НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ім. М.С. ПОЛЯКОВА

ОКСЕНЬ Євген Іванович

УДК 622.647.2

РОЗВИТОК ФІЗИКО-тЕХНІЧНИХ ОСНОВ СТВОРЕННЯ ТРАНСПОРТНОГО УСТАТКУВАННЯ ВАНТАЖНО-РОЗВАНТАЖУВАЛЬНИХ ВУЗЛІВ ГІРНИЧИХ ВИРОБНИЦТВ

05.05.06 - “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України

Науковий консультант: | доктор технічних наук Волошин Олексій Іванович, зав. відділом, Інститут геотехнічної механіки НАН України, м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Дирда Віталій Іларіонович, зав. відділом, Інститут геотехнічної механіки НАН України, м. Дніпропетровськ

доктор технічних наук, професор Сердюк Андрій Олександрович, зав. кафедрою, Національний гірничий університет МОН України, м. Дніпропетровськ

доктор технічних наук, професор Бельмас Іван Васильович, зав. кафедрою, Дніпродзержинський державний технічний університет МОН України

Провіна установа: | Донбаський гірничо-металургійний інститут МОН України, м. Алчевськ, кафедра “Експлуатація гідравлічних машин і гідропневмоагрегатів” та кафедра “Гірнича енргомеханіка і обладнання”

Захист відбудеться 18 червня 2004 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися в біблiотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий 17 травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук |

В.Г. Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тенденції розвитку техніки і технологій гірничодобувних і переробних підприємств у даний час багато в чому визначаються зменшенням запасів щодо багатих родовищ і постійним наростанням абсолютних обсягів видобутку гірничої маси при збільшенні глибини і масштабів гірничих робіт, посиленням негативної дії гірничого виробництва на навколишнє середовище, зростанням потреб застосування ресурсозберігаючих технологій. У цих умовах у числі пріоритетних з'являються нові, підвищені вимоги до транспортного устаткування вантажно-розвантажувальних вузлів, що забезпечує інтенсивність і стабільність вантажопотоку транспортно-технологічних ланцюгів. Недостатність вивченості фізики процесу деформування насипного вантажу робочими органами гірничо-транспортних машин у частині проявів недетермінованості деформаційних властивостей насипних вантажів, впливу окремих шматків підвищеної крупності і їхньої сукупності на характер навантаження робочих органів, а так само процесів пуску конвеєрів-живильників при повному завантаженні в умовах впливу насипного вантажу, стримують розробку транспортних машин нового покоління з більшою інтеграцією з вантажем та ефективнішим застосуванням в більш тяжких умовах. Тому, облік імовірнісного прояву деформаційних властивостей насипного вантажу, як сукупності окремих часток, при виконанні динамічного аналізу інтегрованої системи  “транспортна машина – деформуємий насипний вантаж” і урахування його в методиці розрахунку конвеєрів-живильників, як бази, щодо розвитку фізико-технічних основ створення устаткування вантажно-розвантажувальних вузлів гірничих виробництв, є актуальною науково-прикладною проблемою, що має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних тем №др U019531 “Розробка теорії і створення конструкцій живильників для інтенсивного дозування сипучих матеріалів”, автор – керівник роботи; №др U001716 “Розробити наукові основи створення мобільного стрічкового живильника важкого типу для комплексу адаптованого устаткування безперервного транспорту циклічно-потокових технологій глибоких кар'єрів”, автор – відповідальний виконавець роботи.

Ідея роботи полягає у використанні імовірнісної оцінки деформаційних властивостей насипного вантажу для опису навантажень на робочий орган і динамічному синтезі інтегрованої системи “транспортна машина – деформуємий насипний вантаж” чисельним моделюванням динамічної дії процесу видачі, дозування і транспортування на конвеєр-живильник при проектуванні вантажно-розвантажувальних вузлів гірничих виробництв.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення ефективності і експлуатаційних характеристик стрічкових конвеєрів-живильників шляхом обліку імовірнісних проявів деформаційних властивостей насипних вантажів при аналізі динамічних процесів в механізмах

стрічкових конвеєрів-живильників.

Для досягнення мети були сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Розробити структурну модель транспортного устаткування вантажно-розвантажувального вузла і імовірнісно-статистичну модель навантаження механізмів гірничо-транспортних машин при видачі і дозуванні з бункерів насипних вантажів;

2. Розробити методику, програмне забезпечення і апаратуру цифрових досліджень і аналізу силових, кінематичних і енергетичних параметрів експлуатаційних режимів гірничо-транспортних машин;

3. Дослідити закономірності прояву імовірнісних властивостей насипного вантажу в силовому впливі на робочий орган гірничо-транспортних машин при динамічному деформуванні;

4. Дослідити вплив геометричних параметрів взаємного спряження робочого органу гірничо-транспортної машини з бункером і завантажувальним пристроєм на величину навантажень на робочий орган;

5. Дослідити кінематичні, силові і енергетичні параметри пускових процесів у механізмах і системах стрічкових конвеєрів-живильників при видачі і дозуванні насипного вантажу;

6. Розробити методику розрахунку стрічкових конвеєрів-живильників при конкретизації динамічних навантажень і виконати дослідно-промислову перевірку методології проектування гірничо-транспортного устаткування для видачі і дозування насипних вантажів.

Об'єкт досліджень – процес взаємодії гірничо-транспортної машини з насипним вантажем при видачі, дозуванні і транспортуванні.

Предмет досліджень – сукупність деформаційних процесів у масиві насипного вантажу і динамічних процесів у механізмах гірничо-транспортних машин безперервної дії.

Методи досліджень. При виконанні роботи використано комплексний метод, що включає чисельне моделювання взаємодії робочого органу з насипним вантажем на основі методу кінцевих елементів, чисельне динамічне моделювання механізмів гірничо-транспортних машин як багатоланкових гібридних систем із зосередженими і розподіленими масами, рішення систем нелінійних диференціальних рівнянь чисельними методами з перемінним кроком інтегрування (модифікований алгоритм Розенброка, інтегрування за формулою трапеції, модифікований алгоритм трапецієїдального інтегрування), а так само методом Рунге-Кутта з фіксованим кроком інтегрування, динамічне моделювання функціонування гірничо-транспортних машин методами нечіткої логіки, експериментальні методи цифрового виміру електричних і механічних величин на основі аналого-цифрових перетворювачів, включаючи тензометрування і швидкісний вимір потужності перемінного струму, методи статистичного, гармонійного і вейвлет аналізів обробки експериментальних і розрахункових даних, лабораторні, стендові і промислові експерименти.

На захист автором винесені наступні наукові положення:

1. Навантаження робочого органу гірничо-транспортних машин при деформуванні насипного вантажу в результаті безперервної випадкової появи зон взаємного руху і стійкості локальних упакувань часток у змінюваному обсязі при збільшенні крупності часток приводить до зростання середнього значення зусилля деформування і його дисперсій, що носить параболічний характер;

2. Силовий вплив на робочий орган гірничо-транспортних машин і амплітудно-частотна характеристика його динамічної складової визначається гранулометричним складом насипного вантажу і є формою розкриття структури гранулометричного складу. Фракції окремих розмірів в потоці насипного вантажу формують силові прояви з частотою повороту часток так, що залежність частоти силового прояву від крупності фракції носить характер гіперболи. Проникнення низькочастотного силового впливу в потік насипного вантажу, що рухається, забезпечує реалізацію силової амплітудно-частотної локації одиничних шматків підвищеної крупності;

3. Величина вертикального тиску і питомого тягового зусилля приводу в зоні завантаження визначається відношенням висоти шару на лінійній частині і довжини зони завантаження конвеєра-живильника з параболічним розподілом по довжині робочого органу. Кут нахилу вантажної гілки робочого органу не впливає на величину вертикального тиску, але його зменшення змінює характер розподілу питомого тягового зусилля від параболічного до лінійного і супроводжується зменшенням величини тягового зусилля;

4. Хвильовий процес пуску в системах конвеєра-живильника, що є результатом спільного прояву електромеханічної характеристики двигуна і механічних параметрів основного механізму, для приводів з асинхронними двигунами полягає у формуванні порядку 4?5 максимумів низькочастотних коливань у кінематичному ланцюзі основного механізму і при збіганні електричних та механічних частот супроводжується резонансними явищами в області екстремальних значень високочастотних коливань.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше встановлені закономірності прояву імовірнісних властивостей насипного вантажу при взаємодії з робочим органом конвеєра-живильника;

2. Вперше розроблена й експериментально обґрунтована імовірнісно-статистична модель деформування насипного вантажу робочими органами конвеєрів-живильників в умовах видачі і дозуванні з бункерів;

3. Вперше визначені імовірнісні параметри деформування насипного вантажу в трибометрі безперервної дії з регульованим кутом нахилу вантажної гілки, забезпечуючим випробування насипних вантажів, у тому числі і з внутрішнім тертям, що перевищує тертя часток насипних вантажів об конвеєрну стрічку;

4. Вперше виконано математичний опис впливу насипного вантажу як випадкової сукупності часток у геометрично обумовленому взаємному спряженні бункеру і завантажувальних пристроїв на робочий орган конвеєра-живильника;

5. Вперше розроблено метод цифрового діагностування і статистичного аналізу параметрів навантаження робочих органів і конструктивних елементів, енергетичних показників функціонування гірничо-транспортних машин, їхнього силового впливу на масив насипного вантажу;

6. Вперше встановлені закономірності впливу одиничних шматків насипного вантажу на робочі органи і конструктивні елементи гірничо-транспортних машин і розроблено метод силової амплітудно-частотної локації одиничних шматків підвищеної крупності, що рухаються в потоці насипного вантажу;

7. Вперше виконана оцінка впливу геометричних параметрів спряження бункера з робочим органом конвеєра-живильника на кінематичні, силові й енергетичні параметри процесу видачі насипного вантажу, встановлений моделюванням і експериментально підтверджен у промислових умовах ефект зниження навантаження на робочий орган і конструктивні елементи конвеєра-живильника при застосуванні спеціальної геометрії спряження і силових концентраторів;

8. Дістав подальшого розвитку метод аналізу, на базі якого встановлені закономірності розвитку динамічних процесів у період пуску в електричній і механічній системах стрічкових конвеєрів-живильників.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено методологію розрахунку і проектування гірничо-транспортного устаткування безперервної дії для видачі і дозування насипних вантажів, зокрема стрічкових конвеєрів-живильників, на основі обліку імовірнісних проявів деформаційних властивостей насипних вантажів і чисельного моделювання процесу впливу робочих органів гірничо-транспортних машин на деформуємий насипний вантаж, що забезпечує аналіз навантажень на робочий орган конвеєрів-живильників при зміні умов видачі насипних вантажів з бункерів.

2. Розроблено алгоритми і програми чисельного аналізу процесу навантаження робочих органів конвеєрів-живильників, активних елементів бункерів і завантажувальних пристроїв при видачі насипного вантажу, що моделюють липкість і тертя з матеріалами границь.

3. Розроблено методики зниження навантажень на робочий орган конвеєрів-живильників застосуванням спеціальної геометрії спряження бункеру з робочими органами, а також розроблені методи перерозподілу вертикального тиску насипного вантажу введенням спеціальних поздовжніх і поперечних концентраторів.

4. Розроблено рекомендації для визначення геометричних параметрів спряження і параметрів стрічкових конвеєрів-живильників типорозмірного ряду, що забезпечують мінімізацію навантажень на робочий орган, зниження енерговитрат на видачу і дозування насипних вантажів з бункерів.

5. Розроблено методи, алгоритми, програми й апаратуру цифрового експериментального дослідження силових, кінематичних і енергетичних параметрів процесів видачі насипного вантажу стрічковими конвеєрами-живильниками, що забезпечують цифрове фіксування вимірюваних величин, статистичну, гармонійну і тимчасову амплітудно-частотну обробку вимірюваних величин у режимі реального часу.

6. Розроблені і пройшли промислову перевірку зразки конструкцій стрічкових конвеєрів-живильників типорозмірного ряду для видачі і дозування насипних вантажів з бункерів. За підсумками промислових випробувань конструкції стрічкових конвеєрів-живильників типорозмірного ряду xПЛ рекомендовані для широкого впровадження. Промислова апробація зразків конструкцій стрічкових конвеєрів-живильників типорозмірного ряду на Старобешівській ТЕС (6 компл.), Вуглегірській ТЕС (1 компл), “Микитівській” ЦЗФ (15 компл.), “Горлівській” ЦЗФ (5 компл.), “Колосниківській” ЦЗФ (6 компл.), “Добропільській” ЦЗФ (4 компл.), “Чумаківській” ЦЗФ (11 компл.), “Пролетарській” ЦЗФ (5 компл.), Череповецькім ВО “Амофос” (1 компл.), а так само стрічкового конвеєра-живильника важкого типу 1ПЛ-20-170 (1 компл.) у ДПП-2 кар'єру “Мурунтау” Навоїйського ГМК підтвердила високу ефективність розробленої методології розрахунку і проектування транспортного устаткування вантажно-розвантажувальних вузлів гірничих виробництв.

Результати дисертаційної роботи дозволили одержати реальний економічний ефект 1 тис. грн., очікуваний економічний ефект складає 1  тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, наукові положення, висновки і рекомендації, розроблена концепція роботи і її головні науково-технічні принципи. Як науковий керівник, автор був організатором і брав безпосередню участь в обґрунтуванні і виборі методів, проведенні лабораторних досліджень і промислових випробувань, розробці технічної і робочої документації на лабораторне устаткування, дослідно-промислові і промислові зразки стрічкових конвеєрів-живильників. Розробка апаратури і програмного забезпечення цифрових експериментальних досліджень виконана автором самостійно. Розробка всіх наукових положень, математичних моделей, методів рішення, програмного забезпечення, а також усі математичні розрахунки виконані автором самостійно. Зміст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і були схвалені на VIII галузевій конференції “Підвищення продуктивності праці при підземній і відкритій розробці залізних і марганцевих руд” (м. Кривий Ріг – 1979 р.), IV Всесоюзній конференції “Механіка сипучих матеріалів” (м. Одеса – 1980 р.), V Республіканській науково-технічній конференції молодих фахівців “Задачі видобутку, переробки і використання пальних сланців у XI п'ятирічці” (м. Кохтла-Ярве – 1980 р.), Всесоюзному науково-технічному семінарі “Актуальні задачі розвитку Південно-Якутського, Кансько-Ачинського і Екибастузьського паливно-енергетичних комплексів (м. Москва – 1984 р.), II Республіканській конференції “Підвищення надійності і довговічності машин і споруджень” (м.Дніпропетровськ – 1985 р.), науково-технічному семінарі “Надійність систем і машин гірничо-транспортних комплексів” (м. Київ – 1987 р.), Всесоюзній науково-технічній конференції “Шляхи удосконалювання технологічних процесів при будівництві і експлуатації автомобільних доріг” (м. Суздаль – 1987 р.), Всесоюзній науково-технічній конференції “Теорія і практика проектування, будівництва й експлуатації високопродуктивних підземних рудників” (м. Москва – 1990 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми транспорту в гірничому виробництві” (м. Дніпропетровськ – 1997 р.), регіональній науково-практичній конференції “Стратегія керування соціально-економічним розвитком регіону на період до 2010 року” (м. Донецьк 1999 р.), регіональній науково-методичній конференції “Машинознавство і деталі машин” (м. Донецьк – 2001 і 2002 рр.), VIII, IX і X Міжнародних науково-технічних конференціях “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (м. Донецьк – м. Севастополь – 2001, 2002 і 2003 рр.), Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки” (м. Дніпропетровськ – 2001 р.), науково-практичній конференції “Донбас – 2020: Наука і техніка – виробництву” (м. Донецьк – 2002 р.), Міжнародній науковій конференції “Будівлі та споруди із застосуванням нових конструкцій та матеріалів” (м. Макіївка – 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (м. Дніпропетровськ – 2002 р.), Міжрегіональній науково-практичній конференції “Сучасні проекти, технології і матеріали для будівельного, дорожнього комплексів і житлово-комунального господарства” (м. Брянськ – 2002 р.), Другій Всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ – 2002 р.), Українському міжгалузевому науково-практичному семінарі “Сучасні проблеми будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (м. Київ – 2002 р.), Міжнародній конференції з управління “Автоматика – 2002” (м. Донецьк – 2002 р.), V Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (м. Луцьк – 2002 р.), Міжнародній науково-технічній та методичній конференції “Механіка машин і механізмів” (м. Хмельницький – 2002 р.), науково-практичній конференції “Проблеми транспорту в гірничому виробництві” (м. Дніпропетровськ – 2002 р.), Міжнародній науковій конференції “Досвід і проблеми сучасного розвитку дорожнього комплексу України на етапі входження в Європейське співтовариство” (м. Харків – 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича енергомеханіка й автоматика” (м. Донецьк – 2002 і 2003 рр.), Міжнародній конференції “Геотехнічна механіка освоєння надр” (м. Дніпропетровськ – 2003 р.), V Міжнародному симпозіумі “Механіка еластомірів” (м. Дніпропетровськ – 2003 р.), IV Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів – 2003 р.).

Публікації. Основний зміст опублікований у 45 друкованих працях, з яких 28 робіт – в наукових фахових виданнях, у тому числі 15 без співавторів, 2 авторські свідоцтва на винаходи.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 263 найменувань, містить 385 сторінок машинописного тексту, у тому числі 169 рисунків, 15 таблиць, 18 додатків на 69 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз стану проблеми (перший розділ) розробки машин і устаткування для видачі насипних вантажів з бункерів свідчить про те, що вплив геометричних параметрів спряження робочих органів конвеєрів-живильників з бункерами, неоднорідність фізичних властивостей насипних вантажів у значній мірі визначають силові й енергетичні показники процесу видачі і можуть погіршити технічні показники або привести до повної непрацездатності устаткування. Ця обставина є основною перешкодою для створення ефективних гірничо-транспортних машин на основі гнучкого робочого органу, стримує розвиток і в значній мірі погіршує техніко-економічні показники вантажно-перевантажувальних вузлів транспортно-технологічних ланцюгів гірничодобувних і переробних підприємств.

Фундаментальний внесок у розвиток методів розрахунку і проектування устаткування видачі і дозування насипних вантажів з бункерів внесли дослідження, виконані вченими ІГТМ НАНУ, ДНГУ, ДонНТУ, Донгіпровуглемаш, ІГС ім. А.О. Скочинського, МДГУ, ДДТУ, ДГМІ, інститутів Механобр, УкрНДІпроект, НДГРІ. Разом з тим, практично немає досліджень по обґрунтуванню вибору параметрів і взаємному ув'язуванню компонентів технічної системи “бункер – завантажувальний пристрій – конвеєр-живильник” в умовах погіршення якості сировини і прояву тенденцій до транспортування насипних вантажів з великим вмістом крупношматкових фракцій або наявністю сторонніх включень, збільшення вологості і липкості вантажів при підвищенні вимог до стабільності і надійності формування вантажопотоку.

Для дослідження характеру деформування насипного вантажу безпосередньо в зоні спряження випускного отвору бункера з завантажувальним пристроєм і конвеєром-живильником, вибору геометрії спряження практично відсутній математичний апарат моделювання, який би дозволив враховувати стійкість, липкість вантажу, його тертя з матеріалами границь і геометрію границь. При цьому оцінка взаємодії робочого органа з насипним вантажем повинна здійснюватися з урахуванням впливу гранулометричного складу вантажу і впливу одиничних шматків підвищеної крупності на характер деформування, а також повинна забезпечувати мінімізацію навантажень на робочий орган.

Значні труднощі представляє проведення експериментальних досліджень динамічних проявів, властивих процесам деформування насипних вантажів робочими органами гірничо-транспортних машин як безперервної, так і циклічної дії, ускладнених недостатньою чутливістю і точністю серійного вимірювального і фіксуючого устаткування. Низька точність самописних приладів і світлопроменевих осцилографів (не краще ± що дозволяє одержати інформацію, головним чином, якісного характеру, визначає необхідність розробки апаратури виміру сигналів більш чутливими і точними методами, а так само розробки сучасних методів аналізу отриманих сигналів.

Виконання комплексу фізико-технічних досліджень процесу взаємодії робочих органів гірничо-транспортних машин з насипним вантажем забезпечить застосування конвеєрів-живильників із гнучким робочим органом на основі конвеєрних стрічок, конструктивно більш надійних внаслідок агрегатної структури в порівнянні з іншими типами, але потребуючих більш детального аналізу й обґрунтованості режимів навантаження. Використання ж сучасних високоміцних конвеєрних стрічок дозволить створити конструкції стрічкових конвеєрів-живильників і для тяжких умов.

Таким чином, досить актуальною є важлива народногосподарська, соціальна й екологічна проблема обліку імовірнісного прояву деформаційних властивостей насипного вантажу, як сукупності окремих часток, при виконанні динамічного аналізу інтегрованої системи  “транспортна машина – деформуємий насипний вантаж” і урахування його в методиці розрахунку конвеєрів-живильників, як бази, щодо розвитку фізико-технічних основ створення устаткування вантажно-розвантажувальних вузлів гірничих виробництв.

Мета роботи – підвищення ефективності і експлуатаційних характеристик стрічкових конвеєрів-живильників шляхом обліку імовірнісних проявів деформаційних властивостей насипних вантажів при аналізі динамічних процесів в механізмах стрічкових конвеєрів-живильників.

Для досягнення мети сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Розробити структурну модель транспортного устаткування вантажно-розвантажувального вузла і імовірнісно-статистичну модель навантаження механізмів гірничо-транспортних машин при видачі і дозуванні з бункерів насипних вантажів.

2. Розробити методику, програмне забезпечення і апаратуру цифрових досліджень і аналізу силових, кінематичних і енергетичних параметрів експлуатаційних режимів гірничо-транспортних машин;

3. Дослідити закономірності прояву імовірнісних властивостей насипного вантажу в силовому впливі на робочий орган гірничо-транспортних машин при динамічному деформуванні.

4. Дослідити вплив геометричних параметрів взаємного спряження робочого органу гірничо-транспортної машини з бункером і завантажувальним пристроєм на величину навантажень на робочий орган.

5. Дослідити кінематичні, силові і енергетичні параметри пускових процесів у механізмах і системах стрічкових конвеєрів-живильників при видачі і дозуванні насипного вантажу.

6. Розробити методику розрахунку стрічкових конвеєрів-живильників при конкретизації динамічних навантажень і виконати дослідно-промислову перевірку методології проектування гірничо-транспортного устаткування для видачі і дозування насипних вантажів.

Другий розділ присвячений розробці структурної моделі транспортного устаткування вантажно-розвантажувального вузла і імовірносно-статистичних моделей навантаження механізмів гірничо-транспортних машин. При розробці динамічних моделей механізмів гірничо-транспортних машин застосована методологія аналізу і синтезу так, що дослідження силового впливу масиву насипного вантажу на робочі органи машин при деформуванні виконуються на етапі аналізу, а визначення динамічних параметрів механізмів в умовах випадкового прояву деформаційних властивостей насипного вантажу здійснюється на етапі синтезу моделі. Відповідно до запропонованої методології на етапі аналізу дослідження процесів деформування насипного вантажу з визначенням навантажень на робочий орган конвеєра-живильника і динамічне моделювання механізмів стрічкового конвеєра-живильника (рис. ) виділені в самостійні задачі.

а)

б)

в)

Рис. . Схема утворення динамічної моделі стрічкового конвеєра-живильника:

а) розрахункова схема; б) схеми розрахунку деформування насипного вантажу (1 – завантажувальна частина, 2 – лінійна частина, 3 – розвантажувальний барабан); в) динамічна модель основного механізму і механізму натягу стрічки

Модельне

представлення насипних вантажів виконано, виходячи з уточненого формулювання понять “напруги”, при якій “напруги” у матеріалі одиничних часток приймаються в класичному змісті, а під “напругами” у насипному вантажі розуміється математичне чекання зусиль деформування розподілених по локальних поверхнях деформування упакування окремих часток вантажу, а так само вважаються правомірними наступні допущення:– 

характер деформування насипного вантажу як безпосередньо при взаємодії з робочими органами, так і в більшості розрахункових схем, не супроводжується розривом суцільності контактів;– 

руйнування окремих часток при деформуванні упакування часток і енергетичні витрати на нього є несуттєвими, а зміни форми упакування обумовлені тільки прослизанням і взаємним обертанням окремих часток;– 

щільність вантажу в насипці при деформуванні в прийнятих розрахункових схемах міняється незначно.

Імовірнісний підхід до опису деформаційних властивостей насипних вантажів дозволив застосувати для аналізу математичний апарат диференціальних рівнянь у частинних похідних, як для плоских, так і для просторових схем навантаження, використовуючи для оцінки реалізації того або іншого стану упакування часток значення, що задаються, їхньою імовірністю. При цьому, математичне вираження умови переходу зі стану тільки пружних деформацій часток до їхнього взаємного зсуву для насипного вантажу визначено як умова стійкості упакування часток до зміни форми упакування, або в скороченому записі – умова стійкості насипного вантажу до деформування.

Базова група практичних математичних моделей деформування насипних вантажів побудована на експериментально отриманих залежностях зростання коефіцієнта внутрішнього тертя при збільшенні відносного розміру часток насипного вантажу в зоні деформування. Параметри стійкості в загальному випадку представлені нормально розподіленими випадковими функціями з щільністю розподілу, математичне чекання і середнє квадратичне відхилення яких визначаються з експериментальних даних як квадратичні функції відносної крупності часток. Під відносною крупністю часток насипного вантажу при цьому приймається відношення еквівалентного (наприклад, середнього кубічного) розміру часток до мінімального лінійного розміру зони деформування в розрахунковому перетині.

Принциповими особливостями розробленої імовірнісної моделі деформування насипного вантажу є:– 

представлення реального насипного вантажу, що транспортується, практично у всьому діапазоні гранулометричного складу, включаючи крупношматковий скельний вантаж, у рамках єдиної математичної моделі;

– можливість дослідження процесів зміни параметрів стійкості в локальних обсягах при русі насипного вантажу в прохідних перетинах гірничо-транспортних машин.

Дана постановка дозволила привести розрахунок процесу деформування насипного вантажу навантажувальними елементами і робочими органами гірничо-транспортних машин до рішення трьох задач:

Задача . Розрахунок навантажень на активний елемент конструкції або робочий орган машини від деформування насипного вантажу по математичному чеканню кута внутрішнього тертя – загальний розрахунок і розрахунок потужності привода;

Задача . Розрахунок максимальних навантажень на активний елемент конструкції або робочий орган машини від деформування насипного вантажу з випадковими параметрами стійкості упакування часток по необхідній надійності – розрахунок вузлів на міцність і перевірка двигуна на пуск і перевантажувальну здатність;

Задача . Розрахунок надійності руху насипного вантажу без заклинювання в прохідних перетинах транспортного устаткування і машин – розрахунок функціональної надійності транспортно-технологічного устаткування.

Математична модель пружно-пластичного квазістатичного деформування насипного вантажу, заснована на імовірнісній оцінці стійкості упакування часток дозволяє врахувати випадковий характер взаємодії окремих часток підвищеної крупності з елементами, що навантажують, особливості зміни руху в прохідних перетинах бункерів і завантажувальних пристроїв

.

Розроблені практичні програми рішення диференціальних рівнянь стану масиву насипного вантажу представляють собою пакети прикладних програм неформалізованої реалізації методу кінцевих елементів, що включають усі його змістовні етапи, для трьох видів розрахунків: лінійного, граничної стійкості, пластичного деформування.

Для рішення глобальної системи рівнянь реалізовані алгоритми як прямого звертання матриці, так і ітераційний метод Чебишевського прискорення. На етапі проектування в функціональні властивості розробленого пакета прикладних програм закладено застосування розвитого механізму обліку стану контакту насипного вантажу з матеріалами границь з урахуванням тертя ковзання і липкості.

Проведені експерименти чисельного моделювання процесу деформування насипного вантажу дозволили установити, що розроблені алгоритми і програми забезпечують рішення задач граничного напруженого стану для всіх практичних розрахункових схем, а також рекомендувати для практичного аналізу схеми з фіксованою зоною граничного стану, та схеми із шарами контактних елементів по границях навантаження.

Третій розділ присвячений розробці методики, програмного забезпечення і апаратури цифрового дослідження і аналізу силових, кінематичних і енергетичних параметрів експлуатаційних режимів гірничо-транспортних машин. На основі узагальнення накопиченого досвіду вимірів при проведенні експериментальних лабораторних досліджень і промислових випробувань гірничих і гірничо-транспортних машин і досліджень у суміжних галузях, аналізу базових принципів тензометрування були сформовані вимоги до вимірювальної і фіксуючої апаратури, у тому числі включаючи застосування новітніх досягнень обчислювальної і напівпровідникової техніки. Детальні розрахунки пружних елементів датчиків, дослідження тензометричних властивостей напівпровідникових тензорезисторів і нові принципи конструювання дозволили створити датчики сили зменшеної висоти трьох базових конструктивних виконань, принципово призначених для виміру навантажень на опори і силові елементи стрічкових конвеєрів і конвеєрів-живильників у реально існуючому діапазоні навантажень. Оптимізацією форми пружних елементів забезпечена найбільш повна реалізація проектних значень коефіцієнтів чутливості тензорезисторів та отримані схеми і конструкції перетворювачів сили, що забезпечують тарування динамометрами стиску, але дозволяють сприймати вимірювані зусилля як у схемах навантаження стиском, так і розтяганням.

Виходячи з принципів функціонування, технічних параметрів сучасних високошвидкісних аналогово-цифрових перетворювачів (АЦП) і параметрів перетворювачів сигналів спроектована серія багатоканальних універсальних контрольно-розподільних пристроїв (УКРП), що забезпечують взаємне спряження, у необхідних випадках з функцією гальванічної розв'язки, вимірювальних тензометричних перетворювачів сили, ватметрів перемінного електричного струму, резистивних перетворювачів переміщень і прискорень, електромагнітних перетворювачів швидкості і резистивних датчиків прискорення з платами АЦП, змонтованими в мобільний вимірювальний комп'ютер.

Комплексний підхід до проектування вимірювальної системи на основі ЕОМ дозволив досягти досить високих показників точності виміру і фіксування, що складають не менш 1,5для кінематичних параметрів і 0,5ч1,0для силових (для датчиків сили за схемою “двоплечий міст” до 0,25при кількісті каналів вимірів 4, 8, 16, мінімальним періодом вибірки вимірів від 16 мс при прямих вимірах і від 0,05 мс при вимірі з пристроями попереднього посилення і гальванічною розв'язкою, практично необмеженим часом проведення вимірів, і забезпечив побудову якісно нової апаратури для проведення експериментальних досліджень.

Реалізація концепції дискретних цифрових вимірів при проведенні експериментальних досліджень, крім високої точності, дозволила додати вимірювальній апаратурі нові функціональні якості, засновані на розроблених алгоритмах і програмах, які можна виділити по призначенню в три групи:– 

осцилоскопування – візуалізація на дисплеї комп'ютера вимірюваних параметрів у режимі реального часу для попереднього аналізу і настроювання апаратури;– 

програми запису у файл – фіксування з заданою або максимальною швидкодією досліджуваних процесів для наступного поглибленого аналізу отриманої інформації;– 

програми аналізу в режимі реального часу – реалізація відпрацьованих алгоритмів для побудови технічних пристроїв, експертних і діагностичних систем.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням процесу динамічного деформування насипного вантажу і силового впливу на деформуємий масив насипного вантажу робочих органів гірничо-транспортних машин, при проведенні яких особлива увага приділена вірогідності вимірюваних величин. На основі оцінки співвідношень систематичної погрішності вимірювальної системи і дисперсії вимірюваної величини розроблена методика визначення необхідного числа вимірів для одержання результату по заданій надійності, що дозволяє врахувати особливості процесу деформування насипних вантажів, що носить розривний характер через кінцівку розмірів кожної з часток і маючий прояв, навіть при відносно невеликих швидкостях деформування. Застосування імовірнісного підходу до побудови експериментальних досліджень створило основу для подальшої розробки статистичних моделей деформування насипних вантажів (рис. ). Складність розрахункових схем по геометрії границь і по кінематиці руху для визначення деформаційних властивостей насипних вантажів обробкою сигналів впливу на робочі органи гірничо-транспортних машин у реальних умовах диктує необхідність проведення вимірів на спеціальних стендах, у яких навантаження моделюють деякі більш прості схеми деформування.

Послідовними дослідженнями характеру деформування насипних вантажів у приладах прямого зрушення показано, що даний метод випробувань прийнятний тільки для дрібнозернистих вантажів. При збільшенні розмірів часток щодо лінійних розмірів трибометричних коробів зсувних приладів характер взаємодії окремих часток вантажу в обмеженому обсязі деформування і з матеріалами границь якісно змінюється, деформації зрушення зміщуються щодо площин рознімання і здобувають об'ємний характер.

Сукупність результатів виконаних досліджень дозволяє сформулювати перше наукове положення: “Навантаження робочого органу гірничо-транспортних машин при деформуванні насипного вантажу в результаті безперервної випадкової появи зон взаємного руху і стійкості локальних упакувань часток у змінюваному обсязі при збільшенні крупності часток приводить до зростання середнього значення зусилля деформування і його дисперсій, що носить параболічний характер”. Обґрунтованість даного наукового положення полягає в статистично значущих обсягах лабораторних, стендових і натурних експериментів і забезпечується використанням стандартних приладів і методів виміру.

а) | б)

Рис. 2. Імовірнісне представлення стійкості насипного вантажу: а) гістограма зусилля деформування проби насипного вантажу; б)  вплив відносної

крупності часток a на стійкість часток насипного вантажу: f*0 – математичне чекання коефіцієнта внутрішнього тертя, у* – середнє квадратичне

відхилення коефіцієнта внутрішнього тертя

Дослідження впливу реального гранулометричного складу насипного вантажу і прояву впливу окремих шматків підвищеної крупності на параметри деформування виконані методом безперервного динамічного навантаження. Розроблений метод випробування в трибометрі безперервного навантаження забезпечує безперервне тривале деформування з постійними умовами. Конструкція трибометра передбачає виконання випробувань проб як при горизонтальному розташуванні вантажної гілки, так і при похилому, аж до 45°, дозволяючи досліджувати насипні вантажі з внутрішнім тертям, що перевищує зчеплення часток з обкладкою конвеєрної стрічки. Об'єднаний з вимірювальною системою в апаратно-програмний комплекс стенд для динамічних випробувань забезпечує статистичну обробку виміру в режимі реального часу й одержання зусилля деформування і його дисперсій із заданою надійністю.

Дослідження широкого спектра насипних вантажів на підприємствах гірничорудної, вугільної, металургійної, енергетичної, будівельної галузей промисловості дозволили сформувати базу даних деформаційних властивостей і створити основу для проектування устаткування видачі і дозування з бункерів. Установлені залежності зростання зусилля деформування і його дисперсій при збільшенні крупності часток дозволили рекомендувати для характеристики гранулометричного складу в якості еквівалентного середньокубічний розмір фракції і сформулювати припущення про сталість факторів стійкості для відносних еквівалентних розмірів фракції в локальних обсягах деформування.

Методами чисельного аналізу виконане дослідження впливу фракційного складу на параметри деформування шляхом обробки отриманих сигналів зусиль деформування Фур'є-перетворенням і вейвлет-розкладом (рис. ). Установлені функціональна залежність між гранулометричним складом і формою амплітуд спектра частот, факт зростання амплітуд низькочастотної фази спектра при збільшенні вмісту крупношматкової фракції насипного вантажу і явище проникнення силового низькочастотного впливу в масив деформуємого насипного вантажу дозволили сформулювати принцип силової амплітудно-частотної локації окремих великих шматків у потоці насипного вантажу, що рухається.

Сукупність результатів виконаних досліджень дозволяє сформулювати друге наукове положення: “Силовий вплив на робочий орган гірничо-транспортних машин і амплітудно-частотна характеристика його динамічної складової визначається гранулометричним складом насипного вантажу і є формою розкриття структури гранулометричного складу. Фракції окремих розмірів в потоці насипного вантажу формують силові прояви з частотою повороту часток так, що залежність частоти силового прояву від крупності фракції носить характер гіперболи. Проникнення низькочастотного силового впливу в потік насипного вантажу, що рухається, забезпечує реалізацію силової амплітудно-частотної локації одиничних шматків підвищеної крупності”. Обґрунтованість даного наукового положення полягає в статистично значущих обсягах лабораторних, стендових і натурних експериментів і забезпечується використанням стандартних приладів і методів виміру.

Можливість прослизання часток насипного вантажу уздовж стінок при перевищенні внутрішнього тертя між частками над тертям об стінки коробу приводить до виникнення кругових рухів в обсязі деформування, тому модель деформування “зріз по площинах рознімання” стає неприйнятною для розрахунків коефіцієнта внутрішнього тертя. Зазначені обставини визначають необхідність переходу до нових розрахункових схем, заснованих на принципах плоского або об'ємного деформування насипних вантажів.

а) | б)

в) | г)

д) | е)

Рис. 3. Вплив часток підвищеної крупності на характеристики сигналу зусилля деформування насипного вантажу: а) деформування гранітного щебеню крупності 10-25 мм; б) та ж фракція при наявності крупношматкових включень; в) і г) тимчасове амплітудно-частотне представлення відповідних сигналів коефіцієнтами вейвлет-розкладу;

д) і е) амплітудно-частотна характеристика відповідних сигналів

Для визначення деформаційних властивостей насипних вантажів у зоні лінійного деформування автором розроблений метод випробувань в осьосиметричних зсувних приладах, що виключають прослизання часток уздовж стінок короба. Принцип навантаження проби насипного вантажу вертикально зміщуваним диском реалізує схему, у якій сили тертя часток об матеріал диска не змінюють характер деформування, а осьова симетрія спрощує виконання розрахунків при обробці результатів вимірів. Перевагою такого методу випробувань так само є можливість проведення циклічних вимірів по навантаженню і розвантаженню, що забезпечують одержання енергетичних витрат на цикл деформування і, отже, визначення значень параметрів деформування не тільки за силовими факторами, але і за енергетичними.

На підставі результатів експериментальних досліджень виявлені характерні риси процесу деформування насипного вантажу в гірничо-транспортних машинах:– 

розвиток зон деформування в прийнятих схемах випробувань насипних вантажів відбувається при впливі переміщень навантажувальних елементів з величинами, близькими відповідним розмірам часток випробуваних насипних вантажів;– 

із збільшенням розмірів часток випробуваних проб щодо розмірів зони деформування, або для вантажів з частинами підвищеної крупності, прояв пульсуючих стрибкоподібних змін зусилля зростає. При збільшенні швидкостей деформування таких вантажів прояв пульсуючих стрибкоподібних змін зусилля, що спостерігаються, так само зростає.

П'ятий розділ присвячений моделюванню процесу навантаження робочих органів гірничо-транспортних машин при деформуванні насипних вантажів, визначенню впливу геометричних параметрів вузла спряження робочого органа конвеєра-живильника з завантажувальним пристроєм і бункером на величину навантажень у реально існуючому діапазоні деформаційних властивостей насипних вантажів.

На основі аналізу типових рішень бункерів і перевантажувальних вузлів будівельної частини ГЗКів, ЦЗФ, ТЕС, підприємств металургійних галузей і хімічних виробництв виділені основні розрахункові схеми навантаження робочих органів конвеєрів-живильників і конструктивних елементів бункерного господарства. Вирішено задачі аналізу деформування насипного вантажу:– 

плоского деформованого стану (ПДС) над випускним вікном бункера із симетричною і несиметричною видачею;– 

ПДС у вузлі спряження бункеру з робочим органом конвеєра-живильника;– 

ПДС впливу кута видачі насипного вантажу;– 

ПДС впливу кута нахилу вантажної гілки;– 

ПДС деформування насипного вантажу на лінійній частині без бортів;– 

ПДС деформування насипного вантажу на лінійній частині з бортами;– 

ПДС керування видачею насипного вантажу з бункеру активними елементами і концентраторами;– 

ПДС при розвантаженні обваленням на розвантажувальному барабані;– 

осьосиметрична задача деформування насипного вантажу над випускним вікном бункера із симетричною видачею;– 

D задача об'ємного деформування насипного вантажу при реалізації вільної видачі з бункера конвеєром-живильником.

Виконані для прийнятих схем розрахунки тягового зусилля і вертикального тиску на робочий орган дозволили установити вплив наступних параметрів: розмірів випускного отвору бункера, висоти шару насипного вантажу, кута нахилу вантажної галузі, кута нахилу бічних стінок завантажувального пристрою, висоти бортів, кутів нахилу і розбіжності бортів. Установлено граничні кути виходу насипного вантажу з завантажувальних пристроїв конвеєрів-живильників. Показано, що кути виходу насипного вантажу визначають енергоємність процесу видачі, а також показано, що підвищення надійності видачі збільшенням довжини випускного отвору бункеру обмежено цим фактором. Визначено діапазон значень кутів нахилу вантажної гілки (рис. ), що дозволяє значно знизити тягове зусилля привода і зменшити навантаження на стрічку. На підставі побудованих діаграм зміни тиску і тягового зусилля в залежності від параметрів стійкості насипного вантажу встановлені раціональні геометричні параметри вузлів спряження конвеєрів-живильників з бункерами.

а) | б)

Рис. . Вплив кута нахилу вантажної гілки на величину питомого тягового зусилля: а) питоме тягове зусилля (1 – в = 0; 2 – в = 0; 3 – в = 0; 4 – в = 40;

5 – в = 80 ); б) тягове зусилля в зоні завантаження (при b = 1,0 м)

Аналізом деформованого стану насипного вантажу в зоні завантажувальних пристроїв показано, що безпосередньо на робочому органі при деформуванні реальні значення зв’язності не визначають величину тягового зусилля і практично не впливають на процес руху насипного вантажу. Однак, встановлені випадки навантаження, що характеризуються розвитком зон з нульовими або розтягуючими напругами, для яких прояв внутрішньої зв’язності визначає картину деформування. До них, зокрема, відносяться: рух над завантажувальним пристроєм у зоні випускного отвору в циліндричних бункерах з осьовим витіканням; розвантаження на барабані стрічкового конвеєра-живильника. Виявлено вплив конструктивних елементів завантажувальних пристроїв і бункерів, кутів нахилу бічних стінок, висоти розташування перехідних граней на величину вертикального тиску на робочий орган.

Сукупність результатів виконаних досліджень дозволяє сформулювати третє наукове положення: “Величина вертикального тиску і питомого тягового зусилля приводу в зоні завантаження визначається відношенням висоти шару на лінійній частині і довжини зони завантаження конвеєра-живильника з параболічним розподілом по довжині робочого органу. Кут нахилу вантажної гілки робочого органу не впливає на величину вертикального тиску, але його зменшення змінює характер розподілу питомого тягового зусилля від параболічного до лінійного і супроводжується зменшенням величини тягового зусилля”. Обґрунтованість даного наукового положення полягає в коректності постановки розв'язуваних задач, в адекватності розглянутих моделей реальним умовам і забезпечується застосуванням апробованих методів чисельного рішення диференціальних рівнянь у частинних похідних.

У результаті виконаних досліджень визначені області раціональних геометричних параметрів робочих органів і вузлів спряження з бункерами, при призначенні яких мінімізуються навантаження на робочий орган конвеєрів-живильників і енергоємність процесу видачі і дозування насипного вантажу з бункерів. Розроблено рекомендації із застосування концентраторів при їх поздовжньому і поперечному розташуванні щодо напрямку видачі, що забезпечують зниження навантажень на робочий