МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАЛАШНІКОВ Олег Юрійович

УДК 621.876.212

Обґрунтування параметрів перехідної ділянки

крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою

Спеціальність 05.05.06 – гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельної, теоретичної та прикладної механіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Блохін Сергій Євгенович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри будівельної, теоретичної та прикладної механіки (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бельмас Іван Васильович, Дніпродзержинський технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри механічного обладнання харчових підприємств;

кандидат технічних наук, доцент Грудачев Анатолій Якович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри гірничозаводського транспорту і логістики.

Провідна установа Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, відділ механіки машин і процесів переробки мінеральної сировини (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться 13 грудня 2006 р. о 16 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 10 листопада 2006 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. У світовій практиці при відкритому видобутку корисних копалин неухильно зростає використовування крутопохилих конвеєрів (КПК) як із застосуванням стрічок спеціальних конструкцій у ролі тягово-несучого органа, так і конвеєрів з притискною стрічкою.

Аналіз існуючих і запропонованих конструкцій КПК показав, що не дивлячись на відносну складність конструктивної схеми, конвеєр з притискною стрічкою – єдиний тип крутопохилого конвеєра, що забезпечує високу (понад 5000 т/год) продуктивність при кутах підйому більше 30° і велику (понад 500 м) довжину транспортування в одному поставі, оскільки притискна стрічка бере на себе значну частину тягових зусиль (до 30...40%).

Проте, незважаючи на набутий позитивний зарубіжний досвід їх експлуатації в промислових умовах, такі конвеєри тільки починають знаходити застосування на гірничовидобувних підприємствах України, а їх виготовлення утруднено у зв’язку з відсутністю комплексної методики обґрунтування і вибору їх раціональних параметрів. Тому актуальним є питання про створення нових методик розрахунку КПК з притискною стрічкою. Це дозволить проектувати КПК з урахуванням найважливіших чинників, що впливають на їх роботу.

Основною задачею, яку необхідно вирішити при створенні крутопохилих конвеєрів, є розробка параметрів геометрії перехідної кривої від завантажувальної ділянки, зниження зносу стрічок і габаритних розмірів на перехідних ділянках. Існуючі методи розрахунку крутопохилих конвеєрів носять суто емпіричний характер (за умовою міцності стрічки, без урахування фрикційної взаємодії вантажу і стрічки). Це призводить до введення в методику розрахунку експериментальних коефіцієнтів і обмежує сферу використання пропонованих методів.

У даній дисертаційній роботі розрахунок параметрів перехідної ділянки крутопохилого конвеєра заснований на розгляді напруженого стану сипких вантажів з позицій теорії плинності сипкого середовища. Такий підхід дозволив створити якісно нові методи розрахунку крутопохилих конвеєрів, що враховують фізико-механічні властивості сипких вантажів, динаміку процесу транспортування, механічні властивості конвеєрних стрічок і їх зміну відносно довжини залежно від тягових зусиль, деформацію конвеєрної стрічки та її вплив на деформацію вантажу на перехідній ділянці та інші конструктивні параметри конвеєра.

Визначення параметрів перехідної ділянки без її комплексного обґрунтування призводить до ускладнень у процесі експлуатації крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою. Встановлення основної залежності між геометричними, режимними та силовими параметрами для визначення раціональних параметрів перехідної ділянки крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою дозволить забезпечити підвищення техніко-економічних показників транспортування. Для цього необхідно встановити закономірності між конструктивними параметрами, кінематичними і динамічними характеристиками крутопохилого конвеєра на відповідних математичних моделях.

Тому, обґрунтування раціональних параметрів перехідних ділянок, поперечного перерізу та притискних пристроїв крутопохилого конвеєра і встановлення залежності динамічної взаємодії стрічок та вантажу з урахуванням їх пружно-дисипативних властивостей при роботі конвеєра і, особливо, під час перехідних процесів (пуск, гальмування) підвищить безпеку роботи, продуктивність, забезпечить безперервну роботу конвеєра, дозволить знизити знос стрічок, що є актуальною науково-технічною задачею гірничого машинобудування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота є складовою наукових досліджень Національного гірничого університету і виконана в рамках наукової тематики № “Визначення раціональних параметрів крутопохилого конвеєра” (№ держ. реєстрації 0102U006453), в якій автор приймав участь як виконавець.

Мета дослідження – наукове обґрунтування параметрів перехідних ділянок КПК з притискною стрічкою для зниження зносу стрічок, матеріаломісткості обладнання і капітальних витрат на основі розроблених методів розрахунку системи “стрічка – транспортований матеріал – стрічка”.

У роботі вирішуються такі основні завдання:– 

розрахунок динамічних характеристик системи “стрічка – вантаж –притискна стрічка”, визначення епюр нормального тиску і відносного проковзування на перехідних ділянках крутопохилого конвеєра;–

визначення напружено-деформованого стану (НДС) транспортованого вантажу крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою на перехідних ділянках;–

обґрунтування критеріїв і обмежень вибору раціональних параметрів перехідних ділянок крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою;–

розробка параметрів геометрії перехідної кривої від завантажувальної ділянки з урахуванням відносного ковзання матеріалу по стрічці і тиску між стрічками і матеріалом;–

розробка методики вибору раціональних параметрів перехідних ділянок крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою.

Об’єкт дослідження – процес взаємодії гірничорудного середовища з притискною і вантажонесучою стрічками на перехідній ділянці КПК.

Предмет дослідження – взаємозв’язок геометричних і динамічних параметрів системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою на ділянці змінної кривизни.

Ідея роботи полягає в комплексному врахуванні відносного ковзання матеріалу по стрічці і тиску між стрічками і матеріалом для обґрунтування раціональних параметрів перехідних ділянок крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою з метою зниження зносу стрічок внаслідок проковзування вантажу по стрічці і зменшення габаритів перехідної завантажувальної ділянки.

Методи дослідження: аналіз і узагальнення літературних джерел з теорії розрахунку і конструювання КПК для обґрунтування актуальності теми; методи математичного моделювання, методи прикладної теорії пружності, методи теорії механічних коливань, методи теорії диференціальних рівнянь, методи динаміки одномірних систем з розподіленими і зосередженими параметрами, методи опору матеріалів, методи теорії механізмів і машин, методи теоретичної механіки для дослідження деформації шару сипкого середовища під час руху на криволінійній траєкторії перехідної ділянки; теорія планування експерименту, сучасні методи програмного забезпечення з використанням стандартних прикладних інженерних пакетів.

Наукова новизна одержаних результатів роботи.

1. Вперше розроблені математична модель напружено-деформованого стану системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра і метод розрахунку напружено-деформованого стану вантажу на перехідних ділянках крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою. Встановлено, що збільшення коефіцієнта в’язкого опору в 10 разів знижує частоту коливань у 1,8 рази і максимальне зусилля в гілках – у 1,1 рази, а зменшення питомого опору в 2...3 рази призводить до зменшення декремента згасання на 25% і збільшує у 3…3,5 рази час ковзання вантажу на основній стрічці.

2. Вперше одержана залежність відносного проковзування між вантажем і стрічками в системі “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою на перехідних ділянках, яка пропорційна зміні кривизни і обернено пропорційна тиску притискної стрічки і товщині шару вантажу.

3. Вперше встановлений критерій вибору раціональних параметрів радіуса перехідних ділянок крутопохилого конвеєра, який визначається роботою сил тертя при відносному проковзуванні стрічок і вантажу системи “стрічка –вантаж – стрічка” і контактною міцністю стрічки.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів забезпечується урахуванням основних чинників, що впливають на напружений стан системи “стрічка – вантаж – стрічка” КПК, використанням фундаментальних методів теоретичної механіки, опору матеріалів, теорії планування експерименту і підтверджується результатами експериментальних досліджень. Розбіжність теоретично одержаних і експериментальних даних залежності відносного проковзування притискної і вантажонесучої стрічки на завантажувальній перехідній ділянці при різному співвідношенні радіуса кривизни конвеєра до товщини шару вантажу не перевищує 15% при довірчій ймовірності 0,95.

Наукове значення роботи – у розвитку теорії розрахунку крутопохилих конвеєрів з притискною стрічкою, яке полягає у розробці та аналізі нової математичної моделі напружено-деформованого стану системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра; у теоретичному обґрунтуванні впливу кривизни перехідних ділянок на формування кінематичних і динамічних характеристик системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра; в обґрунтуванні критеріїв і обмежень визначення раціональних параметрів перехідних ділянок КПК з притискною стрічкою.

Практичне значення роботи полягає в зниженні капітальних витрат на виробництво КПК і підвищення терміну служби стрічок на основі використання розроблених методичних рекомендацій з розрахунку характеристик напружено-деформованого стану системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою і вибору оптимальних параметрів перехідних ділянок КПК. На розроблені технічні рішення одержані патенти України № 51881А, № 52130А, № 58988А, № 50560А, № А.

Особистий внесок здобувача – обґрунтування мети та ідеї роботи, визначення завдань дослідження і наукових положень, розробка математичної моделі і вибір методів дослідження, проведення математичного моделювання та експериментальних досліджень, обробка, аналіз і узагальнення одержаних результатів. Здобувачем зроблені висновки і розроблені методики для практичного застосування при проведенні науково-дослідних і конструкторських робіт.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи докладалися й одержали позитивну оцінку на: міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (НГУ, м. Дніпропетровськ, 2002); “Тиждень гірника – ” (МДГУ, м. Москва, 2002); науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера у XXI столітті” (ДонНТУ, м. Донецьк, 2002); науковій конференції “Проблеми і перспективи геотехнології на початку ІІІ тисячоліття”; “Форум гірників – 2003”, (НГУ, м. Дніпропетровськ, 2003); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (НГУ, м. Дніпропетровськ, 2004); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи розвитку транспорту промислових регіонів” (НГУ, м. Дніпропетровськ, 2005).

Реалізація результатів роботи. Методичні рекомендації з визначення параметрів перехідної ділянки системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою використані ЗАТ “Азовмаш” (м. Маріуполь) при розробці проектів конвеєра КПК-270/3000. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження запропонованої інженерної методики проектування КПК за рахунок скорочення капітальних і експлуатаційних витрат складає 1600 тис. грн. Міжгалузеве науково-виробниче об’єднання “Віброімпульс” (м. Кривий Ріг) використовує на стадії проектних робот методику визначення напружено-деформованого стану вантажу і стрічок КПК.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображені у 17 наукових роботах: 9 статей у наукових фахових виданнях (з них одна – без співавторів), отримано 5 патентів України, 3 – в збірниках матеріалів конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація налічує 140 сторінок і складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 82 найменувань, 4 додатків. Текстова частина проілюстрована 27 рисунками, має 3 таблиці і додатки на 36 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і основні завдання дослідження, викладені наукові положення, новизна одержаних результатів, наукове і практичне значення роботи, наведені результати апробації.

У першому розділі виконано огляд відомих типів і конструкцій КПК, особливостей їх експлуатації і сучасного стану досліджень відносно теорії розрахунку.

Питанню створення конструкцій крутопохилих конвеєрів для гірничих підприємств та методам їх розрахунку надається велика увага. На даний час проводяться конструкторсько-дослідницькі роботи із створення потужних високопродуктивних крутопохилих конвеєрів для гірничовидобувної промисловості в ІГД ім. О.О. Скочинського (Росія, м. Москва), УкрНДІпроект (м. Київ), Московському державному гірничому університеті (Росія, м. Москва), ВАТ “НКМЗ” (м. Краматорськ), “Orenstein-Kappel und Lubeker Maschinenbau” і “Krupp” (Німеччина), “Continental” (США).

Дослідженням відносно конструкції, технології і застосування крутопохилих конвеєрів присвячені роботи А.С. Василькова, В.І. Гущина, В.К. Д’ячкова, Р.Л. Зенкова, В.І. Коваленка, В.В. Крилова, А.А. Кукібного, М.Г. Новожилова, Ю.А. Пертена, О.О. Спиваковського, М.Г. Попанова, А.М. Картавого, М.А. Котова, В.Д. Черненка, І.О. Шпакунова, J.G.E.К.Питання, пов’язані з дослідженнями динаміки крутопохилого конвеєра, знайшли своє відображення в численних наукових працях І.В. Бельмаса, В.Г. Дмитрієва, Дос Сантоса, Г.А. Генієва, А.О. Сердюка, Б.О. Кузнецова, В.В. Мішина, Л.Г. Шахмейстера та ін.

Виконані фундаментальні роботи сформулювали систему поглядів на процеси взаємодії елементів механічної системи в перехідних і стаціонарних режимах експлуатації транспортувальних засобів безперервної дії.

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

на ефективність роботи крутопохилого конвеєра значною мірою впливають його конструкція, механічні характеристики застосованих стрічок і маса транспортованого вантажу. При цьому експлуатаційні характеристики, такі як об’єм і швидкість вантажу, динамічні навантаження, стійкість і безпека транспортування здебільшого зумовлені напружено-деформованим станом транспортованого вантажу. Для дослідження НДС системи “стрічка – вантаж – стрічка” необхідна розробка математичної моделі, що враховуватиме зміну кривизни ставу КПК на перехідній ділянці та фрикційну взаємодію стрічок і вантажу;– 

питання підвищення стійкості руху і зменшення довжини проекції перехідної ділянки та зниження зносу стрічок у тривалому режимі роботи КПК доцільно вирішувати за рахунок вибору геометричних параметрів поставу крутопохилого конвеєра на перехідній ділянці. Відомі роботи не дозволяють точно визначити швидкість розповсюдження хвиль деформації, оскільки вони одержані при певних припущеннях та не враховують втрати енергії, що пов’язані з деформацією вантажу, реологічною поведінкою стрічки, тертям між вантажем і стрічкою при проковзуванні. Крім того, відомі методики розрахунку натягу стрічок, опору руху і потужності приводу не враховують можливе проковзування вантажу відносно стрічок, а також деформацію стрічок і вантажу.

Другий розділ – розробка математичної моделі КПК з притискною стрічкою з урахуванням напружено-деформованого стану системи “стрічка – вантаж – стрічка”.

Визначення кінематичних і силових параметрів пускових процесів у механізмах і системах стрічкових КПК з притискною стрічкою при взаємодії насипного вантажу як сукупності перебуваючи під дією зовнішніх навантажень електромеханічних систем, що об’єднані відповідно до схеми синтезу внутрішніми зв’язками, є досить складним завданням. Тому побудова динамічних моделей механізмів здійснювалася виходячи із відповідності вимогам аналізу процесів пуску з повним навантаженням і при нерівномірному розподілі насипного вантажу відносно довжини робочого органу з урахуванням паспортних електромеханічних характеристик застосованих двигунів.

Вирішення загальної задачі аналізу динаміки механізмів з умов досягнення збіжності числового розв’язання систем нелінійних диференціальних рівнянь виділено в три частинні, для кожної з яких розроблена група динамічних моделей:–

для дослідження сумісного впливу динамічних параметрів механізмів КПК з притискною стрічкою та електричних параметрів привідних асинхронних двигунів на характер перебігу пускових процесів – електромеханічна модель стрічкового КПК;–

для визначення характеру розвитку пускових процесів системи “стрічка – вантаж – стрічка” – багатомасова динамічна модель стрічкового КПК;–

для дослідження характеру навантаження приводу і механізму розтягу контурів стрічок КПК при змінному вантажопотоці – багатомасова динамічна модель стрічкового КПК з притискною стрічкою.

Для опису динамічної моделі КПК використовували диференціальні рівняння Лагранжа другого роду:

Рис. 1. Розрахункова схема крутопохилого конвеєра

За узагальнені координати прийняті такі величини: гр, пр – кут повороту привідних барабанів, відповідно вантажної і притискної стрічок; xi,j – переміщення ділянок вантажної (j ) і притискної (j ) стрічок; xi – переміщення частини вантажу. Уведені позначення: mi,j – маса ділянки вантажної і притискної стрічок; mi – маса матеріалу між відповідними ділянками стрічок, де i 1, 2…N – значення ділянки розбиття конвеєра; c1, c2–жорсткість відповідно вантажної та притискної стрічок; , 1, 2 – коефіцієнти в’язкого тертя відповідно транспортованого матеріалу, вантажної і притискної стрічок; ,  – коефіцієнти тертя вантажу; Мгр(t), Мпр(t) – крутний момент, прикладений до привідного барабана відповідно вантажної та притискної стрічок; ,  – узагальнені сили, що відповідні до координат гр, пр; ,  – сили притиснення стрічок і вантажу; , – наведені моменти інерції барабанів; – радіуси барабанів.

З використанням даної моделі виконаний розрахунок для конвеєра КПК 270/3000, розрахункова схема якого наведена на рис. 1.

Одержана вище система з n диференціальних рівнянь другого порядку (1) зводилася до системи з 2n диференціальних рівнянь першого порядку, розв’язання якої здійснювалося в середовищі MathCAD. У результаті були знайдені переміщення ділянок стрічок і матеріалу між ними. Отримані значення дозволили визначити тягові зусилля, що виникають у перерізах стрічки під час пуску конвеєра.

Приклад розрахунку пуску стрічкового КПК 270/3000 продуктивністю 3000 т/год у вигляді кінематичної діаграми зведеної провідної ланки приводу 1 зображений на рис. 2. Одержане дозволяє характеризувати пуск КПК як складний хвильовий процес, що є результатом спільного прояву електромеханічної характеристики двигуна і механічних параметрів основного механізму. Низькочастотні коливання тягового зусилля, які виникають у період пуску за мірою зростання швидкості зменшують свою амплітуду і до стабілізації руху мають 5...6 максимумів.

Основне завдання динамічного моделювання – аналіз процесів, що протікають у механізмах під час пуску при максимальному завантаженні робочого органу. Результати розрахунків динаміки пуску КПК 270/3000 продуктивністю 3000 т/год з розвантаженням на привідний барабан наведені на рис. 3.

Наявність ділянки максимальних значень у механічній характеристиці двигуна обумовлює різке збільшення швидкості стрічки в останній фазі розгону до величини швидкості усталеного руху, що дорівнює 3,6 м/с. Суперпозиція механічних коливань стрічок КПК за наявності сил тертя на вантажній гілці після достатньо невеликого інтервалу часу (до 3 с) сприяє стабілізації навантажень у приводі (рис. 3). Максимальна величина прискорення може бути знижена шляхом деякого збільшення часу розгону і зменшення різниці між її максимальним і мінімальним значеннями, а також завдяки вибору співвідношення між типом двигуна, діаметром привідного барабана та передаточним відношенням приводу.

Рис. 2. Пускова кінематична діаграма КПК 270/3000

Рис. 3. Зміни тягового зусилля приводу у процесі розгону: 1 – вантажонесуча стрічка, 2 – притискна стрічка

У результаті числового розв’язання одержані епюри тиску між вантажем і стрічками на перехідній ділянці. При пуску КПК з часом перехідного режиму менше 7 с тиск на перехідній ділянці між вантажем і стрічкою на 70% більше одержаного при статичному розрахунку, а прискорення збільшується в 2,5 рази.

У третьому розділі розглянутий рух стрічки і вантажу на перехідних ділянках КПК з притискною стрічкою. Досліджено деформування шару сипкого середовища під час руху на криволінійній траєкторії перехідної ділянки, а також закономірності розповсюдження переміщень у товщі сипкого середовища.

При розгляді руху системи “стрічка – вантаж – стрічка” на перехідній криволінійній ділянці використовувалися рівняння плоского руху сипкого середовища з такими припущеннями: –

середовище непружне і нестисле;– 

значення напружень у середовищі не залежить від швидкостей її деформування;–

напрями головних осей напруженого стану і головних осей тензора швидкостей деформації збігаються у кожній точці рухомого середовища;–

напружений стан середовища задовольняє ті самі умови, що і напружений стан граничної рівноваги сипкого середовища.

Рівняння руху безперервного середовища і умова нестисливості, віднесені до полярної системи координат, мають вигляд:

де і – проекції швидкості частинки відповідно на напрям радіус-вектора і на перпендикулярний до нього напрям; і – проекції масових сил на ті ж напрями; ,, – компоненти тензора напружень у полярних координатах.

Розв’язання одержаних рівнянь для сипкого середовища в області, обмеженій притискною і вантажонесучою стрічками на перехідній ділянці, здійснювалося численно за відповідних граничних умов, що визначають нормальну і тангенціальну взаємодію між вантажем і стрічками. Для цього розглядали зону формування притиснення вантажу КПК, розрахункова схема якої наведена на рис. 4. Тут позначено: r – кут внутрішнього тертя транспортованого матеріалу; – довжина зони формування притиснення; R1гр – радіус кривизни вантажонесучої стрічки; R1пр – радіус кривизни притискної стрічки в зоні формування притиснення;  – кут площадки контакту; – змінна кутова координата.

Рівняння стаціонарного руху і рівняння зв’язку в полярних координатах мають вигляд:

Рис. 4. Зона формування притиснення конвеєра

Тут врахована відносна малість товщини шару вантажу порівняно з радіусом кривизни. З перших двох рівнянь системи (3) виходить, що . Це дозволяє надалі приймати розподіл тиску в шарі вантажу у вигляді функції p = p(). Для визначення характеристик стаціонарного руху вантажу встановлювався розподіл швидкостей і тиску p = p() у зазначений області (рис. 4) за таких граничних умов:

1) згідно з принципом Сен-Венана має місце незбурений рух вантажу за межами зазначеної області:

(4)

2) тертя між вантажем і стрічками визначається законом Кулона:

(5)

приде к – коефіцієнт тертя;

3)  відсутні дотичні напруження на вільній поверхні:

(6)

Апроксимацію розв’язку, що задовольняє граничну умову (4), тотожно вибирали у вигляді:

(7)

Невідомі коефіцієнти ai, bi, ci, d знаходили з умови відповідності вибраного розв’язання рівнянням системи (3) і граничних умов для дотичних напружень (5) – (6). При числовому розв’язанні системи рівнянь були одержані залежності відносного проковзування притискної стрічки на перехідній ділянці і розподіл тангенціальних переміщень у перехідній зоні при різній товщині шару вантажу.

Рис. . Максимальне значення проковзування: 1 – притискної стрічки, 2 – вантажонесучої стрічки на завантажувальній перехідній ділянці

На рис. 4 показані розрахункові області проковзування сипкого середовища системи “стрічка – вантаж – стрічка” на криволінійній перехідній завантажувальній ділянці. Рис. 5 відображає залежність відносного проковзування притискної і вантажонесучої стрічок на завантажувальній перехідній ділянці при різному співвідношенні радіуса кривизни конвеєра і товщини шару вантажу. Як випливає з числового розв’язання, в області контакту відносно величини проковзування можуть бути виділені три зони: входу матеріалу, центральна і виходу. Різниця величини проковзування залежно від товщини шару вантажу суттєва для зон входу і виходу. Зона входу характеризується уповільненням руху матеріалу вантажу, а зона виходу – прискоренням руху.

Апробацію математичної моделі руху системи “стрічка – вантаж – стрічка” на перехідній ділянці з урахуванням критерію подібності проводили на моделі перехідної ділянки КПК (рис. 6).

Рис. 7. Структурна схема ультразвукового вимірювального комплексу

Між двома паралельними, криволінійними, жорсткими поверхнями, що моделюють криволінійну ділянку, були укладені дві гумотканинні стрічки, між якими помістили матеріал (щебінь). Обом стрічкам надавали руху за допомогою лебідки. У матеріалі були розміщені акустичні датчики типа МУП-1 (усього 8 – по чотири у кожної стрічки) і датчики тиску. Датчики МУП-1 можуть працювати і як приймач і як випромінювач сигналу. У даному експерименті сім датчиків (Д2…Д8) випромінювали сигнал, а один (Д1) – був приймачем. Досліджувалися відносні переміщення шарів матеріалу при проходженні криволінійної ділянки, а також тиск. Для дослідження взаємного зсуву шарів матеріалу був розроблений ультразвуковий акустичний комплекс (рис. 7).

Рис. . Схема проведення експерименту на крутопохилому конвеєрі з притискною стрічкою: 1 – датчики тиску; 2 – позначки на притискній і вантажонесучій стрічках; 3 – акустичні датчики та позначки у транспортованому середовищі

Генератор імпульсу (G) через мультиплексор передавав періодичний сигнал датчикам (Д2...Д8). Їх випромінювання реєструвалося датчиком Д1, який відправляв сигнал через підсилювач на блок обробки сигналів. У блоці обробки сигналів здійснювалося порівняння початкового сигналу генератора імпульсів (G) і сигналу, що поступив від приймача (датчик Д1). Оскільки на проходження акустичного сигналу (що розповсюджується із швидкістю звуку) від випромінювача до приймача затрачується час, пропорційний відстані між датчиками, то між сигналами, що поступили в блок обробки сигналів від генератора імпульсів і приймача утворюється зсув фаз, обумовлений часом проходження ультразвукового сигналу. У блоці обробки відбувається порівняння цих сигналів і визначення величини зсуву фаз між ними, далі ця інформація поступає на ПЕОМ, де обробляється. Таким чином, даний вимірювальний комплекс дозволяє у безперервному режимі фіксувати відстані між датчиками і відображати цю відстань на екрані монітора. Тарування датчиків здійснювалося на прямолінійній ділянці. Окрім виміру відстаней між датчиками вимірювався також тиск у матеріалі.

У результаті проведеного експерименту було встановлено, що під час руху матеріалу на криволінійних ділянках відбувається переміщення шарів, що призводить до проковзування притискної стрічки відносно вантажної і до проковзування вантажу відносно стрічки. Розходження теоретично одержаних і експериментальних даних залежності відносного проковзування притискної і вантажонесучої стрічок на завантажувальній перехідній ділянці при різному співвідношенні радіуса кривизни конвеєра до товщини шару вантажу не перевищувала 15% при довірчій ймовірності 0,95.

Додатково для візуального спостереження переміщення шарів у матеріалі були встановлені позначки. Кінограма руху системи “стрічка – вантаж – стрічка” на криволінійній перехідній ділянці наведена на рис. 8.

Рис. 8. Кінограма руху системи “стрічка – вантаж – стрічка” на криволінійній перехідній ділянці

Деформування системи “стрічка – вантаж – стрічка” в режимі безперервного навантаження характеризує рух частинок відносно криволінійного каналу і конвеєрної стрічки, а також взаємного руху частинок одна відносна одної.

Особливості одержаних залежностей:–

суттєве збільшення проковзування на ділянці із змінюваною кривизною;– 

наявність максимуму тиску поблизу контакту вантажу і стрічки;– 

зосередження основних зон деформування у фіксованому діапазоні секторів перехідної ділянки.

У четвертому розділі розроблена методика вибору раціональних параметрів перехідної ділянки КПК з притискною стрічкою.

Вибір параметрів перехідної ділянки від завантаження до крутопохилої частини визначається розмірами площадки на дні кар’єру з умови мінімальної довжини проекції перехідної ділянки.

Як цільова функція вибрана залежність довжини перехідної ділянки від функції радіуса кривизни, яка визначається виразом

. (8)

Функція радіуса перехідної ділянки від змінного кута підйому КПК подана у вигляді поліноміальної залежності

. (9)

Тоді довжина проекції перехідної ділянки визначатиметься за такою рекурентною формулою:

. (10)

Обмеження у вигляді функціонального зв’язку роботи сил тертя між вантажем і відповідною стрічкою А, питомої зносостійкості стрічки I і часом проходження стрічки по перехідній ділянці конвеєра:

, (11)

де – довжина стрічки; – час руху стрічки за цикл; Атр – робота сил тертя;  – сила нормального тиску між стрічкою і вантажем;  – відносне ковзання між стрічкою і вантажем; А0 – граничне значення роботи сили тертя.

Робота сил тертя на перехідній ділянці обмежена граничним значенням, що визначається довговічністю стрічки.

Контактна міцність стрічки за умови непроковзування вантажу і стрічки

, (12)

де N0 – граничне значення нормального тиску між стрічкою і вантажем.

З використанням цільової функції і наведених залежностей між зносостійкістю стрічки і параметрами роботи КПК: силою нормального тиску між стрічкою і вантажем, відносним ковзанням між стрічкою і вантажем, що одержані у розділах 2 і 3, був розроблений алгоритм вибору параметрів перехідної ділянки КПК, які задовольняють даним обмеженням.

Алгоритм пошуку залежності радіуса кривизни перехідної ділянки від ділянки завантаження до крутопохилої частини полягає в завданні початкового радіуса кривизни, що визначається мінімальним радіусом вигину лотока конвеєрної стрічки. Далі для заданого початкового значення розраховуються епюри нормальної взаємодії вантажу і стрічки на перехідній ділянці за динамічною моделлю крутопохилого конвеєра (розділ 2). Також розраховуються епюри відносного проковзування за моделлю плинності сипкого середовища (розділ 3), звідки визначаються області проковзування сипкого середовища відносно стрічки, а також знаходяться значення роботи сил тертя на перехідній ділянці і порівнюються з максимально допускним значенням. За методом найменших квадратів визначаються коефіцієнти аi для кривої перехідної ділянки із збільшеними радіусами кривизни в секторі проковзуванням вантажу і стрічки:

(13)

де k – номер ітерації.

Далі здійснюється перевірка функції . Якщо обмеження виконується, розрахунок закінчується.

За результатами розрахунку НДС системи “стрічка – вантаж –стрічка” можна рекомендувати наступні параметри КПК 270/3000: для завантажувальної перехідної ділянки у зоні формування притиснення довжина зони притиснення L = 4,6 м, радіус кривизни притискної стрічки R1пр = 28 м, радіус кривизни вантажонесучої стрічки R1гр =  м, кут нахилу бічних роликів 200.

Рис. . Форма перехідних кривих завантажувальної ділянки КПК 270/3000:

1 – за розробленою методикою, 2 – за методикою Картавого А.М.

На рис. 9 наведена форма перехідних кривих завантажувальної ділянки КПК 270/3000: 1 – знайденої за допомогою запропонованого алгоритму і 2 – запропонованої Картавим А.М. при розрахунку перехідної ділянки КПК, як зігнутої балки з двох стрічок і нестисливого сипкого середовища між ними. Запропонований у роботі алгоритм визначення залежності радіуса кривизни перехідної ділянки від кута поставу конвеєра передбачає визначення параметрів перехідної ділянки КПК в ітераційному режимі, що дозволяє підвищити термін служби стрічок на 75% при мінімальній проекції завантажувальної перехідної ділянки.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача теоретичного обґрунтування впливу кривизни перехідних ділянок на формування кінематичних і динамічних характеристик системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра, комплексному обґрунтуванні критеріїв і обмежень визначення раціональних параметрів перехідних ділянок КПК з притискною стрічкою, що забезпечують зниження зносу стрічок і розмірів проекції завантажувальної перехідної ділянки.

Основні теоретичні та практичні результати, висновки і рекомендації:

1. Одержані розрахункові епюри тиску між вантажем і стрічками на перехідній ділянці. При пуску КПК з часом перехідного режиму менше 7 с тиск на перехідній ділянці між вантажем і стрічкою на 70% більший за одержаний при статичному розрахунку, а прискорення збільшується у 2,5 рази.

2. На перехідній ділянці максимальне значення проковзування стрічок відносно вантажу на ділянці із змінюваною кривизною складає 5% і 7,5% притискної стрічки відносно вантажонесучої стрічки.

3. Аналіз одержаних залежностей напружено-деформованого стану сипкого середовища при русі на криволінійних перехідних ділянках показав наявність максимуму тиску поблизу контакту вантажу і стрічки, а також проковзувань оберненого знака в одному кутовому секторі для вантажонесучої і притискної стрічок відносно вантажу. Як обмеження вибору параметрів перехідної кривої КПК може служити загальна довжина зон проковзування.

4. Деформування насипного вантажу у криволінійному каналі в результаті безперервної появи зон взаємного руху і зчеплення частинок вантажу і стрічки із зміною форми при зміні радіуса кривизни призводить до зростання середнього значення тиску в шарі вантажу, яке має параболічний характер.

5. Нижню перехідну ділянку рекомендується виконувати зігнутою у вертикальній площині по дузі з початковим радіусом 40 м, що параболічно збільшується до 120 м. Це забезпечує збільшення запасу зносостійкості стрічок і мінімальну проекцію перехідної ділянки від зони завантаження до крутопохилої частини.

6. Запропонований алгоритм визначення залежності радіуса кривизни перехідної ділянки від кута поставу конвеєра передбачає визначення параметрів перехідної ділянки КПК в ітераційному режимі, що дозволяє на 75% підвищити термін служби стрічки при мінімальній проекції завантажувальної перехідної ділянки.

7. Розбіжність теоретично одержаних та експериментальних даних залежності відносного проковзування притискної і вантажонесучої стрічок на завантажувальній перехідній ділянці при різному співвідношенні радіуса кривизни конвеєра до товщини шару вантажу не перевищує 15% при довірчій ймовірності 0,95.

8. Методика визначення залежності радіуса кривизни перехідної ділянки від кута поставу конвеєра впроваджена на ЗАТ “Азовмаш” і використана при розробці проекту конвеєру КПК 270/3000. Очікуваний річний економічний ефект від упровадження запропонованої інженерної методики проектування кривої перехідної ділянки КПК за рахунок скорочення капітальних і експлуатаційних витрат складає 1600 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Сердюк А.А., Старченко Е.В., Калашников О.Ю. Определение напряженного состояния слоя груза крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. // Збірник наукових праць НГУ. – Дніпропетровськ. – 2002. – №13, Т.3.  С. 149-152.

2. Сердюк А.А., Калашников О.Ю. Динамика крутонаклонного конвейера с прижимной лентой // Вибрации в технике и технологиях – 2002. – №1(22). – С. 88-92.

3. Калашников О.Ю., Лавренко Ю.В., Кириченко А.И. Конвейерный транспорт АО “НКМЗ” // Горные машины и автоматика. – Москва. – 2003. – №8. – С. 16-19.

4. Калашников О.Ю., Сердюк А.А., Лапенко О.С. Динамика крутонаклонного конвейера // Тяжелое машиностроение – 2003. – №11. – С. 32-34.

5. Калашников О.Ю. Расчет устойчивости сыпучего груза на рабочем полотне конвейеров с прижимной лентой // Підйомно-транспортна техніка – 2003. – №3(7). – С. 37-42.

6. Калашников О.Ю., Сердюк А.А., Лапенко О.С. Частотное управление многодвигательными приводами крутонаклонного конвейера с прижимной лентойЗбірник наукових праць НГУ. Дніпропетровськ. 2004. №19, Т.3. – С. 79-82.

7. Сердюк А.А., Калашников О.Ю., Степаненко И.В. Разработка математической модели ленточного конвейера // Збірник наукових праць НГУ. Дніпропетровськ. 2005. №21. – С. 107-112.

8. Сердюк А.А., Калашников О.Ю. Динамика крутонаклонного конвейера с прижимной лентой // Труды Криворожского технического университета 2005. Т. 45. С. 256-263.

9. Сердюк А.А., Калашников О.Ю. Моделирование движения сыпучей среды на криволинейном участке крутонаклонного конвейера с прижимной лентой // Горные машины и автоматика. 2005. – №1, С. 15-17.

10. Патент № 50560А Україна. Крутопохилий стрічковий конвеєр // А.О. Сердюк, В.А. Зябрев, О.Ю. Калашніков, В.Г. Нагорная; опубліковано 12.02.2002. Бюл. № 10.

11. Патент № 51881А Україна. Крутопохилий стрічковий конвеєр / О.Ю. Калашніков, А.І. Кіріченко, О.З. Токарев, В.І. Грохоткін; опубліковано 16.12.2002. Бюл. № 12.

12. Патент № 52130А Україна. Крутопохилий стрічковий конвеєр / А.І. Кіріченко, О.Ю. Калашніков, Ю.В. Лавренко, О.З. Токарев; опубліковано 16.12.2002. Бюл. № 12.

13. Патент № 58988А Україна. Крутопохилий стрічковий конвеєр / О.Ю. Калашніков, А.І. Кіріченко, О.З. Токарев, Ю.В. Лавренко; опубліковано 15.08.2003. Бюл. № 8.

14. Патент № 61348А Україна. Крутопохилий стрічковий конвеєр // В.А. Зябрев, С.М. Куваєв, О.Ю. Калашніков, В.Г. Нагорная, А.О. Сердюк, К.Д. Старченко; опубліковано 17.11.2003. Бюл. № 11.

15. Сердюк А.А., Старченко Е.В., Калашников О.Ю. Перспективный транспорт для глубоких карьеров // Проблемы механики горно-металлургического комплекса: Материалы междунар. науч.-техн. конф. – Дніпропетровськ, 2002. – С. 187-189.

16. Калашников О.Ю. Расчет устойчивости сыпучего груза на рабочем полотне конвейеров с прижимной лентой // Форум гірників: Матеріали міжн. конф. Днепропетровск, 2003. – Т. ІІ. – С. 243-245.

17. Калашников О.Ю. Определение рациональных параметров переходного участка крутонаклонного конвейера с прижимной лентой // Форум гірників: Матеріали міжн. конф. Днепропетровск, 2005. – Т. ІІ. – С. 185-191.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві: [1, 7] – розробка математичної моделі напружено-деформованого стану системи стрічка – вантаж – притискна стрічка крутопохилого конвеєра; [2, 4, 8] – визначення завдань досліджень, отримання аналітичних залежностей для розрахунку напружено-деформованого стану системи стрічка – вантаж – стрічка КПК; [3] – патентний огляд та узагальнення досвіду експлуатації КПК; [6] – постановка завдань дослідження та аналіз отриманих результатів; [9] – математичне моделювання та обробка результатів; [10-14] – розробка істотних ознак винаходів; [15] – доведена актуальність проблеми.

АНОТАЦІЯ

Калашніков О.Ю. Обґрунтування параметрів перехідної ділянки крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 – гірничі машини. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

Розроблена та досліджена математична модель напружено-деформованого стану системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра і одержаний метод розрахунку напружено-деформованого стану вантажу на перехідних ділянках крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою.

Одержана залежність відносного проковзування стрічок і вантажу на перехідних ділянках крутопохилого конвеєра.

Вирішена задача визначення раціональних параметрів перехідних ділянок крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою.

Розроблено методичні рекомендації щодо розрахунку характеристик напружено-деформованого стану системи “стрічка – вантаж – стрічка” крутопохилого конвеєра з притискною стрічкою і вибору оптимальних параметрів перехідних ділянок крутопохилого конвеєра.

Методика визначення залежності радіуса кривизни перехідної ділянки від кута поставу конвеєра впроваджена на ЗАТ “Азовмаш” і використана при розробці проекту КПК 270/3000. Очікуваний річний економічний ефект від упровадження запропонованої інженерної методики проектування кривої перехідної ділянки КПК за рахунок скорочення капітальних і експлуатаційних витрат складає 1600 тис. грн.

Ключові слова: крутопохилий конвеєр з притискною стрічкою, математична модель, напружено-деформований стан, перехідна ділянка, відносне проковзування.

АННОТАЦИЯ

Калашников О.Ю. Обоснование параметров переходного участка крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 – горные машины. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертационная работа посвящена расчету параметров переходного участка крутонаклонного конвейера, основанного на рассмотрении напряженного состояния сыпучих грузов с позиций теории текучести сыпучей среды. Такой подход позволил создать качественно новые методы расчета крутонаклонных конвейеров, учитывающие физико-механические свойства сыпучих грузов, динамику процесса транспортирования, механические свойства конвейерных лент и их изменение по длине в зависимости от тяговых усилий, деформацию конвейерной ленты и ее влияние на деформацию груза на переходном участке и другие конструктивные параметры конвейера.

Обоснованы рациональные параметры переходных участков, поперечного сечения и прижимных устройств крутонаклонного конвейера с прижимной лентой и установлены зависимости динамического взаимодействия лент и груза с учётом их упруго-диссипативных свойств.

Разработана и исследована математическая модель напряженно-деформированного состояния системы “лента – груз – лента” крутонаклонного конвейера с прижимной лентой и получен метод расчета напряженно-деформированного состояния груза на переходных участках крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Установлено, что увеличение коэффициента вязкого сопротивления в 10 раз, снижает частоту колебаний в 1,8 раза и максимальное усилие в ветвях в 1,1 раза. Уменьшение удельного сопротивления в 2…3 раза приводит к уменьшению декремента затухания на 25% и увеличивает в 3…3,5 раза время скольжения груза на основной ленте.

Получены зависимости относительного проскальзывания лент и груза на переходных участках КНК. Установлено, что проскальзывание между грузом и лентами в системе “лента – груз – лента” крутонаклонного конвейера с прижимной лентой на переходных участках пропорционально изменению кривизны и обратно пропорционально давлению прижимной ленты и толщине груза.

Решена задача определения рациональных параметров переходных участков крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Установлено, что критерии выбора рациональных параметров радиуса переходных участков крутонаклонного конвейера определяются работой сил трения при относительном проскальзывании лент и груза системы “лента – груз – лента” и контактной прочностью ленты.

Разработаны и переданы для использования ЗАО “Азовмаш” методические рекомендации по расчету характеристик напряженно-деформированного состояния груза