ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

“ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

Бережной Андрій Юрійович

УДК 622.647.2

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ НОЖОВИХ ОЧИСНИКІВ СТРІЧОК КОНВЕЄРІВ ДЛЯ ГІРНИЧИХ ПІДПРИЄМСТВ

05.05.06 – Гірничі машини

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана

в Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Будішевський Володимир Олександрович,

ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”,

завідувач кафедри гірничозаводського транспорту

і логістики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гуляєв Володимир Георгійович,

ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, професор кафедри гірничих машин;

доктор технічних наук, професор

Самуся Володимир Ілліч,

Національний гірничий університет,

завідувач кафедри гірничої механіки

Захист відбудеться 04 жовтня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.05 в Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, І навч. корп., ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, , ІІ навч. корп.

Автореферат розісланий 03 вересня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д .052.05

доктор технічних наук, професор В.П. Кондрахін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності гірничодобувних галузей промисловості значною мірою залежить від подальшого удосконалення засобів безупинної доставки гірничої маси. Стрічкові конвеєри в гірничій промисловості відносяться до найбільш ефективних засобів неперервного транспорту, оскільки характеризуються відносною простотою конструкції й обслуговування, низькими експлуатаційними витратами і високою продуктивністю. Однак проблема ефективної очистки стрічок залишається однією з основних при вирішуванні задач підвищення надійності і зниження трудомісткості обслуговування стрічкових конвеєрів, що транспортують пластичні гірничі маси.

Детальний аналіз досліджень за обраною темою показав, що вони містять часткові відомості емпіричного характеру, що відносяться до окремих експериментальних зразків і відображають лише деякі закономірності. Опубліковані експериментальні і теоретичні результати відокремлені і не узгоджуються, у першу чергу, по вихідним величинам, що не дозволяє оцінити адекватність аналітичних моделей. Відомі моделі не враховують комплексно основні групи факторів, що обумовлюють формування навантаження на ніж з боку шару, що зрізуються: фізико-механічні властивості налиплого матеріалу, поверхонь ножа, взаємодіючих з ним, і поверхні, що очищується; геометричні параметри ножа: лінійні розміри, кути нахилу робочих поверхонь; параметри режиму зрізання: товщини налиплого шару і шару, що зрізується, швидкість руху стрічки. Не враховується також пластичний механізм зрізання зв'язних забруднень, очистка яких найбільш ускладнена, не визначені умови відтискання ножів, що спричиняють незадовільну їхню роботу. Велика кількість малоефективних технічних рішень для механічних пристроїв, що зрізують налиплий шар, можна пояснити відсутністю наукового обґрунтування вибору їхніх параметрів. Методика розрахунку ножових очисників стрічок конвеєрів не розроблена, і відомі аналітичні моделі в силу відзначених недоліків не можуть бути покладені в її основу. Тому встановлення залежностей між складовими зусилля, що створюється зв'язними забрудненнями на ножі, компонентами напруги в пластично деформованих областях, що формуються на поверхнях ножа і стрічки, з одного боку, і геометричними параметрами ножа, товщиною та шириною налиплого шару та шару, що зрізується, характеристиками міцності матеріалу, що очищується, його щільністю, швидкістю конвеєрної стрічки, з іншого боку, є актуальним науковим завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація виконана відповідно до основних напрямків Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року і госпдоговірних науково-дослідних робіт “Обґрунтувати параметри та розробити схемно-конструктивне рішення експериментального пристрою для очистки конвеєрних стрічок гірничо-транспортних машин” (№ДР01890036950), “Розробка методики розрахунку пристроїв для очистки стрічок конвеєрів, які випускаються ВО “Азовмаш” (№ДР01900001794), у яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є створення ефективних ножових очисників стрічок на основі розробки метода визначення навантаження на їхні робочі органи, що враховує вплив комплексу різнорідних чинників, наукового обґрунтування методики розрахунку, вибору конструкцій та параметрів, які забезпечують підвищення експлуатаційної продуктивності стрічкових конвеєрів, що транспортують пластичні гірничі маси.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні завдання:

- розробити математичну модель, що зв'язує фізико-механічні, кінематичні і геометричні фактори процесу очистки стрічок конвеєрів ножовими пристроями з параметрами навантаження на ніж і стрічку;

- дослідити отриману математичну модель і установити закономірності формування навантаження на робочий орган ножового пристрою і поверхню стрічки конвеєра в зоні очистки;

- експериментально дослідити залежності складових навантаження на ніж від його геометричних параметрів, швидкості стрічки і товщини шару, що зрізується; одержати в ході натурного експерименту вихідні дані і провести порівняння результатів теоретичних і експериментальних досліджень;

- розробити конструкції і методику розрахунку ножових пристроїв для очистки стрічок конвеєрів;

- впровадити результати досліджень і визначити їхню економічну ефективність.

Об'єкт дослідження – процес взаємодії ножового очисника з налиплим вантажем та стрічкою конвеєра.

Предмет дослідження – параметри навантаження на ніж, на механізм його притиснення та на стрічку конвеєра в зоні очистки з урахуванням впливу комплексу фізико-механічних, кінематичних і геометричних факторів.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використовувався комплекс теоретичних та експериментальних методів досліджень: аналіз і узагальнення сучасних уявлень про способи очистки стрічок конвеєрів і механізм формування навантаження на робочі органи очисників; формалізація, теорія пластичності, чисельний аналіз - для побудови і дослідження математичної моделі процесу очистки; планування експериментів, регресійний і дисперсійний аналіз, електротензометрія – при проведенні експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше установлено, що зусилля, яке виникає на ножі очисника від впливу зв'язних забруднень, визначається опором пластичному деформуванню і швидкісним напором шару, що зрізується, а серед геометричних параметрів, що опосередковують вплив цих факторів, найбільш значимим є кут нахилу передньої поверхні ножа, який перевершує інші по відносній силі впливу до 2,4 раз.

2. Вперше на основі теорії пластичного плину врахована спільна дія основних формуючих навантаження факторів, яка відбивається лінійною залежністю компонентів напруги на робочих поверхнях ножа від добутку квадрата швидкості конвеєрної стрічки і щільності шару забруднень, а також експоненціальними залежностями від геометричних параметрів, зчеплення, кутів внутрішнього і зовнішнього тертя.

3. Вперше установлено, що, з урахуванням критерію забезпечення ресурсу робочої обкладки стрічки конвеєра, нижня межа зусилля притиснення ножа, потрібного для подолання додаткового інерційного навантаження, що виникає під впливом поперечних коливань конвеєрної стрічки, пропорційна добутку амплітуди і квадрата циклічної частоти цих коливань.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці методики розрахунку і конструкцій пристроїв для очистки конвеєрних стрічок, обґрунтуванні їхніх раціональних конструктивних параметрів. Конструкції пристроїв захищені авторськими свідоцтвами №1787889 від 15.09.1992, №1787890 від 15.09.1992.

Підготовлена і прийнята до використання ВО “Азовмаш” методика розрахунку пристроїв для очистки стрічок конвеєрів, що випускаються цим об'єднанням. Методика включає оригінальне програмне забезпечення.

Методика розрахунку і рекомендації роботи використані Марганецьким ГЗК та шахтоуправлінням ім. річчя ВЖСР, шахтами “Зуєвська” і “Комуніст” при проектуванні пристроїв для очистки стрічки шириною 2000 мм кар'єрного конвеєра продуктивністю 5000 м3/год, а також пристроїв для очистки стрічок шириною 1000 мм шахтних конвеєрів.

Отримані в дисертації результати використовуються кафедрою гірничозаводського транспорту і логістики Донецького національного технічного університету в навчальному процесі для студентів гірничомеханічних спеціальностей.

Методика розрахунку пристроїв для очистки стрічок конвеєрів та рекомендації з вибору їх основних конструктивних параметрів використані проектною організацією - Донецьким державним інститутом науково-дослідних, проектних робіт і інженерних послуг у вогнетривкій промисловості (ДонНДГРІ) при проектуванні роторного екскаватора ЕР 320-11-0,5Д та перевантажувача П-1,0/25,5+38,8*15. Ефективна очистка конвеєрних стрічок на роторних екскаваторах ЕР 320-11-0,5Д дозволила одержати фактичний річний економічний ефект у сумі 48580,00 грн у ЗАТ “Огнеупорнеруд” і в сумі 51157,00 грн в ВАТ “Дружківське рудоуправління”.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих в співавторстві, полягає в розробці та реалізації способу визначення характеристик опору зсуву налиплого на конвеєрну стрічку грунту [1], побудові та аналізі математичної моделі процесу очистки [7]. Внесок автора у технічні розробки [8, 9, 10] – формулювання ідеї, обгрунтування новизни та відмітних ознак.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися на Другій міжнародній молодіжній науковій конференції “Довкілля – ХХI. Перехід до сталого розвитку” (Дніпропетровськ, 2004р.), ІV Міжнародній науково-практичній конференції “Теория и практика решения экологических проблем в металлургической и горнодобывающей промышленности” (Дніпропетровськ, 2004р.), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів” (Дніпропетровськ, 2005), Міжнародній конференції вогнетривників та металургів “Прогрессивные направления развития и использования огнеупоров в металлургии стран СНГ. Обеспечение огнеупорных заводов сырьём и хромитовой рудой” (Ялта, 2004).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в дванадцятьох друкованих працях, серед яких сім статей у наукових фахових виданнях, тези доповідей на двох міжнародних конференціях і три авторські свідоцтва.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Дисертація викладена на 260 сторінках, включаючи 51 ілюстрацію на 31 сторінці, 28 таблиць на п'ятнадцятьох сторінках, список використаних джерел зі 135 найменувань на тринадцятьох сторінках, десять додатків на 83 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Огляд літератури за темою і завдання дослідження” наведені порівняльна характеристика основних способів і класифікація пристроїв очистки стрічок конвеєрів, виконаний аналіз результатів наукових досліджень очистки стрічок механічним способом, сформульовані завдання дослідження та ідея роботи.

Значний внесок у розвиток наукових досліджень, підвищення технічного рівня та ефективності експлуатації стрічкових конвеєрів внесли учені, у тому числі Донецького національного технічного університету, Інституту геотехнічної механіки НАН України і Національного гірничого університету, М.С. Поляков, І.Г.Штокман, Б.А. Кузнецов, М.Я. Біліченко та інші.

Проблема боротьби з налипанням вантажу на конвеєрні стрічки не є новою. Виявлено роботи десятків наукових, проектних організацій і вищих навчальних закладів, у тому числі Національного гірничого університету, УкрНДІпроекта, НДІОГРа, КАТЕКНДІвугілля, ДонНДГРІ, НДІКМА, Уфімського нафтового, Московського, Санкт-Петербурзького, Єкатеринбурзького державних гірничих університетів, Брянського університету транспортного машинобудування та ін. Публікації торкаються широкого кола питань: налипання, його механізм і фактори, розподіл сили адгезії по ширині конвеєрної стрічки, моделювання умов і визначення параметрів забруднення, синтез, вибір, оптимізація показників засобів очистки, дослідження окремих способів і пристроїв, їх реалізуючих. Однак налипання пластичної гірничої маси на стрічки залишається одним з факторів, що істотно знижують ефективність експлуатації конвеєрів та призводять до високого рівня трудомісткості обслуговування. Незадовільна очистка стрічок конвеєрів породжує проблеми збирання просипу і розштибовування підконвеєрного простору, що вимагають значних витрат ручної праці. Згідно опублікованим даним, простої стрічкових конвеєрів на відкритих гірничих роботах, викликані налипанням матеріалу, що транспортується, досягають 30загальної тривалості простоїв, а збирання просипу на підприємствах нерудної промисловості складає четверту частину загального обсягу ручних робіт, з ним пов'язано близько 32 % усіх нещасних випадків.

Очистка стрічок конвеєрів, транспортуючих гірничу масу, що налипає, є складною задачею. Високий ступінь очистки повинен бути досягнутий при мінімальних капітальних, експлуатаційних витратах і за умови збереження цілісності робочої обкладки стрічки. Накопичений виробничий і науковий досвід свідчить про те, що при використанні конструктивно складних і дорогих гідравлічних, пневматичних, теплових і електромагнітних засобів очистки стрічки витрати не компенсуються ростом ефективності.

Зрізання налиплого шару супроводжується його необоротним пластичним деформуванням. Значний внесок у розвиток теорії граничного плину суцільних середовищ внесли С.О. Христианович, О.Ю. Ішлинський, В.В. Соколовський. Можливість застосування математично строгого методу характеристик теорії пластичності для визначення опору ґрунтів різанню та копанню детально розглядалася Ю.О. Вєтровим. Результат розгляду позитивний. Згідно Ю.О. Вєтрову, зіставлення підсумків розрахунків по методу характеристик з даними дослідів показало, що в ряді закономірностей процесу вони близькі або сходяться. Тому представляється виправданим аналіз процесу очистки стрічки, виконаний у даній роботі, за допомогою теорії пластичності, зокрема, теорії ліній ковзання і методу характеристик, з використанням моделі плоского пластичного плину, що спирається на асоційований закон плину і граничну умову Кулона.

Ідея роботи полягає в урахуванні спільного впливу різнорідних чинників, що формують навантаження на ніж, на основі уявлень про пластичний механізм деформування зв’язних забруднень, які зрізуються.

В другому розділі “Розробка математичної моделі процесу очистки налиплої гірничої маси ножовими пристроями”, побудована модель дії на ніж шару, що зрізується, яка у загальному вигляді може бути представлена таким чином:

де - вектор складових зусилля на передній, задній поверхнях ножа та на ножі в цілому, в розрахунку на одиницю ширини шару, що зрізується;

- вектор нормальних і дотичних компонентів напруги на відрізках пластичного контакту на поверхні стрічки, передній і задній поверхнях ножа;

F1, F2 – багатомірні функції;

- множини вхідних змінних, що характеризують фізико-механічні властивості налиплої гірничої маси, поверхонь ножа і стрічки, кінематичний і геометричні параметри;

с, дн, дл – кути тертя налиплої гірничої маси - відповідно внутрішнього і зовнішнього по ножу і по стрічці; тут і нижче індекс “н” указує на відношення змінної до передньої поверхні ножа, аналогічно, індекс “л” - до поверхні стрічки, що очищується;

k, kн, kл – показники зчеплення; у загальному випадку kн і kл не збігаються між собою та зі зчепленням k у граничній умові Кулона ;

гс, Bс - щільність і ширина налиплого шару;

в, вз - кути нахилу передньої і задньої поверхонь ножа до осі x (див. рис. 1);

lп, lз - довжини передньої і задньої поверхонь ножа;

hс, hр - товщини налиплого шару і шару, що зрізується;

vл - швидкість конвеєрної стрічки.

Згідно опублікованим даним, ступінь очистки не залежить від кута установлення ножа в плані. При косому розташуванні ножа виникає децентруючий вплив на стрічку і збільшується матеріалоємність пристрою, що особливо помітно при великих ширині і швидкості стрічки. Тому було прийнято, що напрямок руху конвеєрної стрічки перпендикулярний до різальної кромки. Задача у цьому випадку, власне кажучи, плоска. Шар, що зрізується, має невелику товщину, і його сила ваги не враховувалась. Ніж і стрічка розглядалися як тверді, вантаж як твердо-пластичний. Пружні деформації відповідно до твердо-пластичної схеми аналізу не розглядалися.

Ніж з додатним заднім кутом бз контактує з вантажем, що очищується, тільки передньою поверхнею, яка зображена на рис. лінією 1. Контур задньої поверхні позначено

на рис. штриховою лінією 2. Положення поверхні, що очищується, при щільному контакті з ножем і при наявності зазору hзаз між нею і ножем показані відповідно лініями 3 і 4. Однією з особ-ливостей розглянутого процесу є можливість утворення на передній поверхні ножа наросту матеріалу, що зрізується. Межі наросту показані на рис. відрізками 1, 3, 5. Наріст на передній поверхні формується, якщо ніж щільно притиснутий до стрічки і виконується нерівність чи ,

Слід зазначити, що ніж, нахилений по ходу стрічки з кутом в < в2, не забезпечує очистку, а якщо в і в1, то наріст не утворюється.

Нормальні уn, уx і дотичні фnt, фxy компоненти напруги на відрізках пластичного контакту на передній поверхні та на поверхні, що очищується, визначаються за виразами

(1)

(2)

де ц - кут між віссю x і головною віссю найбільшого стиснення; у1 , у2 - головні нормальні напруги.

Для схеми очистки ножем з додатним заднім кутом без наросту на передній поверхні матеріалу, що зрізується, залежності, які визначають напрямки головних осей, якщо hзаз = 0, отримані у вигляді

,

природна довжина пластичного контакту з передньою поверхнею ножа lк.е шару, що зрізується, розраховується по формулі

а величини ун, ул знаходяться за допомогою виразів

при lk.e < lп,

при lk.e > lп,

де Дц – параметр, визначений з умови пластичного деформування по всій товщині шару, що зрізується. Схожі залежності отримані для схем очистки ножем з додатним заднім кутом: попередньої, коли hзаз , і з наростом на передній поверхні матеріалу, що зрізується.

Якщо задній кут приймає від’ємні значення, то з шаром, що зрізується, взаємодіють передня і задня поверхні ножа. Можливі наступні схеми очистки при hзаз = 0: з наростом тільки на задній поверхні, без наросту, чи з наростом на ножі. Останній випадок має місце, якщо кути нахилу передньої в і задньої вз поверхонь задовольняють обмеженням: . Наріст тільки на задній поверхні, обкреслений на рис. відрізками 6, 7 і 8, формується, якщо виконуються умови: . Величини в1з, в2з розраховуються по наведеним вище формулам для знаходження в1, в2 після заміни змінної ун на ун.з - значення, прийняте змінною у на задній поверхні. Наріст не формується, якщо hзаз

При від’ємному задньому куті на вільній поверхні з'являється наплив, зовнішня межа якого при твердо-пластичній схемі аналізу і плоскому ставленні задачі апроксимується прямолінійним відрізком, позначеним на рис. цифрою . Відрізок, що обмежує наплив, при наявності наросту на задній поверхні складає з додатним напрямком осі x кут

а висота напливу дорівнює

.

Якщо наросту на поверхнях ножа немає, то розрахункові залежності для визначення hнап і г аналогічні. Товщина шару, що зрізується передньою поверхнею hп.п, у порівнянні з ножем з додатним заднім кутом збільшується на hнап: , тому при визначенні lк.е і Дц замість hр використовується hп.п. Поза залежністю від наявності наросту на задній поверхні ножа змінні ун і ун.з зв'язані експоненціальною залежністю де цн.з кут між віссю x і головною віссю найбільшого стиснення на задній поверхні ножа. Компоненти напруги на задній поверхні визначаються за виразами подібними відповідно (1), (2). Проекції зусилля на ножі обчислюються інтегруванням по задній і передній поверхнях.

Схеми очистки стрічки при hзаз >0  ножем з від’ємним заднім кутом розділені на дві групи по напрямках відводу тієї частини налиплого шару, що зрізується задньою поверхнею: убік вільної поверхні, при цьому , і під задню.

Для врахування додаткового навантаження, обумовленого швидкісним напором шару, що зрізується, використана рівність похідної за часом кінетичної енергії шару, що зрізується, і тієї частини потужності зовнішніх поверхневих сил, що йде на її зміну. Зокрема, збільшення змінної ун, обумовлене швидкісним напором примазок, при відсутності наросту і визначається по формулі

,

де – vсх швидкість сходу стружки; гс - щільність налиплого шару.

Для визначення швидкості сходу стружки vсх була проаналізована кінематична картина. Швидкість сходу стружки не залежить від того, яке значення придане бз. Як приклад, для схем без наросту на передній поверхні ножа отримані вирази мають вигляд

Обумовлені швидкісним напором збільшення компонент напруги на поверхнях ножа і складових сили опору зрізанню Pxк, Рук знаходяться по відомому за допомогою формул, приведених вище.

Таким чином, на основі теорії граничного плину установлено, що спільна дія основних формуючих навантаження факторів відбивається лінійною залежністю компонентів напруги на робочих поверхнях ножа від добутку квадрата швидкості конвеєрної стрічки і щільності шару забруднень, а також експоненціальними залежностями від геометричних параметрів, зчеплення, кутів внутрішнього і зовнішнього тертя.

До ножових очисників пред'являється вимога повного видалення забруднюючих примазок при мінімальному зносі робочої обкладки. Тому завдання полягало у визначенні нижньої межі зусилля притиснення ножа Fпр. У випадку закріплення ножа з можливістю здійснювати поступальний рух у напрямку, близькому до нормального до поверхні, що очищується, пристрій можна представити як коливальну систему з одним ступенем свободи (див. рис. 2)

Диференціальне рівняння руху притиснутого до конвеєрної стрічки ножа має вигляд

, (3)

де m – приведена маса рухомих частин пристрою з налиплим на них вантажем; t – час; g - прискорення вільного падіння; вy - кут нахилу осі x, уздовж якої відбуваються коливання, до обрію; Fmp - проекція на вісь x сил опору направляючих ножа; Pлx - проекція на вісь x сили, з якою стрічка впливає на ніж. Якщо виконується нерівність Pлx0, то ніж притиснутий до стрічки, а прискорення ножа визначається прискоренням стрічки, яка здійснює поперечні коливання. У підсумку, необхідне зусилля притиснення ножа повинне задовольняти умові:

Fпр > meщ2cosщtcosл-Pсx(T1,T2,T3)+mgsinвy+Fmpsgn(dx/dt), (4)

де e, щ – відповідно амплітуда і циклічна частота поперечних коливань конвеєрної стрічки; л - кут відхилення від осі x полярного радіуса, проведеного від осі обертання розвантажувального барабана до лінії контакту ножа зі стрічкою. Схожа залежність отримана для визначення необхідного моменту притиснення ножа, закріпленого на поворотних важелях. Таким чином, нижня межа зусилля притиснення ножа, потрібного для подолання додаткового інерційного навантаження, що виникає під впливом поперечних коливань конвеєрної стрічки, при розміщенні ножа під розвантажувальним барабаном, пропорційна добутку амплітуди і квадрата циклічної частоти цих коливань.

Якщо нерівність (4) не виконується, і між ножем і стрічкою з'явився зазор, то Pлx 0. Аналітичне рішення диференціального рівняння (3) при Pлx0 отримано для ножа з додатним заднім кутом, lп > lк.е і пружинним механізмом притиснення при hс = const, Fmp = const. Зазначені геометричні параметри ножа є, як показано нижче, раціональними.

a = , d1 = ,

d2 = ,

,

де С1, С2 – довільні постійні.

Відповідно до отриманих залежностей рух ножа з появою зазору між ним і стрічкою складається з власного: аперіодичного при a < 0 чи коливального при a > 0, - і змушеного коливального. Система стає автоколивальною, якщо . Автоколивання ножа, установленого з зазором між ним і стрічкою, спостерігалися в ході експериментальних досліджень процесу очистки. При умова резонансу має вид . Жорсткість пружин спр.р, при якій можливе виникнення резонансу, розраховується за формулою . Аналогічні залежності отримані для ножа, закріпленого на поворотних важелях. Таким чином, критична жорсткість пружного елемента механізму притиснення ножа, при якій пристрій втрачає працездатність через резонанс, є лінійною функцією квадрата циклічної частоти поперечних коливань конвеєрної стрічки і часткових похідних складових зусилля, що формується на ножі від впливу шару, що зрізується, по товщині цього шару. Оскільки при експлуатації конвеєра щ змінюється від нуля при зупинці до значення сталого режиму, жорсткість пружного елемента повинна задовольняти умові спр > спр.р. При проектуванні впроваджених ножових очисників отримані наступні значення критичної жорсткості: спр.р = 1,9 х 105Н/м при vл =6,15м/с, щ = 24,6 с-1 для кар'єрного конвеєра із шириною стрічки 2000 мм; спр.р = 3,8 х 103 Н/м при vл =1,5 м/с, щ = 4,8 с-1 для шахтного конвеєра із шириною стрічки 1000 мм; спр.р = 1,5 х 104 Н/м при vл =2,77 м/с, щ = 8,8 с-1 для конвеєрів із шириною стрічки 1000 мм на стрілах роторного екскаватора і перевантажувача.

У третьому розділі “Встановлення закономірностей формування навантаження на робочі органи ножових очисників і стрічку” в результаті дослідження математичної моделі процесу очистки за допомогою ЕОМ були встановлені істотні зв'язки між геометричними параметрами ножа, кінематичними і фізико-механічними факторами, з одного боку, складовими зусилля на ножі, компонентами напруги на його поверхнях і поверхні стрічки, з іншого боку.

Розрахунок параметрів очистки здійснений за допомогою програм, складених мовами програмування ФОРТРАН, що реалізуються у Windows у версії - Intel Visual Fortran Compiler, та PL/1. Системи трансцендентних рівнянь при визначенні ун, цн і Дц розв’язувалися ітераційним методом Зейделя, при визначенні ул, цл - методом Ньютона-Рафсона. Для ножа з увігнутою передньою поверхнею інтегрування диференціального співвідношення, яке супроводжує побудову сітки ліній ковзання, виконувалося методом Кліппінгера і Дімсдейла, розрахунок координат меж відрізка пластичного контакту здійснювався за допомогою модифікованого методу Ньютона, визначені інтеграли, чисельно рівні Px, Py, були обчислені по формулі Сімпсона.

У результаті реалізації на ЕОМ цих програм установлено наступне:

1. Наріст матеріалу, що зрізується, на ножі може формуватися при досить великих кутах нахилу передньої поверхні назустріч ходу стрічки - до 3/8р. Наріст, що сформувався, вдавлюється в поверхню, що очищується, при будь-яких сполученнях геометричних параметрів ножа, що не порушують умов утворення наросту.

2. Якщо ніж з додатним заднім кутом і lп > lк.е, то абсолютна величина складової зусилля |Py|, дотична до стрічки, є монотонно спадною функцією в. Дослідження похідних функцій Py(в), Px(в) показало, що вони можуть мати екстремуми при lп < lк.е, положення яких визначається геометричними параметрами: lп / hр, в,- і параметрами граничного опору зсуву. Однак поява екстремумів цих функцій при технічно можливих сполученнях в, lп / hр і реальних значеннях параметрів граничного опору зсуву малоймовірно. Залежність Px(в) знакозмінна: при малих в <фnt / уn) ніж виштовхується убік вільної поверхні, при великих притискається до стрічки. Для нормальної компоненти напруги на поверхні стрічки уx при відсутності наросту простежується наступна закономірність: збільшення в усуває вдавлення забруднень, призводить до появи відриваючої напруги уx > -Нл. Якщо на ножі є наріст, то на ділянці пластичного контакту шару, що видаляється, і стрічки уx не залежить від в при lп > lк.е і проходить через мінімум при в = у противному випадку.

3. Укорочування передньої поверхні ножа з додатним заднім кутом, однозначно, незалежно від значення, наданого в, впливає тільки на компоненти напруги на робочих поверхнях ножа і на стрічці: вони зростають по абсолютній величині за експоненціальним законом. Тому використання укорочених ножів має негативну особливість – підвищений тиск на стрічку. З залежностями Px(lп) і Py(lп) ситуація складніше. Якщо на ножі формується наріст, то зменшення lп супроводжується зменшенням Px і Py. Якщо наросту немає, то результат складається під впливом різноспрямованих факторів: довжини пластичного контакту, напрямку головної осі найбільшого стиснення, величин головних нормальних напруг.

4. Збільшення зазору між різальною кромкою ножа з додатним заднім кутом і поверхнею, що очищується, призводить до зменшення вдавлення матеріалу, що зрізується, і навіть до розпушуючого впливу коли уx < . Ефект розпушування яскравіше виражений при lп > lк.е. Ступінь його прояву зростає зі збільшенням в.

5. За критеріями Px®max, |Py|®min, уx®min може бути рекомендована наступна комбінація геометричних параметрів ножа з додатним заднім кутом: в > 0, lп > lк.е.

6. Наслідком надання задньому куту від’ємного значення є підвищення навантаження на передню поверхню, якщо цн.з м, у цілому на ніж, а також стрічку. Додаткове навантаження, обумовлене впливом задньої поверхні, наближується до нуля, якщо lз®0. За критеріями Px®max, |Py|®min, уx®min застосування ножів з від’ємним заднім кутом невиправдано.

7. Оцінка внеску швидкісного напору в навантаження, яке створюється шаром, що зрізується, показала істотність цього фактора і необхідність його введення в методику розрахунку ножових очисників (див. таблицю). При швидкості стрічки vл =  м/с внесок швидкісного напору в навантаження, яке створюється шаром, що зрізується, для Px склав 0,1%, для Py - ,2%, при швидкості  vл м/с – 60% для обох складових. Ігнорування цього фактора виправдано, очевидно, при швидкості стрічки менш 1 м/с.

Таблиця

Вплив швидкості стрічки на складові опору зрізанню для ножа з додатним заднім кутом при в = 0, lп / hр = ,5, hр = -2 м, гс = ,5х103 кг/м3, Н = ,4х104 Па

vл, м/с | Pxк, Н/м | Рук, Н/м | Px, Н/м | Py, Н/м | Pxк/Px100% | Рук/Py100%

1 | 0,1 | -6 | 105 | -189 | 0,1 | 3,2

2 | 10 | -23 | 115 | -206 | 8,7 | 11

3 | 27 | -51 | 131 | -234 | 21 | 22

4 | 50 | -90 | 155 | -273 | 32 | 33

5 | 80 | -141 | 184 | -324 | 43 | 44

6 | 116 | -203 | 221 | -386 | 52 | 53

7 | 159 | -276 | 264 | -459 | 60 | 60

8. Порівняння ножів з плоскою та увігнутою передніми поверхнями за критеріями Px®max, |Py|®min виявилося не на користь останнього. Єдина перевага увігнутої передньої поверхні полягає в більш низькому рівні напруг на ній, якщо lп > lк.е. Увігнутість передньої поверхні дозволяє розвантажити різальну кромку.

У четвертому розділі “Експериментальні дослідження процесу очистки ножовими пристроями” отримані регресії складових навантаження на ніж від його геометричних параметрів, швидкості стрічки і товщини шару, що зрізується; також були визначені характеристики граничного опору зсуву вантажу, що очищується, які є вихідними даними при виконанні розрахунків, і проведене порівняння результатів теоретичних і експериментальних досліджень. При постановці досліджень застосовувалися математичні методи планування експериментів, а при обробці - регресійний аналіз.

Для проведення експериментальних досліджень був спроектований і виготовлений стенд, який складався з конвеєра з тиристорним приводом, що регулюється, двох двохкомпонентних тензодинамометрів, призначених для виміру взаємно перпендикулярних складових зусилля на змінних ножових робочих органах пристроїв для очистки, та генератора постійного струму ЭТ-4, який використовувався для визначення швидкості стрічки. Ширина гумовотканинної конвеєрної стрічки стенда 600 мм. Діапазон безступінчастого регулювання швидкості стрічки 0,4   м/с. У якості регіструючої апаратури використовувався осцилограф Н145 з підсилювачем перемінного струму 8АНЧ-7м і магазином опорів Р33. Вантажем, що очищується, була глина порушеної структури – підконвеєрний просип, зібраний на Грушевському кар'єрі Марганецького ГЗК. Вологість глини складала 18 %.

Відкликами в експериментальних дослідженнях служили складові зусилля на ножі, що приходиться на одиницю його ширини: нормальна Pn і дотична Pt до передньої поверхні. Як фактори були прийняті: кут загострення ножа б, град; довжина передньої поверхні ножа lп, мм; товщина ножа Sн, мм; кут нахилу передньої поверхні ножа в, град; товщина шару, що зрізується, hр, мм; швидкість стрічки vл, м/с. Математичні моделі досліджуваного процесу, розроблені раніше, нелінійні по перерахованих факторах. З огляду на це і те, що опису піддавалася досить велика область факторного простору, вирішено було одержати рівняння регресії другого порядку. Для побудови регресійних моделей був обраний симетричний композиційний трирівневый план. Порядок проведення дослідів визначався за таблицєю випадкових чисел. Рандомізація дозволила виключити вплив систематичних помилок, обумовлених зовнішніми причинами. Обробка осцилограм виконана методом ординат. Оцінка дисперсій відтворюваності здійснена за результатами трьох дослідів у центрі плану. При цьому була перевірена однорідність отриманих вибірок з використанням F – розподілу, а так само приблизно по асиметрії й ексцесу - гіпотези про нормальний характер розподілів.

Статистична обробка результатів експерименту виконана за допомогою автоматизованої системи наукових досліджень “Матеріал”. На першому етапі коефіцієнти регресії були отримані методом найменших квадратів. Зважаючи на те, що моделі містили багато статистично незначущих коефіцієнтів, а також на те, що модель Pn була адекватна, а модель Pt – неадекватна за критерієм Фішера, структура моделей була поліпшена методом крокової регресії. Усі коефіцієнти, включені в підсумкові моделі, статистично значимі - імовірність значимості перевищує 0,95. Моделі адекватні - розрахункові значення F – критеріїв менше табличних. Рівняння, що зв'язують Pxс і Рус з Pn і Pt Pxс = Pnsinв Ptcosв; Рус =  Pn cosв Ptsinв, дозволили одержати залежності Pxс(б, lп, Sн, в, hр, vл) і Рус(б, lп, Sн, в, hр, vл), до складу яких увійшли лінійні ефекти усіх факторів, квадратичні ефекти швидкості стрічки vл, товщини шару, що зрізується, hр і кута нахилу передньої поверхні в. Найбільш істотний вплив на складові зусилля Pxс, Рус роблять кут в (див. рис. ) і швидкість стрічки vл. Значущі взаємодії в з усіма факторами. Статистично значимим виявився ефект взаємодії hр з vл, однак його вплив менш виражений.

Для стислості в підписах до рис. зазначені тільки ті фактори, яким надані значення, відмінні від нуля в кодованому масштабі, що використовувався при плануванні експерименту. Нульовим значенням у кодованому масштабі відповідають наступні натуральні значення факторів: б = 0, lп =  мм, Sн =  мм, в = 0, hр =  мм, vл =  м/с.

Аналіз регресій Pxс(б, lп, Sн, в, hр, vл) и Pyс(б, lп, Sн, в, hр, vл) показав, що закономірності процесу очистки, виявлені за результатами обчислювального і натурного експериментів, узгоджуються, а також дозволив математично визначити область раціональних значень геометричних параметрів ножа за критеріями Pxс ® max, |Pyс| ® min: в®900; lп > lк.е; в - 0 < вз < 0; Sн ® min.

а) б)

Рис. . Регресії складових зусилля на ножі (а) - Pxс, (б) - Рус від кута нахилу передньої поверхні в: 1 - б, lп, Sн, hр, vл – на нульових кодованих рівнях; 2 – б = 0;   lп =  мм;   Sн =  мм; 5  hр =  мм; 6  vл = ,5 м/с.

Основні характеристики граничного опору зсуву налиплого шару: с, дн, дл, k, kн, kл – входять до складу вихідних даних для розрахунку навантаження на ніж, а тому необхідні для порівняння експериментальних і теоретичних результатів, а також при реалізації розробленої методики розрахунку пристроїв для очистки. Значення цих параметрів можуть бути прийняті по опублікованим даним чи більш точно визначені експериментально. При виборі методу іспитів необхідно враховувати фізичний стан ґрунту, умови і тривалість його навантаження. Для визначення характеристик опору зсуву були вжиті наступні дії з використанням вже описаних конвеєрного стенда, апаратури і розробленої моделі очистки стрічки ножем з додатним заднім кутом. На першому етапі були виконані виміри складових зусилля на ножі при двох кутах нахилу передньої поверхні ножа: в1 = 0 і в2 = 0. На другому етапі розраховані характеристики опору зсуву методом лінеаризації: с = 0, дн = 0, k =  Па, kн =  Па.

На закінчення було виконане порівняння розрахункових і всіх одержаних експериментальних значень складових зусилля на ножі: розбіжність не перевищує 13,9для Pn і 13,8для Pt.

Таким чином, зусилля, яке виникає на ножі очисника від впливу зв'язних забруднень, визначається опором пластичному деформуванню і швидкісним напором шару, що зрізується, а серед геометричних параметрів найбільш значимим є кут нахилу передньої поверхні ножа, що перевершує інші по відносній силі впливу до 2,4 раз.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене нове рішення актуальної наукової задачі обґрунтування параметрів і метода розрахунку ножових очисників стрічок конвеєрів, яке полягає у встановленні, з урахуванням пластичного механізму деформування зв'язних забруднень, що зрізуються, залежностей між складовими зусилля на ножі, компонентами напруг на поверхнях ножа і стрічки, з одного боку, і комплексом геометричних, кінематичних і фізико-механічних факторів, з іншого боку, що дозволило створити прості і працездатні конструкції очисників, що забезпечують підвищення експлуатаційної продуктивності та економічної ефективності стрічкових конвеєрів.

Головні наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Обґрунтовано раціональний напрямок підвищення ефективності очистки стрічок конвеєрів шляхом створення конструкцій і основ проектування ножових очисників, а саме: методу розрахунку і рекомендацій з вибору основних параметрів.

2. Вперше отримані системи трансцендентних рівнянь, що зв'язують складові зусилля на ножі, компоненти напруг у пластично деформованих зонах на поверхнях ножа і стрічки з комплексом фізико-механічних, кінематичних і геометричних факторів процесу очистки: кутами внутрішнього, зовнішнього тертя, зчепленням матеріалу, що очищується, довжинами і кутами нахилу поверхонь ножа, товщинами налиплого шару і шару, що зрізується, щільністю та шириною налиплого шару, швидкістю конвеєрної стрічки. Ці системи рівнянь побудовані на основі теорії плоского пластичного плину, спираються на асоційований закон плину і граничну умову Кулона, і одночасно враховують швидкісний напір шару, що зрізується, та пластичний характер деформування зв'язних забруднень, очистка яких найбільш ускладнена.

3. Встановлено, що нижня межа зусилля притиснення ножа, що вимагається для подолання додаткового інерційного навантаження, що виникає під впливом поперечних коливань конвеєрної стрічки, при розміщенні ножа під розвантажувальним барабаном пропорційна добутку амплітуди і квадрата циклічної частоти цих коливань.

4. Вперше отримані вирази, що визначають умови утворення наросту матеріалу, що очищується, на робочих поверхнях ножа з урахуванням кутів внутрішнього, зовнішнього тертя, зчеплення, товщини шару, що зрізується, а також довжин і кутів нахилу передньої та задньої поверхонь ножа.

5. Обґрунтоване раціональне сполучення геометричних параметрів ножа, яке забезпечує мінімізацію компонент напруг в пластично деформованих зонах на поверхнях ножа і стрічки, необхідного зусилля притиснення ножа й опору його переміщенню щодо поверхні, що очищується.

6. Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: застосуванням для встановлення закономірностей формування навантаження на робочі органи пристроїв для очистки різанням апробованих методів теорії пластичності, математичного аналізу, планування експериментів і статистичної обробки їхніх результатів; використанням сучасної вимірювальної апаратури, що задовольняє по точності і відповідає динамічним характеристикам досліджуваних процесів; задовільним узгодженням результатів експериментальних досліджень і теоретичних розрахунків: розбіжність між розрахунковими й експериментальними середніми значеннями складових зусилля на ножі не перевищує 13,9для нормальної складової та 13,8для дотичної до передньої поверхні ножа; ефективною роботою засобів очистки стрічок, спроектованих відповідно до висновків і рекомендацій, наведених в дисертації.

7. Розроблено методику розрахунку ножових очисників конвеєрних стрічок, що дозволяє визначити навантаження на робочий орган очисника і необхідне зусилля його притиснення з урахуванням динамічного впливу стрічки, яка здійснює поперечні коливання. Методика розрахунку була розроблена за завданням ВО “Азовмаш”, прийнята і затверджена замовником.

8. Розроблено конструкції пристроїв для очистки конвеєрних стрічок, захищені авторськими свідоцтвами №1787889, №1787890 від 15.09.92.

9. Методика розрахунку і рекомендації роботи використані Марганецьким ГЗК та шахтоуправлінням ім. річчя ВЖСР, шахтами “Зуєвська” і “Комуніст” при проектуванні пристроїв для очистки стрічки шириною 2000 мм кар'єрного конвеєра продуктивністю 5000 м3/год, а також пристроїв для очистки стрічок шириною 1000 мм шахтних конвеєрів.

10. Отримані в дисертації результати використовуються кафедрою гірничозаводського