МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КОЛОСОВ Дмитро Леонідович

УДК 622.673+539.4

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТА КОНСТРУКЦІЙ

ДВОШАРОВИХ ГУМОТРОСОВИХ КОНВЕЄРНИХ СТРІЧОК

ДЛЯ ГІРНИЧИХ ПІДПРИЄМСТВ

Спеціальність 05.05.06 – гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі рудникового транспорту Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Біліченко Микола Якович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри рудникового транспорту (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бельмас Іван Васильович, Дніпродзержинський технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри металургійного обладнання (м. Дніпродзержинськ),

кандидат технічних наук, доцент Смирнова Наталія Володимирівна, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України (м. Кривий Ріг).

Провідна установа Інститут геотехнічної механіки НАН України Міністерства освіти і науки України, відділ механіки машин і процесів переробки мінеральної сировини (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться “ 30 ” жовтня 2002 р. у 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Автореферат розісланий “ 29 ” вересня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої

ради, кандидат технічних наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Конвеєрний транспорт належить до основних видів транспорту на гірничовидобувних підприємствах України завдяки високій продуктивності й економічності. Особливість конвеєрів гірничих підприємств в їх великій потужності і довжині транспортування. Основні недоліки стрічкових конвеєрів дорожнеча конвеєрної стрічки і короткий термін її служби. У практиці експлуатації трапляються аварійні руйнування стрічок і передусім їх стикових з'єднань, що призводить до значної втрати продуктивності гірничих підприємств.

До 1994 р. Україна не виробляла гумотросових стрічок (ГТС) і закуповувала за кордоном, переважно в Росії (АТ “Курскрезинотехника”). Ремонтно-механічний завод комбінату “Кривбасзалізорудком” на основі наукових досліджень Національного гірничого університету (НГУ) вперше в Україні змонтував технологічну лінію з виробництва гумотросових конвеєрних стрічок, що дає змогу випускати до 200 м стрічки за добу. Набутий досвід випуску конвеєрних стрічок міцністю 1000 Н/мм ширини осердя на базі оцинкованого троса діаметром 4,2 мм засвідчив, що оснащення, технологія та нові технічні рішення дозволяють забезпечити високу міцність зв'язку між тросом і гумою (Нв >  Н/мм), що перевищує світовий рівень для цього показника. Це дало можливість поставити задачу створення вітчизняних гумотросових конвеєрних стрічок міцністю до 6000 Н/мм ширини осердя. Такими високоміцними стрічками можна користуватися не лише на високопродуктивних конвеєрах гірничого виробництва, а й на конвеєрах порівняно низької продуктивності, що збільшить запас міцності та підвищить термін служби стрічок.

Завдання ускладнюється тим, що створення високоміцних ГТС досягається за рахунок використання сталевих тросів з високою границею міцності. Відомі заводи з виробництва сталевих тросів (Одеський, Харцизький) можуть забезпечити границю міцності дротів лише до в = ...1800 Н/мм2, тоді як закордонні фірми досягають значення в = ...3000 Н/мм2. Тож для використання вітчизняних тросів необхідні нові технічні рішення, які б зробили реальним створення стрічок високої міцності за рахунок застосування інших конструкцій гумотросових стрічок, наприклад, двошарової структури. Тема дисертаційної роботи й відзначається актуальністю, адже отримані автором результати вперше в Україні відкривають шлях до виробництва гумотросових конвеєрних стрічок високої міцності на основі металотросів, виготовлених вітчизняними дрото-канатними заводами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота складова наукових досліджень кафедри будівельної та теоретичної механіки НГУ і виконана у межах держбюджетних тематик: ДП-212 з № держреєстрації 0197U016030 – “Розробити теоретичні принципи і технічні рішення підвищення довговічності та тягової спроможності шахтних канатів і конвеєрних стрічок”, 1997-1999 р р.; ДП-247 з № держреєстрації 0100U001819 – “Розробка теорії та методів розрахунку напружено-деформованого стану гнучких тяговонесучих систем з розподіленими параметрами”, 2000-2002 р р.

Мета роботи та задачі досліджень. Мета роботи - розробка методів розрахунку і обгрунтування раціональних параметрів та конструкцій високоміцних конвеєрних стрічок для гірничих підприємств.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- розробити конструктивні рішення створення високоміцних двошарових гумотросових конвеєрних стрічок (міцністю до 6000 Н/мм ширини осердя) на основі тросів вітчизняного виробництва;

- розробити та дослідити математичну модель напружено-деформованого стану (НДС) двошарових гумотросових стрічок при згині на барабані конвеєра з урахуванням конструктивних особливостей стрічки;

- розробити та дослідити математичну модель НДС стрічок запропонованих конструкцій при пошкодженні тросової основи, що дозволить оцінити перерозподіл зусиль у цілих тросах та обгрунтувати раціональні конструкції гумотросових стрічок;

- розробити та дослідити математичну модель НДС стикових з'єднань двошарових гумотросових стрічок, розробити конструкції стикових з’єднань з агрегатною міцністю не менше 95% від міцності цілої стрічки і обгрунтувати їх раціональні параметри.

Об'єкт дослідження – двошарова гумотросова конвеєрна стрічка.

Предмет дослідження – напружено-деформований стан: двошарової гумотросової стрічки при її взаємодії з привідним та непривідним барабанами конвеєра; при зруйнуванні окремих тросів в одному поперечному перерізі стрічки на прямолінійній ділянці конвеєра; стикових з'єднань для стрічок двошарової конструкції.

Ідея роботи полягає в підвищенні агрегатної міцності гумотросових стрічок за рахунок збільшення площі поперечного перерізу тросів при їх розташуванні у два шари та в підвищенні міцності стикового з'єднання ГТС із збільшенням площі взаємодії металотросів і гумової матриці в поперечному перерізі стрічки.

Методи досліджень. Поставлені завдання вирішувалися шляхом узагальнення та аналізу літературних джерел, у процесі теоретичних досліджень з проведенням необхідних експериментальних вимірів. У теоретичних дослідженнях напружено-деформованого стану ГТС використовувалися положення та методи теорії пружності, математичної статистики, а в експериментальних – апробовані методи лабораторних досліджень.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. При згині двошарової гумотросової стрічки на барабані зусилля в шарах тросів залежать від радіуса барабана, відстані між шарами тросів, механічних характеристик гуми та тросів. На привідному барабані при цьому, внаслідок виникаючих згинальних напружень, зусилля в більш віддаленому від барабана шарі тросів збільшуються на величину до 80%, а від передачі тягового зусилля тертям зменшуються на 30% від зусилля в набіжній гілці (для реальних діапазонів діаметрів барабанів).

2. Крок укладки тросів у шарах та між шарами впливає на максимальний коефіцієнт перевантаження kj,i в перерізі з пошкодженими тросами незалежно від механічних характеристик троса і гуми. Цей коефіцієнт набуває мінімального значення (kj,i =1,35) при рівному кроці укладки тросів у шарах та між шарами.

3. Довжина стикових з'єднань двошарових гумотросових конвеєрних стрічок повинна становити не менше: 0,55 м для стику з шаховим розташуванням тросів у поперечному перерізі стрічки; 0,7 м для стику з переміжним розташуванням тросів; 1,1 м для східчастого стику. Збільшення довжини стику вище мінімального значення викликає незначне (менше 4%) підвищення його агрегатної міцності.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше розроблено математичні моделі напружено-деформованого стану: двошарової гумотросової стрічки при пошкодженні тросової основи на прямолінійній ділянці конвеєра; стикових з'єднань стрічок двошарової конструкції; при згині двошарової гумотросової стрічки на барабані конвеєра з урахуванням прикладання тягового зусилля до стрічки, деформування гуми на стиск та згинальної жорсткості тросів.

2. Установлено вплив параметрів двошарової ГТС, механічних характеристик гуми і тросів, а також діаметра барабана на перерозподіл зусиль між шарами тросів.

3. Установлено закономірності перерозподілу зусиль між шарами тросів та по довжині ГТС при руйнуванні декількох тросів в одному перерізі двошарової гумотросової стрічки.

4. Обгрунтовано раціональні параметри стикових з'єднань та параметри типорозмірного ряду двошарових гумотросових конвеєрних стрічок міцністю до Н/мм ширини осердя.

Обгрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечуються використанням фундаментальних положень теорії пружності, адекватністю математичних моделей перерозподілу зусиль між цілими тросами в двошаровій гумотросовій стрічці при руйнуванні окремих тросів з аналогічними дослідженнями інших авторів для одношарових ГТС, задовільною збіжністю теоретичних та експериментальних результатів міцності стикових з'єднань двошарових гумотросових стрічок (розбіжність величин не перевищує 10% при довірчій імовірності 0,95).

Наукове значення роботи зводиться до розробки нових математичних моделей: напружено-деформованого стану двошарових ГТС при взаємодії з непривідним і привідним барабанами конвеєра з урахуванням деформацій стиску і зсуву гуми між шарами тросів та згинальної жорсткості тросів; напружено-деформованого стану двошарових ГТС при пошкодженні окремих тросів в одному перерізі стрічки та напружено-деформованого стану стикових з'єднань двошарових гумотросових стрічок і обгрунтуванні на їх основі параметрів та конструкцій двошарових гумотросових стрічок і їх стикових з'єднань.

Практичне значення роботи – в обгрунтуванні параметрів типорозмірних рядів двошарових ГТС на основі тросів діаметром 4,2...5,6 мм і розробці методики розрахунку параметрів стикових з'єднань двошарових гумотросових стрічок.

Реалізація результатів роботи. Основні наукові та практичні результати роботи використані при розробці: технічних умов “Стрічки конвеєрні гумотросові двошарові міцністю 1500...6000 Н/мм ширини осердя” (ТУ У 016-002-010) на експериментальну партію 1000 пог. м, переданих для використання комбінату “Кривбасзалізорудком”, методичних рекомендацій щодо розрахунку стикових з'єднань двошарових гумотросових конвеєрних стрічок.

Особистий внесок здобувача: визначення завдань досліджень, мети та ідеї роботи, наукових положень; розробка математичних моделей і вибір методів досліджень; розрахунково-теоретичні дослідження та експериментальні виміри; аналіз отриманих результатів; формулювання висновків; розробка методичних рекомендацій стосовно можливого застосування результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні її положення повідомлено і обговорено на: наукових семінарах кафедри рудникового транспорту НГУ (1999-2001); міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми та перспективи розвитку гірничої механіки” (м. Дніпропетровськ, Національна гірнича академія України, 1999); наукових симпозіумах “Неделя горняка” (м. Москва, Московський державний гірничий університет, 2001, 2002); науковому семінарі кафедри механіки машин та робототехніки (м. Москва, Московський державний вечірній металургійний інститут, 2001); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (м. Дніпропетровськ, Національний гірничий університет, 2002).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 статей у фахових виданнях, з них шість без співавторів, отримано 4 патенти України, 2 – матеріали конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 82 назв і викладена на 164 сторінках, у тому числі 78 рисунків, 11 таблиць і 2 додатків на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У розділі 1 розглянуто визначні праці з розробки методів розрахунку конвеєрної стрічки як композитної конструкції та аналізу її напружено-деформованого стану (І.В. Бельмас, Є.М. Височин, В.Г. Дмитрієв, Є.Х. Завгородній, Ю.Г. Євтухов, О.В. Коваль, Г.Г. Кожушко, Л.В. Колосов, М.А. Котов, А.М. Обухов та ін.). Питання розрахунку, контролю стану, умови безпечної експлуатації конвеєрних стрічок вивчали такі вчені, як М.Я. Біліченко, Б.О. Кузнєцов, О.О. Співаковський, Л.Г. Шахмейстер та ін.

Аналіз досліджень і робіт, виконаних згаданими та іншими авторами, виявив:

- шляхи вдосконалення високоміцних ГТС, що спрямовані на збільшення агрегатної міцності стрічки в цілому і полягають в нарощенні діаметра та міцності застосовуваних у стрічці металотросів, мають ряд істотних недоліків. Так, використання тросів великого діаметра пов'язане із зростанням згинальних напружень у стрічці, а зменшення кроку укладки тросів у стрічці обумовлює низьку міцність одержуваних стикових з'єднань (менше 67% від міцності цілої стрічки). Відсутність у номенклатурі вітчизняних канатних заводів металотросів з високою границею міцності дротів (в  Н/мм2) не дає можливості створювати високоміцні стрічки на їх основі і вимагає розробки нових конструктивних рішень ГТС;

- існуючі математичні моделі, що описують напружено-деформований стан гумотросової конвеєрної стрічки, не дозволяють здійснювати аналіз інших конструктивних схем, крім традиційних одношарових конструкцій (один ряд паралельних тросів).

З аналізу проведених досліджень сформульовані мета і завдання роботи.

Розроблено конструктивні рішення відносно створення двошарових гумотросових конвеєрних стрічок міцністю до 6000 Н/мм ширини осердя.

У розділі 2 для оцінки працездатності двошарової гумотросової стрічки під час роботи на барабані конвеєра розроблено та досліджено математичну модель двошарової гумотросової стрічки при згині на непривідному і привідному барабанах конвеєра.

При згині на циліндричному барабані всі троси одного шару деформуються практично однаково.

Рівняння деформування більш віддаленого від барабана троса

(1)

де d  діаметр тросів; E  модуль пружності троса; Eр, G  відповідно модулі пружності гуми на розтяг та зсув; t  відстань між тросами;   коефіцієнт форми гуми.

Розглядався згин на барабані пари тросів, розташованих у різних шарах. Тросам присвоювали номери 1 і 2 (1 – для троса верхнього шару). Поздовжні переміщення u, поперечні w. Параметри u та w на прямолінійній ділянці позначали рискою над відповідною величиною, ті ж параметри для криволінійної ділянки рисок не мали. Вважали, що двошарова стрічка в перерізі x(точка набігання стрічки на барабан) змінює свій радіус від R до нескінченного, на іншій довжині два даних троси навантажені силою Р (рис. 1). Поперечний переріз стрічки відображено на рис. 4. Зазначені умови записували в математичній формі, розбивши стрічку на дві ділянки:

Розв’язання системи диференціальних рівнянь деформування тросів здійснювалося аналітично. Графік відносних подовжень тросів на випадок згину двошарової стрічки на основі тросів діаметром 4,2 мм, укладених з кроком між шарами 2 мм при згині на барабані діаметром 1,6 м при робочому подовженні 0,2%, наведений на рис. 2

На графіку координата 0,4 м відповідає перерізу початку контакта стрічки та барабана. На рисунку видно: із збільшенням координати х у межах контакта з барабаном зусилля зменшуються, що свідчить про вплив крайового ефекту і відповідно скривлення плоских перерізів стрічки при згині на барабані. Найбільш небезпечний перерозподіл зусиль між тросами, коли перевантажений зовнішній трос, адже навантаження на нього тільки від згину становить 0,65 від номінального.

У роботі також розглянуто взаємодію стрічки з привідним барабаном та зміну її напружено-деформованого стану, обумовлену прикладанням сили тертя до одного троса. Оскільки згин стрічки аналізувався вище, а задачі лінійні, для них прийнятна суперпозиція розв’язків. Беручи, що поверхня барабана нерухома, умови рівноваги тросів можна записати у вигляді

, (4)

де kG – коефіцієнт форми гуми, розташованої між тросами; tf – наведена товщина футерівки барабана та обкладки стрічки; ub – переміщення точок, розташованих на поверхні барабана.

За результатами аналітичного розв’язку системи рівнянь (4) побудовані графічні залежності на рис. 3, початок координат відповідає точці збігання стрічки з привідного барабана.

Дослідження графіків засвідчили, що зусилля, сприймане більш віддаленим від барабана тросом на ділянці взаємодії з барабаном, зменшується на величину порядку 30% від зусилля в набіжній гілці. При цьому мінімальний натяг має місце в середній частині ділянки взаємодії з барабаном. Таке зменшення частково компенсує збільшення натягу через згин. Максимальне робоче навантаження, що дорівнює 100%, діє тільки біля привідного барабана. Ефект зменшення зусиль у зовнішньому тросі від передачі сили тертям практично залежить тільки від довжини дуги контакту, а із збільшенням довжини дуги контакта він зменшується.

Розділ 3 присвячений розробці та дослідженню математичної моделі, що описує напружено-деформований стан двошарової гумотросової стрічки при руйнуванні тросової основи.

Зсувна математична модель двошарової ГТС, поперечний переріз якої подано на рис. 4, описується системою з 2n лінійних диференціальних рівнянь другого порядку:

де uj,i – поздовжнє переміщення i-го троса, що у j шару, i = , 2, …, n; n – кількість тросів у шару, j =1, 2; ; h1 , h2 – відстані між тросами; h3 – відстань між тросами першого і другого шарів; A – жорсткість троса при розтягуванні, A=EF (F – площа перерізу металу в поперечному перерізі троса); при i непарному n*= , n**=1, при i парному n*=1, n**=.

Узяті позначення розмірів у поперечному перерізі ГТС зображені на рис. 4.

Розв’язування наведеної системи (5) здійснювалося числовими методами на ПЕОМ у межах математичного пакета MathCAD 2000 Pro за два етапи. Спочатку за заданими граничними умовами визначалися значення змінних uj,i та їх перших похідних при x = , чим математично задача зводилася до задачі Коші. Далі, використовуючи знайдені на першому етапі початкові умови, відбувався числовий розв’язок системи рівнянь методом Рунге-Кутта. Розглянута математична модель дає змогу дослідити НДС стикових з'єднань ГТС та випадок пошкодження тросової основи стрічки. Досліджувався напружений стан двошарової гумотросової стрічки при n = .

Граничні умови, що описують НДС стрічки при пошкодженні тросової основи в одному її перерізі (переріз стрічки взятий за початок координат, вісь х спрямована вздовж осі стрічки), наведені нижче:

у перерізі стрічки з дефектом (х 0) переміщення цілих тросів дорівнюють нулю , перша похідна від відповідних переміщень пропорційна зусиллю в тросі. Ці значення не можуть бути визначені заздалегідь, однак можна задати граничні умови в будь-якому іншому перерізі (x =). У розглянутому перерізі (x) усі переміщення тросів рівні між собою , крім того, зусилля в тросах поступово вирівнюються, прагнучи до середнього значення зусилля , тобто при .

При обчисленнях варіювали параметрами h1, h2, h3, що визначають розташування тросів у стрічці. Порівнювали дві схеми розташування тросів:

1. У пучку два троси (верхній і нижній). При цьому крок укладання тросів приймався постійним, h12;

2. По чотири троси в пучку, (рис. 4).

Моделювалося пошкодження одного, двох, трьох та чотирьох тросів при їх різному розташуванні по перерізу стрічки.

Напружено-деформований стан тросів у ГТС характеризується безрозмірним коефіцієнтом концентрації зусиль , що дорівнює відношенню зусилля в даному тросі до середнього зусилля , яке припадає на кожен трос стрічки без дефектів.

У результаті числового розв’язку отримані графічні залежності змін зусиль у тросах та переміщень перерізів тросів по довжині стрічки.

Як приклад на рис. 5, 6 зображені графіки зміни коефіцієнта концентрації зусиль на випадок пошкодження двох крайніх тросів у сусідніх шарах і переміщення x перерізів обірваних та цілих тросів по довжині стрічки l.

Порівняльний аналіз показує, що найбільше перевантажені троси, сусідні з обірваним, перевантаження решти тросів значно менше і знижується в міру віддалення від пошкодженої ділянки незалежно від того, в якому шару розташований пошкоджений трос. Віддаляючись від перерізу з дефектом, зусилля в тросах вирівнюються до середнього значення .

Порівняння графіків, які описують навантаження тросів при різних схемах укладки тросів доводить, що зона пошкодження за схемою 1 (h1=h2) характеризується більшим градієнтом напружень, ніж за схемою 2 (). Це обумовлено тим, що найближчий до пошкодженого трос в одному шару сприймає значне навантаження. При поривах тросів зусилля в них та максимальні дотичні напруження згасають на незначних довжинах (до 1 м) за різних пошкоджень. Найбільш небезпечний випадок пошкодження декількох сусідніх тросів (пучок) в одному перерізі стрічки. До того ж максимально перевантаженими (кj,i 2) виявляються троси, сусідні з пошкодженими. Отже, під час пошкодження тросової основи краще укладати по чотири троси у кожному пучку з мінімальною технологічною відстанню між тросами (рис. 4).

Якщо переміщення між шарами тросів відсутнє, система (5) розпадається на дві незалежні системи рівнянь, кожна з яких еквівалентна відомій зсувній математичній моделі одношарової конвеєрної стрічки. Таким чином, застосовувана раніше математична модель одношарової конвеєрної стрічки є окремим випадком системи (5). З метою перевірки вірогідності числового математичного моделювання зіставлено результати, отримані при розв’язанні системи (5), з аналітичними та експериментальними результатами досліджень НДС одношарової гумотросової конвеєрної стрічки. Розбіжність між кінцевими розв’язками не перевищила 2...3%.

У розділі 4 досліджено математичну модель напружено-деформованого стану стикових з'єднань двошарових гумотросових стрічок, зроблено оцінку збільшення довговічності ГТС при переході на стрічки двошарової конструкції.

Довговічність ГТС багато в чому залежить не лише від міцності та якості самої стрічки, а й від міцності стикового з'єднання. Найбільш міцне і відночас просте у виготовленні односхідчасте стикове з'єднання з коефіцієнтом перекриття k = . У високоміцних ГТС одношарової конструкції можливість використання зазначеного стикового з'єднання обмежена, а застосування багатосхідчастих стиків призводить до значного зниження їх міцності (50...70% від агрегатної міцності стрічки). Конструкція двошарової стрічки дозволяє використовувати односхідчастий стик.

Для опису математичної моделі стикового з'єднання використовувалися диференціальні рівняння (5), що характеризують напружений стан тросової основи. Досліджувалися такі можливі конструкції стикових з'єднань: троси розташовані в шаховому порядку, парне чергування тросів у стику та східчастий стик внапусток. У першому випадку кожен некрайній трос однієї стрічки взаємодіє з трьома тросами іншої стрічки, а крайні троси взаємодіють з двома тросами іншої стрічки. У другій схемі кожен з некрайніх тросів однієї стрічки перебуває у зв’язку з двома тросами іншої стрічки, а крайні троси з одним тросом іншої стрічки. У східчастому стиковому з'єднанні шар тросів однієї стрічки через гумовий прошарок взаємодіє з шаром тросів іншої стрічки. Унаслідок того, що кожен з тросів однієї стрічки взаємодіятиме лише з одним тросом іншої стрічки, стик виходить найменш міцним з розглянутих. Цей стик, проте (на відміну від аналізованих) може бути виконаний не тільки методом гарячої вулканізації, а й холодної.

Граничні умови по краях стику, в якому троси покладені в шаховому порядку, подані нижче.

Для непарних значень j = , 2, 3, 5, …, n-1 при i = , а для парних – при i = ;

Для парних значень j = , 4, 6, 8, …, n при i = , а для непарних – при i = .

Початок координат було вміщено в лівому (нерухомому) перерізі стику, вісь х спрямована вздовж осі стикового з'єднання. При розв’язку системи диференціальних рівнянь (5) за заданими вище граничними умовами задавалися переміщенням правого перерізу стику на величину . Фізично дана модель відповідає розтягненню стрічки в затискачах випробувальної машини, коли один кінець стрічки кріпиться до нерухомого затискача, а другий до рухомого, якому задається переміщення . У результаті числового розв’язання диференціальних рівнянь за описаною методикою знайдені значення переміщень перерізів тросів та зусилля в них. Характер зміни зусиль та переміщень для стикового з'єднання з шаховою укладкою тросів відображено на рис. 7 і 8.

На рис. 7 і 8 уведені такі позначення: криві 1, 2, 3, 4 відповідають тросам верхнього шару лівого кінця стрічки, а криві 1, 2, 3, 4 тросам її правого кінця, при цьому криві 1 та 1 відповідають крайнім тросам.

Отримані значення зусиль у тросах дають можливість установити характер перерозподілу тягового зусилля між тросами, якій визначається значенням коефіцієнта концентрації зусиль у тросах

(6)

і відносною агрегатною міцністю стикового з'єднання

, (7)

де с – коефіцієнт нерівномірності укладки тросів у стрічці.

Спираючись на отримані результати переміщень перерізів тросів, знайдені значення дотичних напружень у гумовому прошарку між двома сусідніми тросами, визначення яких здійснювалося за формулою

. (8)

Рис. 9 відбиває закон зміни дотичних напружень у гумовій матриці в одному з шарів стрічки по довжині стику. Тут 1 і 1 дотичні напруження, що виникають у крайніх тросів, 2 і 2 у внутрішніх тросах. Як випливає з графіків, найбільші дотичні напруження – у крайніх тросів у місці їх входу в стик.

Мінімальні дотичні напруження відповідають середині стику. Досліджено вплив довжини стику (lст = ,2...6,0 м) на характер зміни дотичних напружень. При цьому відзначено закономірність: із збільшенням довжини стикового з'єднання значення максимальних і мінімальних дотичних напружень зменшується, однак це зниження відбувається до певного граничного значення.

При збільшенні довжини стику понад значення, за якого мінімальні дотичні напруження в некрайніх тросах близькі до нуля, зниження максимальних дотичних напружень припиняється. Подальше збільшення довжини стику призводить лише до зростання зони (у середині стику), де значення дотичних напружень близькі до нуля, тобто ця частина стикового з'єднання практично не бере участі у передачі тягового зусилля від лівого кінця стрічки до правого.

Описані вище зміни дотичних напружень, що виникають у крайніх тросів (як найбільш небезпечних) для стику з шаховою (крива 1), поперемінною (крива 2) та східчастою укладкою (крива 3) відображені на рис. 10. Завдяки отриманій графічній залежності можна визначити мінімальне та максимальне значення довжини стикового з'єднання.

Мінімальна довжина стику знаходиться з умови, що максимальні дотичні напруження, які виникають у крайніх тросів, не перевищують допустимих напружень у зв'язку між гумою та тросами. Міцність зв'язку гуматрос визначається експериментально і характеризується значенням його міцності на вирив троса Нв.

Як виявили випробування конвеєрних стрічок різних конструкцій, значення цього показника може змінюватися в широких межах (Нв ...120 Н/мм й більше) і багато в чому визначається технологією їх виготовлення. Максимальне значення показника Нв фізично відповідає умові рівноймовірності руйнування як тросів, так і гумової матриці під дією руйнівного навантаження. Максимальна довжина стику визначається з умови, коли мінімальне значення дотичних напружень у стику досягне значення нуля. Подальше збільшення довжини стику істотно не знижує max, а лише збільшує довжину площадки, на якій дотичні напруження дорівнюють нулю.

Результати розрахунку агрегатної міцності та довжини стикового з'єднання для трьох різних схем укладки тросів подані в таблиці. Як видно з таблиці, найбільш міцний стик з шаховою укладкою тросів, його відносна агрегатна міцність становить 0,96. Таку міцність стикового з'єднання неможливо одержати на одношарових конвеєрних стрічках, а ця конструкція має також найменшу довжину стику.

У деяких випадках (виготовлення тимчасового стику, неможливість у даний момент здійснити гарячу вулканізацію) може бути застосований східчастий стик, позитивна якість якого у можливості стикування методом холодної вулканізації.

Таблиця – Основні характеристики стикових з'єднань двошарових конвеєрних стрічок

Схема укладки тросів | Коефіцієнт перекриття тросів

у стику k | Коефіцієнт концентрації зусиль у тросі | Відносна агрегатна міцність ст | Довжина стику L*, м

min | max

У шаховому порядку | 2 | 1,06 | 0,96 | 0,55 | 1,5

Парне чергування | 2 | 1,19 | 0,88 | 0,7 | 1,6

Східчаста | 1 | 1,0 | 0,50 | 1,1 | 1,8

Примітка: довжина стику з урахуванням перехідних ділянок.

Термін служби конвеєрної стрічки можна визначити за відомою залежністю

,

де база випробувань; n0 – обмежена відносна границя витривалості при віднульовому циклі; и – напруження від згину на барабані; в – границя міцності дротів троса; m – коефіцієнт регресії, установлений раніше для ГТС експериментально; kд коефіцієнт динамічності.

Порівняння довговічності дво- та одношарової конвеєрних стрічок виявило, що застосування двошарових конструкцій стрічок на основі тих же металотросів, що й одношарових, дасть змогу збільшити міцність одиниці ширини осердя, чим підвищить статичний коефіцієнт запасу міцності стрічки nс. Крім того, зниження коефіцієнта перевантаження тросів, обумовлене наявністю пошкодженої тросової основи kт і коефіцієнта перевантаження тросів у стиковому з'єднанні kп, викликане застосуванням односхідчастого стику з шаховою укладкою тросів, дозволить збільшити довговічність стрічки в 2...3 рази. Це особливо актуально з огляду на високу вартість конвеєрної стрічки ( ...150$ за 1 м2) та великий обсяг конвеєрних стрічок, експлуатованих на гірничих підприємствах України.

ВИСНОВКИ

Вирішено наукову задачу з обгрунтування раціональних параметрів і конструкцій двошарових гумотросових конвеєрних стрічок та їх стикових з'єднань; розроблено науково обгрунтовану методику розрахунку стикових з'єднань двошарової гумотросової стрічки. Розв’язано вагому науково-технічну задачу щодо збільшення експлуатаційної міцності та ресурсу конвеєрних стрічок і їх стикових з'єднань.

Найбільш важливі результати, висновки та рекомендації:

1. Установлено, що створення високоміцних ГТС на основі дротів вітчизняного виробництва (Харцизький і Одеський дрото-канатні заводи) при загальноприйнятих схемах розташування тросів (один шар паралельних тросів) неможливе. Розроблено конструктивні рішення відносно створення двошарових гумотросових конвеєрних стрічок міцністю до 6000 Н/мм ширини осердя.

2. Уперше обгрунтовано та розроблено математичну модель напружено-деформованого стану двошарової гумотросової конвеєрної стрічки, що дозволила оцінити перерозподіл зусиль у цілих тросах по шарах тросів, ширині ГТС та довжині тросів при пошкодженні тросової основи, обгрунтувати параметри та конструкції гумотросових стрічок і стикових з'єднань.

3. Установлено, що при згині двошарової гумотросової стрічки на привідному барабані зусилля в більш віддаленому від барабана тросі збільшуються на величину до 65...80% для стрічки на основі троса діаметром 4,2 мм і зменшуються від прикладання тягового зусилля тертям на 30%. Величина цього зусилля зростає зі зменшенням довжини дуги контакта стрічки та барабана.

4. Визначено, що крок укладки тросів у шарах і між шарами впливає на максимальний коефіцієнт перевантаження kj,i у перерізі з пошкодженими тросами. Цей коефіцієнт набуває мінімального значення (kj,i = ,35) при однаковому розташуванні тросів у шарах (рівному кроці укладки тросів у шарах і між шарами).

5. Виявлено, що при поривах тросів зусилля в них та максимальні дотичні напруження згасають на незначних довжинах (до 1 м) у різних випадках пошкоджень. Найбільш небезпечний випадок пошкодження декількох сусідніх тросів (пучок) в одному перерізі стрічки. Тоді максимально перевантаженими (кj,i > ) виявляються троси, сусідні з пошкодженими. Під час пошкодження тросової основи краще вкладати по 4 троси в кожному пучку з мінімальною технологічною відстанню між тросами.

6. Установлено, що максимальні напруження, що виникають у крайньому тросі, практично не залежать (з числом тросів n  у шарі) від кількості тросів у стику, що дозволяє розраховувати стикове з'єднання стрічки з довільної кількості тросів за тією ж методикою, що й з восьми тросів.

7. Доведено, що найменшу довжину стикового з'єднання (0,55 м) має стик із шаховим розташуванням тросів, а найбільшу – східчастий стик внапусток (1,1 м). Збільшення довжини стику вище мінімального призводить до незначного (менше %) підвищення його агрегатної міцності.

8. Показано, що стрічки двошарової конструкції порівняно з одношаровими відзначаються збільшеним значенням співвідношення периметра тросів та величини тягового зусилля. Збільшення цього співвідношення викликає зростання міцності стикових з'єднань і дає змогу використовувати троси на основі дротів, виготовлених за сучасними технологіями з границею їх міцності до в = Н/мм2 і більше.

9. При виконанні дисертаційної роботи розроблені технічні умови “Стрічки конвеєрні гумотросові двошарові міцністю 1500...6000 Н/мм ширини осердя” (ТУ У 016-002-010) на експериментальну партію 1000 пог. м і методичні рекомендації з розрахунку стикових з'єднань двошарових гумотросових конвеєрних стрічок, які передані для використання комбінату “Кривбасзалізорудком”.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Колосов Д.Л. О долговечности лен-точно-тягового органа ленточного питателя // Вибрации в технике и технологиях. – 1998. – №5(9). – С. 39-40.

2. Колосов Д.Л. Об изгибной жёсткости и изгибных напряже-ниях металлотросов резинотросовых лент // Вибрации в технике и технологиях – 1999. – №3(12). – С. 7-9.

3. Биличенко Н.Я., Колосов Д.Л. Основные научно-технические задачи по созданию отечествен-ных резинотросовых конвейерных лент // Науковий вісник НГА України. 1999. – №3. – С. 79-81.

4. Колосов Д.Л. О напряжённо-дефор-мированном состоянии резинотросовой ленты при кручении тросов // Науковий вісник НГА України. – 1999. – №6. – С. 89-92.

5. Колосов Л.В., Колосов Д.Л. Анализ результатов испытаний образцов резинотросовых уравновешивающих канатов // Збірник наукових праць НГА України. Дніпропетровськ. 2000. №10. – С. 240-243.

6. Колосов Д.Л. Обоснование параметров и конструкций отечественных резинотросовых конвейерных лент // Науковий вісник НГА України. – 2000. – №6. – С. 48-54.

7. Ропай В.А., Колосов Д.Л. Математическая модель напряженно-деформированного состояния двухслойной резинотросовой ленты с порывами отдельных тросов // Науковий вісник НГА України. – 2001. №1. – С. 50-53.

8. Колосов Д.Л. Математическая модель напряженно-деформированного состояния двухслойной резинотросовой ленты при изгибе на барабане // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. – 2001. – Вип. 66. – С. 95-100.

9. Колосов Д.Л. Исследование напряженно-деформированного состояния двухслойных резинотросовых лент при изгибе на барабане // Науковий вісник НГА України. – 2001. – №6. – С. 49-52.

10. Патент № 30136А Україна. Спосіб складання гумотросових конвеєрних стрічок / Л.В. Колосов, В.А. Ропай, М.М. Шидо, В.І. Савицький, Д.Л. Колосов; опубліковано 15.11.2000. Бюл. № 6-ІІ.

11. Патент № 38378А Україна. Спосіб виготовлення довгомірного гумотросового виробу для гірничошахтного устаткування і пристрій для його здійснення / В.А. Ропай, М.М. Шидо, В.І. Савицький, Д.Л. Колосов; опубліковано 15.05.01. Бюл. № 4.

12. Патент № 34230А Україна. Підвісний пристрій для плоского каната / Л.В. Колосов, С.І. Чеберячко, Д.Л. Колосов; опубліковано 15.02.01. Бюл. №1.

13. Патент № 40088А Україна. Спосіб виготовлення гумотросового каната та конвеєрної стрічки і пристрій для його здійснення / Л.В. Колосов, Д.Л. Колосов, В.А. Ропай, М.М. Шидо, В.І. Савицький ; опубліковано 16.07.01. Бюл. № 6.

14. Самуся В.И., Колосов Д.Л., Обухов А.Н. Агрегатная прочность резинотросовой кон-вейерной ленты // Современные проблемы и перспективы развития горной механики: Материалы междунар. науч.-практ. конф. Дніпропетровськ, 1999. С. 193-195.

15. Колосов Л.В., Колосов Д.Л., Ропай В.А. О центрировании резинотросовых конвейерных лент // Неделя горняка: Материалы науч. симпоз. Москва, 2001. – С. 218-221.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві: [3] – патентний огляд та узагальнення досвіду експлуатації гумотросових стрічок; [5] – участь у випробуваннях та обробка результатів; [7] – визначення задач досліджень, отримання аналітичних залежностей для розрахунку напружено-деформованого стану стрічки при пошкодженні окремих тросів; [10-13] – розробка істотних ознак винаходів; [14, 15] – розрахунки, обробка результатів.

АНОТАЦІЯ

Колосов Д.Л. Обгрунтування параметрів та конструкцій двошарових гумо-тросових конвеєрних стрічок для гірничих підприємств. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 – гірничі машини. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002.

Розроблено та досліджено математичні моделі напружено-деформованого стану: двошарової гумотросової стрічки при пошкодженні тросової основи на прямолінійній ділянці конвеєра; стикових з'єднань стрічок двошарової конструкції; при згині двошарової гумотросової стрічки на барабані конвеєра з урахуванням прикладання тягового зусилля, деформування гуми на стиск і зсув та згинальної жорсткості тросів.

Обгрунтовано раціональні параметри стикових з'єднань та типорозмірного ряду двошарових конвеєрних стрічок, на основі яких розроблено технічні умови “Стрічки конвеєрні гумотросові двошарові міцністю 1500...6000 Н/мм ширини осердя” (ТУ У 016-002-010) на експериментальну партію 1000 пог. м, які передані для використання комбінату “Кривбасзалізорудком”. Розроблено методичні рекомендації з розрахунку стикових з'єднань двошарових гумотросових конвеєрних стрічок.

Ключові слова: двошарова гумотросова стрічка, математична модель, пошкодження тросової основи, згин на барабані, стикове з'єднання.

АННОТАЦИЯ

Колосов Д.Л. Обоснование параметров и конструкций двухслойных резинотросовых конвейерных лент для горных предприятий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 – горные машины. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002.

Диссертационная работа посвящена разработке методов расчета и обоснованию рациональных параметров и конструкций двухслойных резинотросовых конвейерных лент для горных предприятий.

Установлено, что создание высокопрочных резинотросовых лент на основе проволок отечественного производства (Харцызский и Одесский проволочно-канатные заводы) с низким значением предела прочности (в  Н/мм2) при общепринятых схемах расположения тросов (один слой параллельных тросов) невозможно. Вследствие этого разработаны конструктивные решения по созданию двухслойных резинотросовых конвейерных лент прочностью до 6000 Н/мм ширины сердечника.

Для оценки работоспособности двухслойной резинотросовой ленты при работе на барабане конвейера разработана и исследована математическая модель напряженно-деформированного состояния ленты при изгибе на неприводном и приводном барабанах конвейера с учетом приложения тягового усилия к ленте, деформирования резины на сжатие и сдвиг, изгибной жесткости тросов.

Установлено, что при изгибе на приводном барабане, вследствие возникающих изгибных напряжений усилия в более удаленном от барабана тросе увеличиваются на величину до 80%, а от передачи тягового усилия трением уменьшаются на 30% от усилия в набегающей ветви.

Разработана и исследована математическая модель напряженно-деформированного состояния двухслойной резинотросовой ленты при повреждении отдельных тросов в одном поперечном сечении ленты на прямолинейном участке конвейера, позволяющая оценить перераспределение усилий в целых тросах и обосновать рациональные конструкции двухслойных резинотросовых лент и их стыковых соединений. При повреждении тросовой основы предпочтительна укладка по 4 троса в каждом пучке с минимальным технологическим расстоянием между тросами.

Разработаны конструктивные решения и обоснованы рациональные параметры стыковых соединений, длины которых должны составлять не менее: 0,55 м для стыка с шахматной укладкой тросов в поперечном сечении ленты; 0,7 м для стыка с чередующимся расположением тросов; 1,1 м для ступенчатого стыка внахлестку. Установлено, что увеличение длины стыкового соединения выше минимального, приводит к незначительному (менее 4%) повышению его агрегатной прочности.

Разработаны и переданы для использования комбинату “Кривбассжелезорудком” технические условия “Ленты конвейерные резинотросовые двухслойные прочностью 1500…6000 Н/мм ширины сердечника” (ТУ У 016-002-010) на экспериментальную партию 1000 пог. м. Разработаны методические рекомендации по расчету стыковых соединений двухслойных резинотросовых конвейерных лент.

Показано, что применение двухслойных конструкций лент на основе тех же металлотросов, что и однослойных, позволит увеличить долговечность ленты в 2…3 раза. Это особенно актуально, учитывая высокую стоимость ( ...150$ за 1 м2) и большой объем конвейерных лент, эксплуатируемых на горных предприятиях Украины.

Ключевые слова: двухслойная резинотросовая