оптимизации процесса переработки материала; - Разработаны новые динамические гасители колебаний маятникового типа. С целью повышения эффективности данных устройств предложено использовать магниты, прикрепляемые к маятнику. Под действием магнитных сил маятник поглощает больше энергии вибрации несущей системы, что приводит к существенному расширению рабочего диапазона частот устройства. Получены выражения, описывающие динамику несущей системы при наличии предложенного нового гасителя колебаний. Найдены оптимальные значения параметров гасителя колебаний, обеспечивающие его максимальную эффективность; - Усовершенствованы конструкции и коммерциализированы совместно с заинтересованными партнерами лабораторные приборы для измерения углов естественного откоса гранулярных материалов и для перемешивания (усреднения) проб сыпучих материалов к измерениям. Разработана технологическая линия для получения высококачественных порошковых материалов. Изготовлен электростатический барабанный сепаратор с вибрационной подачей материала. Создана полупромышленная вибрационная конусная дробилка на основе двухмассной системы с механическими вибровозбудителями колебаний. Данные агрегаты и оборудование успешно коммерциализированы и подготовлены к серийному производству; - Наиболее эффективно к настоящему времени результаты новых исследований и разработок, выполненных в рамках данного проекта, используются в конструкциях вибрационных грохотов. Это связано с тем, что грохоты являются наиболее массовой продукцией НПК «Механобр-техника», имеют объемный рынок и широкий сбыт. Ежегодно по этому направлению выполняется до 50 заказов, при этом возникают принципиально новые технологические задачи, которые невозможно решить с применением ранее созданных машин. Новые знания, полученные благодаря исследованиям, выполненным в данном Проекте, позволяют существенно уточнить методы расчета, интенсифицировать динамические режимы и улучшить технологические показатели; - В течение 2020 г. опубликовано 12 статей в журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (WebofScienceCoreCollection) и «Скопус» (Scopus); - Частично результаты исследований вошли в монографию Л.А. Вайсберг, О.В. Кононов, И. Д. Устинов. Основы геометаллургии (Монография) // Санкт-Петербург: Русская коллекция, 2020.- 376 с.: ил., табл. ISBN 978-5 00067-095-8, вышедшую из печати в 2020 году. https://mtspb.com/nauchnyy-proekt-rnf/

 

Публикации

1. - Школа молодых ученых «Механобр-техники» стала доступна онлайн телеканал «Санкт-Петербург», 11:34, 3 НОЯБРЯ (год публикации - ).

2. - Школа молодых ученых «Механобр-техники» стала доступна онлайн Новости сибирской науки, 29/10/2020 (год публикации - ).

3. - Школа молодых ученых по современному состоянию науки и междисциплинарных областях знаний Администрация Санкт-Петербурга, 28 октября 2020 г. (год публикации - ).

4. - ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ Научная деятельность | Горный университет, ноя 2020 в 19:16 (год публикации - ).

5. - Школа молодых ученых 78 Новости, 02.11.2020 (год публикации - ).

6. Блехман И.И., Блехман Л.И., Васильков В.Б. Engineering model of the vibrational transportation process Vibroengineering Procedia, Vol. 32, p. 26-31 (год публикации - 2020).

7. Булдаков П.Ю., Каменева Е.Е., Кузькин В.А., Кривцов А.М. Алгоритм обработки результатов микротомографии горных пород с использованием открытого программного обеспечения Обогащение руд, № 1, стр. 3-7 (год публикации - 2020).

8. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. X-ray computed microtomography as the basis for mineral processing improvement : review Eurasian mining, No. 1. pp. 46–52 (год публикации - 2020).

9. Герасимов А.М., Григорьев И.В., Устинов И.Д. Особенности определения углов естественного откоса гранулярных материалов Обогащение руд, № 4, с. 48-52 (год публикации - 2020).

10. Герасимов А.М., Еремина О.В., Лазарева В.В., Ясинская А.В. Vibration effects on colloidal three-phase systems Vibroengineering Procedia, Vol. 32, p. 58-61 (год публикации - 2020).

11. Демидов И.Д., Михайлова Н.В., Ясинская А.В., Самуков А.Д. Development of the theory of vibratory injection of gas into liquid Vibroengineering Procedia, Vol. 32, p. 216-222 (год публикации - 2020).

12. Женг А., Сорокин В.С., Ли Х. Dynamic analysis of a new autoparametric pendulum absorber under the effects of magnetic forces Journal of Sound and Vibration, Volume 485, 115549 (год публикации - 2020).

13. Кремер Е.Б. Vibrational Mechanics of Systems with Amplitude and Phase Modulation of Excitation Nonlinear Dynamics of Structures, Systems and Devices, Volume 1. Pages 35-41 (год публикации - 2020).

14. Морозов П.Д., Михеев С.А. Stochastic model of the stroke of a two-mass cone crusher Vibroengineering Procedia, Vol. 32, p. 45-51 (год публикации - 2020).

15. Сорокин В.С. Vibrations of a nonlinear stochastic system with a varying mass under near resonant excitation Journal of Vibration and Control, Vol 26, Issue 17-18 (год публикации - 2020).

16. Черкасова М.В., Самуков А.Д., Гончаров И.Д., Мезенин А.О. Influence of the metal chips disintegration method on the physical and mechanical properties of metal powders obtained Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 32, p. 32-37 (год публикации - 2020).

17. Черкасова М.В., Самуков А.Д., Ржанкова Н.Б., Дмитриев С.В. Energy consumption in the manufacture of metal powders by vibratory disintegration methods Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 32, p. 52-57 (год публикации - 2020).