МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПАНЧЕНКО Олена Володимирівна

УДК 622.673.1:621.778.27

ВИЗНАЧЕННЯ РОЗРАХУНКОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ
У ВИТКАХ БАГАТОШАРОВОЇ НАМОТКИ ГУМОТРОСОВОГО КАНАТА

Спеціальність 05.02.09 - динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничих машин та інжинірингу Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки
України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Заболотний Костянтин Сергійович, професор
кафедри гірничих машин та інжинірингу Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ)
Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бельмас Іван Васильович, завідувач кафедри
обладнання переробних та харчових виробництв
Дніпродзержинського державного технічного
університету Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, старший науковий
співробітник

Ільїн Сергій Ростиславович, завідувач лабораторії проблем діагностики та випробувань устаткування
шахтних підйомних комплексів Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України.

Провідна установа  –  Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут” Міністерства
освіти і науки України.

Захист відбудеться “  ” червня 2007 р. о 14 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д .080.06 при Національному гірничому
університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “  ” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напрацювання щодо процесів намотування гнучких матеріалів, основи механіки яких розроблені А.П. Мінаковим, В.А. Гордєєвим, А.Ф. Прошковим, В.А. Сухаревим, широко використовуються в різних сферах техніки. Поява нових стрічкоподібних композитних матеріалів, яким притаманна ціла низка корисних фізико-механічних властивостей, відкриває неабиякі перспективи для реалізації новітніх конструктивних рішень.

Так, в Україні, зокрема на Криворізькому залізорудному комбінаті, з 1996 р. випускаються гумотросові стрічки (ГТС) та канати (ГТК), що являють собою композит із армованих елементів – металевих тросів і гумової матриці для забезпечення їх злагодженої роботи. На сьогодні тут розпочато виробництво стрічок ГТС-5000 з підвищеними міцнісними характеристиками. Як відзначено в наукових працях А.Ю. Дриженка, В.П. Мартиненка, Л.В. Коло-со-ва, І.В. Бельмаса, К.С. Заболотного, В.А. Ропая, А.М. Обухова, В.В. Без-палька, М.В. По-лу-ши-ної, О.Л. Жу-пієва, О.М. Черниша, В.В. Джур, В.В. Ройзе-на, І.П. Ко-ва-левсь-кого, М.М. Шидо, В.І. Савицького, використання гумотросових стрічок і канатів з такими високими міцнісними характеристиками як тяговий канат великован-тажних бобінних підйомників дає можливість переключитися на вирішення транспортних проблем глибоких шахт, кар'єрів і глибоководного підйому.

Особливість бобінного підйому – у багатошаровій намотці гумотросового каната, що може викликати руйнування самого каната, бобіни або інших елементів шахтної піднімальної машини. К.С. Заболотний, Л.В. Колосов та М.В. Полушина визначили раціональні параметри бобінних підйомників. Для встановлення радіальних навантажень використовувалися лінійні математичні моделі Б.С. Ковальського та Ю.М. Тарнопольського. Справа в тому, що при моделюванні в тілі намотки ГТК допускалося поздовжнє стиснення тросів у канаті та при взаємодії каната з поверхнею бобіни не враховувався вплив на його поперечну жорсткість. У результаті неправильно визначалися розрахункові радіальні навантаження в намотці та її конструктивні параметри (ширина каната, початковий радіус бобіни). Аналіз фізичних експери-мен-тів засвідчив, що задачу необхідно вирішувати у плані нелінійної постановки: ураховувати нелінійність жорсткісних характеристик шару в пакеті ГТК.

Отже, уточнення силових навантажень у витках багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників – актуальна наукова задача.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота пов'язана з науковою спрямованістю кафедри гірничих машин та інжинірингу Національного гірничого університету і виконана в рамках держбюджетних робіт ДП-319 “Розробка теорії та наукове обґрунтування параметрів процесів і обладнання для підводного видобутку корисних копалин” (2003 – 2004) за номером державної реєстрації 0103U001290 і ДП-365 “Дослід-ження процесів формування підводного вибою та напружено-деформованого стану елементів глибоководного підйому” (2005 – ) за номером державної реєстрації 0105U000518.

Мета і задачі дослідження.

Мета дослідження – визначити розрахункові навантаження у витках багатошарової намотки гумотросового каната на основі вдосконаленого методу розрахунку силових факторів та інженерної методики з урахуванням відсутності поздовжнього стиснення каната в багатошаровій намотці та залежності
жорсткісних характеристик шарів від параметрів багатошарової намотки.

Для досягнення мети поставлені задачі:

1. Удосконалити метод розрахунку силових факторів у витках багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників.

2. Установити залежності між параметрами багатошарової намотки і розробити інженерну методику визначення параметрів тіла намотки гумотросового каната.

3. Визначити ступінь ефективності вдосконаленого методу розрахунку та інженерної методики при проектуванні бобінних підйомників з гумотросовим канатом.

Об'єкт дослідження – процес багатошарового намотування гумотросових канатів бобінних підйомників.

Предмет дослідження – розрахункові навантаження у витках багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників.

Методи дослідження. Щоб обґрунтувати вибір напрямку дослідження й актуальності теми роботи, проаналізовано літературні джерела та узагальнено попередні дослідження; при розробці методу розрахунку силових факторів багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників використано методи математичного, комп'ютерного і фізичного моделювання, включаючи скінченноелементне моделювання, а також методи планування багатофакторного експерименту і статистичної обробки даних.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше встановлені наукові положення:

1. Поперечна жорсткість і розширення i-го витка гумотросового каната в намотці із загальною кількістю витків j прямо пропорційні коефіцієнтам стиснення, які враховують у скінченноелементній моделі каната умову закріплення внутрішньої поверхні першого витка на бобіні, й визначаються на підставі апроксимації результатів обчислювального експерименту у вигляді многочленів із параметрами i та j з похибкою до 11при довірчій імовірності 90

2. Для гумотросових канатів, що характеризуються співвідношеннями 1,2 ? t/d ? ,0 і 1,7 ? h/d ? ,7, силові фактори тіла намотки (натяг, тиск) пропорційні коефіцієнтам анізотропії та загальній кількості витків і обернено пропорційні відносній товщині шару та коефіцієнтові міцної довжини, а їхні максимальні значення визначаються за допомогою апроксимуючих поліномів не нижче 2-го порядку з похибкою до 12

Обґрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечені фундаментальними законами і методами механіки композитів, контролем точності та збіжності методу скінченних елементів в універсальному скінченноелементному пакеті моделювання ANSYS/ED .1; апробованими методиками проведення досліджень; методами математичної статистики під час аналізу результатів експериментальних досліджень; адекватністю розроблених теоретичних моделей експериментальним дослідженням; задовільним довірчим діапазоном експериментально визначених коефіцієнтів. Похибка у визначенні деформації стиснення витка тертя в бобіні при багатошаровій намотці каната ГТК-1300 порівняно з фізичним експериментом становить не вище 12при довірчій імовірності 90Похибка апроксимуючих поліномів для визначення коефіцієнтів стиснення не перевищує 6порівняно з числовим експериментом і 8при довірчій імовірності 90– з фізичним.

Наукове значення роботи – у розвитку теорії багатошарової намотки каната, яка зводиться до того, що на основі сучасних методів числового і фізичного моделювання та обчислювального експерименту вдосконалено метод розрахунку силових факторів багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників, де вперше для різних конструкцій каната враховано відсутність поздовжнього стиснення каната в багатошаровій намотці та залежність жорсткісних характеристик шарів від параметрів багатошарової намотки.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці інженер-ної методики визначення параметрів тіла намотки гумотросового каната бобінних підйомників, що дає змогу істотно скорочувати час на обчислення навантажень з високим ступенем точності. Результати інженерної методики лягли в основу розроблених автором методичних рекомендацій: 1) стосовно вибору раціональних параметрів бобінних підйомників із ГТК; 2) щодо обґрунтування проекту “Технологія спорудження комплексу штольня – вертикальний ствол із клітьовим підйомником вантажністю 150 т для видачі автосамоскидів
БелАЗ-75145 з кар'єру ПГЗК на денну поверхню”; 3) відносно обґрунтування параметрів клітьового вертикального підйомника вантажністю 150 т.

Реалізація результатів. Розроблені автором методичні рекомендації впровад-жено в проектні роботи: НВООВ “Океанмаш” при виборі технологічного устаткування (акт впровадження науково-дослідних робіт затверджений директором “Океанмашу” 21.12.2005 р.); ВАТ “Укрдіпроруда” при спорудженні комплексу штольня – вертикальний ствол із клітьовим підйомником вантажністю 150 т для видачі автосамоскидів БелАЗ-75145 з кар'єру ПГЗК на денну по-верх-ню (акт впровадження науково-дослідних робіт затверджений директором ВАТ “Укрдіпроруда” 28.10.2005 р.); ЗАТ “НКМЗ” при розробці нових клітьових вертикальних підйомних установок вантажністю 150 т (акт впровадження науково-дослідних робіт затверджений заступником головного конструктора відділу гірничорудного і ковальсько-пресового устаткування “НКМЗ” 04.11.2005 р.).

Особистий внесок здобувача. Удосконалено метод розрахунку силових факторів у витках багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників та розроблено алгоритми його застосування для задач практичного проек-тування; отримано математичні моделі максимальних силових навантажень та деформацій, покладених в основу інженерної методики; зазначені результати стали складовою методичних рекомендацій на проектування, що використовуються в проектних роботах низки вітчизняних підприємств.

Апробація результатів. Основні положення дисертації доповідалися під час проведення міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми експлуатації устаткування шахтних стаціонарних установок”, НДІГМ ім. М.М. Федо-рова (м. Донецьк, 2004); наукової конференції “Геотехнічні проблеми розробки родовищ”, ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпро-пет-ровськ, 2005); наукового симпозіуму “Тиждень гірника-2006”, МДГУ (м. Москва, 2006); міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі ІСУГМК-2006”, КТУ (м. Кривий Ріг, 2006); міжнародної науково-практичної конференції “Композитні матеріали в промисловості”, УІЦ “Наука. Техніка. Технологія” (м. Ялта, 2006); ІІ науково-мето-дичної конференції “Інноваційні технології вищої освіти, науки та промисловості. Комплексна автоматизація конструкторсько-технологічної підготовки виробництва на основі SolidWorks”, НГУ (м. Дніпропетровськ, 2006); міжнарод-ної конфе-ренції “Форум гірників-2006”, НГУ (м. Дніпропетровськ, 2006); міжнародної конференції “VIII щорічна конференція САПР/PLM” (м. Москва, 2006); щорічного конкурсу проектів SWR-AWARD , виконаних у САПР SolidWorks провідними промисловими підприємствами та вузами Росії й інших країн ближнього зарубіжжя: перше місце в номінації “Науково-дослідна робота” здобула автор; наукового симпозіуму “Тиждень гірника-2007”, МДГУ (м. Москва, 2007); конкурсу “Комп’ютерний інжиніринг-2007” (розділ “Конструкторські, технологічні, програмні та інформаційні розробки молодих фахівців”), на якому автор стала лауреатом, МАТІ (м. Москва, 2007).

Публікації. На тему дисертації опубліковано 15 друкованих праць (9 – без співавторів), з них 6 – у спеціалізованих виданнях, 6 – у збірниках матеріалів конференцій і 3 – у тематичних виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури із 100 назв, 15 додатків, 65 рисунків і 25 таблиць. Загальний обсяг – 147 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко висвітлені суть і стан наукової задачі з обґрунтуванням необхідних досліджень, а також наведені характеристика і загальна структура роботи.

Перший розділ містить сучасний стан питання щодо значення багатошарової намотки високоміцних гумотросових канатів у бобінних підйомниках
вантажністю понад 100 т при вирішенні актуальної транспортної проблеми на гірничих підприємствах. Аналіз праць В.А. Гордєєва, Р.В. Саусвелла, Б.С. Ко-вальського, Ю.М. Тарно-польського відносно дослідження напружено-дефор-мо-ваного стану (НДС) багатошарової намотки анізотропних матеріалів у різних галузях техніки показав, що в більшості робіт для опису процесу формування тіла намотки взято модель послідовного надівання тонких замкнених циліндрич-них кілець, а при розрахунку виниклих у тілі намотки силових факторів застосовано метод пошарового підсумовування напруг (тиску), радіальних переміщень у процесі намотування. Спираючись на вищевикладене, Л.В. Колосов зробив вис-новок: радіальний тиск при багатошаровій намотці ГТК максимально збільшується вдвічі, при цьому максимальне розширення каната не перевищує 13Але в методиці Л.В. Колосова допускається поздовжнє стиснення каната в тілі намотки, що фізично не обґрунтовано і при пошаровому підсумовуванні занижує радіальний тиск на бобіну. Крім того, поперечна жорст-кість витків по тілу намотки прийнята однаковою, що не збігається з даними експериментальних дос-ліджень на стиснення пакета ГТК, а від величини поперечної жорсткості витка в тілі намотки залежить значення ра-діальних навантажень і деформацій. Наслідком допущених похибок при визначенні навантажень у витках багатошарової намотки можливе руйнування елементів шахтної піднімальної машини. Тому, усунувши зазначені протиріччя, необхідно уточнити розрахункові навантаження у витках багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників, що й становить на сьогодні актуальну наукову задачу.

У другому розділі поставлена задача: удосконалити метод розрахунку силових факторів у витках багатошарової намотки. За прототип узято метод пошарового підсумовування напруг. Додатково враховано: внутрішня поверхня першого шару каната жорстко зафіксована на бобіні (крайовий ефект); поздовжня жорсткість на стиснення каната еквівалентна жорсткості гумової матриці. За показники методу прийняті навантаження та деформації каната в тілі намотки. Під час оцінювання точності методу автор орієнтується на відповідність розрахункових і експериментальних радіальних деформацій каната в намотці.

Рис. 1

На рис. наведено схематичне зображення структури тіла намотки гумотросового каната як односпрямованого композитного матеріалу. При моделюванні використаний макромеханічний підхід, тобто ГТК розглядається однорідним анізотропним середовищем з узагальненими жорсткісними характеристиками шару пакета ГТК, для яких після інтерполяції результатів фізичного і обчислювального експериментів отримані аналітичні вирази. Потім записані рівняння рівноваги кілець тіла на-мотки, надітих з попереднім натягом, до числа пара-мет-рів яких увійшли узагальнені жорсткісні характеристики. У результаті розв’язку цих
рівнянь в тілі намотки визначені переміщення витків, натяг, тиск. Задача вирішувалася в такій послідовності:

1. Визначення жорсткісних характеристик шарів ГТК у багатошаровій намотці. Інтегральні характеристики:

– коефіцієнт поздовжньої жорсткості шару пакета ГТК,

де , ; t – крок між тросами каната; d – діаметр троса; h – загальна товщина каната; Eрез – модуль пружності гуми; Етр – модуль пружності ортотропного матеріалу, моделюючого трос. Випробувавши канат ГТК-1300 на розтяг, автор отримав і Втр ,658•103;

– коефіцієнт поперечної жорсткості і-го шару пакета ГТК із загальним числом шарів j,

де P – тиск на шар пакета ГТК; – вертикальне середнє стиснення і-го шару;

– коефіцієнт розширення і-го шару пакета ГТК із загальним числом шарів j,

де – горизонтальне середнє розширення і-го шару наведеного пакета;
– ширина каната.

Обчислювальний експеримент. Постановка задачі. З використанням комп'ютерної скінченноелементної моделі необхідно знайти та для i-го шару пакета ГТК із загальною кількістю шарів j.

Прийнято ; ,

де ; – коефіцієнти поперечної жорсткості та розширення шару ГТК відповідно, які враховують тільки механічні властивості композиту, не беручи до уваги крайовий ефект; , – коефіцієнти стиснення шару ГТК у поперечному напрямку з урахуванням крайового ефекту.

Обчислювальний експеримент проведений у такій послідовності: розроб-ка комп'ютерної математичної моделі ГТК, оцінка її адекватності, аналіз результатів.

Рис. 2

Комп'ютерна модель ГТК реалізована мовою програмного комплексу ANSYS/ED 6.1 з використанням параболічного
скінченного елемента PLANE82. Використано вбудований метод створення моделі та пакетний режим роботи. Граничні умови: по лівій кромці прямокутника (рис. ) – умова симетрії, по верхній – приписаний тиск , а по нижній – заборона вертикальних переміщень. Крайовий ефект моделюється за допомогою заборони горизонтальних переміщень по нижній кромці. У результаті вирішення визначалися горизонтальні та вертикальні переміщення точок пакета. Значення переміщень у вигляді текстових файлів передавалися в математичну модель, реалізовану мовою Mahtcad , де визначалися коефіцієнти та . Для обмеження роз-міру задачі при заданій точності обчислення порівняно з результатами розв’язку (рис.  а, б) при плоскій деформації та об'ємному НДС (похибка менша 2визначено макси-маль-ний крок скінченноелементної сітки – 1 мм (рис.  в, г), мінімальну кількість тросиків у шарі ГТК – 8 (рис.  д, е) та шарів у пакеті – один (рис.  к, и). Вплив крайово-го ефекту – вигин бокової поверхні на рис.  ж.

Рис. 3

Оцінка адекватності скінченноелементної моделі. Порівнянні значення коефіцієнтів поперечної жорсткості пакета ГТК-1300 отримано з використанням комп’ютер-ної моделі ГТК та результатів фізичного експерименту. Із зазначеного типу каната були виготовлені пакети (2, 4, 6 і 8 шарів), які встановлювалися між плитами 5-тонної випробувальної машини УМ-5А (рис. ), а потім стискалися в діапазоні від 0,4 до 3,52 МПа, що відповідає робочим навантаженням. У процесі навантаження деформації пакетів виміряні за допомогою індикатора годинникового типу. Поверхні плит УМ-5А залишалися сухими або змащувалися солідолом, що відповідало стиснутому і нес-тис-нутому стану пакетів. Під час випробування виміряні деформації та обчислені коефіцієнти поперечної жорсткості пакета ГТК. Для нестиснутого стану пакета виявлено, що розподіл коефіцієнтів поперечної жорсткості пакета ГТК у вибірці підпорядкований нормальному закону та при довірчій імовірності 95відхилення меж довірчого інтервалу від математичного сподівання становило 0,9Для стиснутого ж стану пакета розподіл коефіцієнтів поперечної жорсткості пакета ГТК у вибірці підлягає нормальному закону та при довірчій імовірності 90відхилення меж довірчого інтервалу від математичного сподівання не перевищує 2,3У ході експерименту виявлено: похибка при визначенні величини коефіцієнта поперечної жорсткості методом скінченних елементів – до 11

Аналіз результатів обчислювального експерименту.

1. Визначення , . У комп'ютерній моделі ГТК змінювали геометричні параметри відповідно до параметрів гумотросового каната, що перебувають у діапазонах 2 ?  ? ,0 і 1,7 ?  ? ,7, а також дозволяли горизонтальні переміщення по нижній кромці пакета. Отримані горизонтальні та вертикальні переміщення точок пакета використали для визначення , . Завдяки апроксимації встановлено, що = ,951, а

,

де ; ; – вектор коефіцієнтів, значення яких установлені методом найменших квадратів (похибка менша 3

2. Визначення , . У комп'ютерній моделі взято геометричні параметри стрічки з вищезгаданого діапазону, заборонено горизонтальні переміщення по нижній кромці пакета та змінено кількість шарів у пакеті. Отримані горизонтальні та вертикальні переміщення точок пакета використовуються для визначення , . У результаті сформовані матриці [В] і [ ]. Далі визначені і , а також апроксимуючі функції та (рис. ).

Рис. 4

З урахуванням установлених значень остаточно виведені вирази:

;

,

Рис. 5

де , – вектори коефіцієнтів, значення яких установлені методом найменших квадратів (похибка до 2Вирази перевірялися за числовим експериментом з пакетами ГТС зазначеного діапазону – похибка не перевищила 6

2. Визначення навантажень і дефор-мацій каната при багатошаровій
намотці. На розрахунковій схемі тіла намотки (рис. ) позначено: , , ,  – радіус, переміщення, тиск і натяг
і-го шару при намотуванні j-го. Вихідні припущення:

При розтягуванні канат підлягає закону Гука, тобто

,

де – початкове переміщення і-го шару; m – загальна кількість тросів.

При надіванні першого кільця за законом Гука виконується умова

.

Для решти кілець тіла намотки

.

Рівняння рівноваги для кілець тіла намотки:

при ;

при .

Рівняння рівноваги подані у вигляді

,

де [А] – матриця жорсткості; {В} – вектор навантаження; – вектор зведених переміщень шарів пакета ГТК.

;

при , ;

при , ;

; ,

де – радіус середньої лінії і-го шару, зведений до початкового радіуса бобіни; ; – початкове переміщення і-го шару, зведене до деформації від натягу прямовисної частини каната; – тиск в і-му шарі пакета ГТК із загальною кількістю шарів j, зведений до тиску від прямовисної частини каната.

За допомогою методу Гаусса отримане зведене переміщення тіла намотки . Далі послідовно обчислені зведені величини: натяг, тиск і переміщення в останньому витку; початкове переміщення; розширення тіла намотки; натяг і тиск в і-му шарі пакета ГТК із загальною кількістю шарів j:

; ; ; ; ;

при і ;

при ,

де – коефіцієнт граничної довжини каната; j – коефіцієнт виска каната.

Відсутність поздовжнього стиснення каната враховується за такої умови: на кожному кроці ітерації коефіцієнт анізотропії має вибиратися за знаком поздовжньої деформації даного шару або

якщо , то , інакше .

Отримані математичні моделі визначення переміщення шару пакета ГТК,

Рис. 6

коефіцієнтів попереч-ної жорсткості та роз-ши-рення апрок-си-муючих поліно-мів, коефіцієнтів стиснення, навантажень і деформацій шарів каната при багатошаровій намотці реалізовані мовами ANSYS/ED .1, Mahtcad і ввійшли складовими у вигляді компонентів удосконаленого методу розрахунку, що дало можливість визначити навантаження і деформації в тілі намотки для каната довільної конструкції при заданому довільному законі натягу каната (приклад – на рис. ).

3. Оцінка адекватності методу. Зроблено шляхом порівняння теоретичних результатів з отриманими на фізичній моделі. Відповідно до прийнятих програми та методики випробувань фізичний експеримент проведено на лабораторній установці для багатошарової намотки ГТК-1300. На рис. позначено: 1 – бобінна установка; 2 – канат ГТК-1300; 3 – магазин опору; 4 – цифровий
тен-зометричний вимірник ЦТИ-1; 5 – блок живлення; 6 – тензодатчики; 7 – індикатор годинникового типу. Як основні показники для цього експерименту виз-начено радіальні деформації бобіни та деформації стиснення витка тертя каната на самій бобіні. Показано, що розподіл деформацій першого шару ГТК у вибірці підлягає нормальному закону і при довірчій імовірності 95відхилення меж довірчого інтервалу від математичного сподівання не перевищує 3Зіставлення теоретичної та експериментальних кривих розподілу тиску свідчить,

Рис. 7

що при довірчій імовірності 90розбіжність розрахункових значень деформацій стиснення першого шару і встановлених за фізичним експериментом – не вище 8Зміни натягів гумотросового каната в бобіні, визначені за методиками Ю.М. Тар-нопольського, Б.С. Ковальського й автора, при однакових припущеннях якісно та кількісно ідентичні (розбіжність – близько 3

Недолік удосконаленого методу розрахунку – у складності використання інженерною практикою. Тому у третьому розділі поставлено задачу: розробити інженерну методику визначення параметрів тіла намотки гумотросового каната на основі використання вдосконаленого методу розрахунку силових факторів у витках багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників. Показано, що напружено-деформований стан, для якого характерні зведені натяг , тиск ? і розширення каната , залежить від низки параметрів, зокрема від зведеної товщини шару, що вважається істотним фактором, оскільки під час збільшення цього параметра (0,008    ,075) зменшуються значення тиску першого шару ?1 (від 4,2 до 1,2) і максимального розширення каната при багатошаровій намотці max (від 15 до 27; зміна коефіцієнта анізотропії в діапазоні 50    призводить до зменшення навантаження в першому шару та максимальне розширення каната в намотці на 6 – і 3 – відповідно; із зміною загальної кількості витків 15  j  навантаження на витки і розширення каната у намотці підвищується в 1,5 раза; унаслідок збільшення коефіцієнта граничної довжини каната 2    максимальне значення тиску в першому витку зростає на 13а значення максимального розширення каната у намотці – на 18Практичну важливість становлять максимальні деформації та напруги в тілі намотки, за величиною яких можна визначати ширину та радіус тіла намотки, знаходити максимальне розширення каната і вибирати ширину бобіни. Отже, для зазначених діапазонів виконано чотирифакторний трирівневий обчислювальний експеримент, завдяки чому отримано математичні моделі у вигляді поліномів 2-го порядку, здатних описувати залежності максимальних силових навантажень 1(, , j, ) і деформацій max(, , j, ), та використано в основі інженерної методики:

На рис. зображено залежність величин 1 і max від безрозмірних парамет-рів намотки ГТК (верхні та нижні значення параметрів відповідають нулю і одиниці). Площини ? ,  які відповідають максимальному збільшенню питомого тиску та розширенню каната при багатошаровій намотці, визначені за методикою Л.В. Колосова. Із порівняння результатів видно, що при 0,008    ,023 за Л.В. Колосовим розрахункові навантаження занижені (до 60а при 0,023    ,075 тягові характеристики каната за питомим тиском використано на 25 – Коефіцієнт розширення за його ж методикою нижчий на 10 – 

Рис. 8

У четвертому розділі проілюстровано і відображено ступінь ефективності вдосконаленого методу розрахунку та інженерної методики порівняно з методикою Л.В. Колосова на таких прикладах: 1) у проекті бобінного підйомника в комплексі технологічного обладнання для відбирання проб сапропелю Чорного моря (глибина підйому – 2150 м; довжина тягового органа – 3000 м; швидкість підйому – 2,5 м/с; зусилля при черпанні – 160 кН), де автором обґрунтовані параметри бобінної піднімальної машини на основі каната ГТС-6000; 2) у проекті допоміжного бобінного підйомника для кар'єру Південного гірничо-збагачувального комбінату за передбаченням вертикального ствола завглибшки 250 м спільно з доставковою штольнею. Підйомник має забезпечити підняття

Рис. 9

кінцевого вантажу до 1500 кН. Автором обґрунтовані параметри та спроектовано бобінну піднімальну машину на основі каната ГТС-5000 (рис. ) з використанням технологій Solid-Works. Показано: у першому проекті заниження визначених за методикою Л.В. Ко-ло-сова ширини каната і бобіни на 24 та 28відповідно може спричинити руйнування елементів бобіни, а в другому – завищення на 50 та 53відповідно набагато збільшує вартість проекту. Очікуваний річний еконо-мічний ефект порівняно з варіантом застосування багатоканатної піднімальної машини із поліспастовою підвіскою ШМП 4 – близько мільйона гривень за рахунок скорочення капітальних витрат.

ВИСНОВКИ

Дисертація являє собою закінчену науково-дослідну роботу, в якій вирішена актуальна наукова задача щодо уточнення розрахункових навантажень у витках багатошарової намотки при визначенні параметрів тіла намотки бобінних підйомників з гумотросовим канатом на основі вдосконаленого методу розрахунку силових факторів та інженерної методики, де враховані відсутність поздовжнього стиснення каната в багатошаровій намотці та залежність жорсткісних характеристик шарів від їхньої загальної кількості та розташування в намотці.

Основні наукові результати, висновки і рекомендації:

1. У відомих моделях напружено-деформованого стану багатошарової намотки гумотросового каната бобінних машин – необмежене поздовжнє стиснення тросів у канаті, а жорсткісні характеристики шарів каната залежно від їх кількості прийняті постійними. Нехтування цими факторами може зменшити розрахункову величину силових навантажень у 2 – ,5 раза і викликати руйнування каната, бобіни й інших елементів шахтної піднімальної машини.

2. Удосконалений метод розрахунку силових факторів включає компоненти з визначення переміщень шару пакета ГТК, коефіцієнтів поперечної жорсткості та розширення, апроксимуючих поліномів коефіцієнтів стиснення, навантажень і деформацій шарів каната.

3. Новизна вдосконаленого методу в тім, що математична модель напружено-деформованого стану багатошарової намотки ГТК додатково враховує два суттєвих фактори: 1) стиснення троса в поздовжньому напрямку обмежене гумовою матрицею; 2) жорсткісні характеристики витків гумотросового каната залежать від їхньої загальної кількості та розташування в намотці.

4. Вірогідність запропонованого методу базується на високому ступені близькості розрахункових значень його основних показників до отриманих шляхом вимірювання у процесі фізичного експерименту. Похибка визначення деформації порівняно з фізичним експериментом – не вище 11при довірчій імовірності 90

5. Компоненти вдосконаленого методу розрахунку силових факторів багатошарової намотки гумотросових канатів легко реалізуються на практиці у вигляді програм Mathcad і ANSYS/ED .1. Корисність методу – у можливості з високою вірогідністю дослідити НДС багатошарової намотки гумотросового каната в узагальненому вигляді, а також отримати закономірності, на підставі яких розробити інженерні рекомендації для обчислення розрахункових навантажень.

6. За результатами науково обґрунтованого чотирифакторного трирівневого обчислювального експерименту щодо моделювання силових процесів багатошарової намотки каната підтверджено наведене далі:

· напружено-деформований стан багатошарової намотки ГТК залежить від зведеної товщини шару, загальної кількості витків, коефіцієнтів анізотропії та міцної довжини каната;

· урахування додаткових факторів підвищує точність визначення розрахункових навантажень на 30 – і розширення каната – на 10 – ;

· математичні моделі для максимального навантаження на бобіну та для деформації можна подати у вигляді поліномів 2-го порядку і використовувати в інженерній методиці, що дасть змогу істотно скорочувати час на обчислення навантажень з високим ступенем точності (похибка не перевищує 12

7. Удосконалений метод розрахунку силових факторів багатошарової намотки гумотросових канатів та інженерна методика лягли в основу методичних рекомендацій: 1) щодо вибору раціональних параметрів бобінних підйомників із ГТК; 2) стосовно обґрунтування проекту “Технологія спорудження комплексу штольня – вертикальний ствол із клітьовим підйомником вантажністю 150 т для видачі автосамоскидів БелАЗ-75145 з кар'єру ПГЗК на денну по-верхню”; 3) відносно обґрунтування параметрів клітьового вертикального
підйомника вантажністю 150 т.

8. Методичні рекомендації впроваджені в проектні роботи НВООВ “Океанмаш” для вибору технологічного устаткування, ВАТ “Укр-діпроруда” при спорудженні комплексу штольня – вертикальний ствол, ЗАТ “НКМЗ” при розробці нових клітьових вертикальних підйомних установок вантажністю 150 т.

9. Результат порівняння варіантів підйому в проекті “Технологія споруд-ження комплексу штольня – вертикальний ствол із клітьовим підйомником вантажністю 150 т для видачі автосамоскидів БелАЗ-75145 з кар'єру ПГЗК на денну поверхню”: річний економічний ефект від використання барабанної піднімальної машини з поліспастами ШМП 1-5?4 (базовий варіант) і БШП (новий варіант) – до мільйона гривень за рахунок скорочення капітальних витрат.

10. Авторський проект здобувача “Розробка 150-тонного бобінного підйомника з гумотросовим канатом для кар'єру ПГЗК” визнано найкращим на щорічному конкурсі проектів SWR-AWARD у номінації "Науково-дослідна робота" (м. Москва).

11. Автор проекту “Розвиток методики аналізу напружено-деформованого стану багатошарової намотки гумотросового каната бобінних підйомників” удостоєна звання лауреата на конкурсі “Комп’ютерний інжиніринг-2007” у розділі “Конструкторські, технологічні, програмні та інформаційні розробки молодих фахівців” (м. Москва).

Основні положення дисертації відображені в публікаціях:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

Особистий внесок здобувача в роботи, опубліковані в співавторстві: [6] – обробка й аналіз даних фізич-ного експерименту; [9] – обґрунтування до-цільності та розробка проекту бобінної підйомної установки з ГТК на основі технологій SolidWorks; [11] – скінченноелементна модель каната в багатошаровій намотці та результати як її аналізу, так і аналізу фізичного експерименту; [12] – результати моделювання бобінного підйомника з ГТК на основі технологій SolidWorks і CosmosWorks; [13] – аналіз результатів з визначення жорсткості багатошарової намотки; [14] – розробка проекту 150-тонного бобінного підйом-ника для кар'єру ПГЗК з дослідженням НДС каната в багатошаровій намотці.

АНОТАЦІЯ

Панченко О.В. Визначення розрахункових навантажень у витках багатошарової намотки гумотросового каната. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09  динаміка та міцність машин. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.

Викладено методику наукових досліджень, спрямованих на вдосконалення методу розрахунку силових факторів у витках багатошарової намотки гумотросових канатів бобінних підйомників, в якому враховано відсутність поздовжнього стиснення каната та залежність жорсткісних характеристик шарів від параметрів багатошарової намотки.

Розроблено алгоритми застосування методу розрахунку для задач практич-ного проектування. Отримано математичні моделі максимальних силових на-ван-тажень і деформацій, які використовуються в інженерній методиці.

Удосконалений метод розрахунку силових факторів багатошарової намотки гумотросових канатів та інженерна методика автора лягли в основу методичних рекомендацій, застосованих низкою вітчизняних підприємств у проектних роботах.

Ключові слова: метод розрахунку силових факторів, гумотросовий канат, багатошарова намотка, тіло намотки, поздовжня та поперечна жорсткість каната, бобінна піднімальна машина.

АННОТАЦИЯ

Панченко Е.В. Определение расчетных нагрузок в витках многослойной намотки резинотросового каната. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09  динамика и прочность машин. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2007.

Изложена методика научных исследований, направленных на усовершенствование метода расчета силовых факторов в витках многослойной намотки резинотросовых канатов бобинных подъемников, в котором учтено отсутствие продольного сжатия каната и зависимость жесткостных характеристик слоев от параметров многослойной намотки. Показано, что пренебрежение этими факторами занижает расчетное значение силовых нагрузок и деформаций в 2 – 2,5 раза и может стать причиной разрушения каната и других элементов подъемной машины.

Путем вычислительного эксперимента с использованием как конечно-элементной, так и математических моделей выведены аналитические зависимости: коэффициентов поперечной жесткости и расширения слоя пакета РТК от геометрических параметров канатов, местоположения и общего количества слоев; максимальных приведенных давления и расширения тела намотки от приведенной толщины слоя, общего количества витков, коэффициентов ани-зотропии и прочной длины каната.

Усовершенствованный метод расчета силовых факторов включает ряд компонентов по определению перемещений слоя пакета РТК, коэффициентов поперечной жесткости и расширения, аппроксимирующих полиномов коэффициентов стесненности, нагрузок и деформаций слоев каната. Полезность метода заключается в возможности исследовать напряженно-деформированное состояние многослойной намотки резинотросового каната в обобщенном виде.

Доказана адекватность указанного метода экспериментальным данным. Погрешность определения деформации по сравнению с физическим экспериментом – не выше 11 % при доверительной вероятности 90

Разработаны алгоритмы применения метода расчета для задач практического проектирования. Математические модели максимальных силовых нагрузок и деформаций используются в инженерной методике.

Усовершенствованный метод расчета силовых факторов многослойной намотки резинотросовых канатов и инженерная методика легли в основу методических рекомендаций, которые используются рядом отечественных предприятий в проектных работах.

Определена степень эффективности усовершенствованного метода расчета и инженерной методики по сравнению с методикой Л.В. Колосова на таких примерах: 1) в проекте бобинного подъемника в комплексе технологического оборудования для отбора проб сапропеля Черного моря; 2) в проекте вспомогательного бобинного подъемника для карьера Южного горно-обогатительного комбината. Показано: в первом проекте занижение определенных по методике Л.В. Колосова ширины каната и бобины на 24 и 28соответственно может вызвать разрушение элементов бобины, а во втором – завышение указанных параметров на 50 и 53существенным образом увеличивает стоимость самого проекта.

Сопоставление вариантов подъема в проекте “Технология строительства комплекса штольня – вертикальный ствол с клетевым подъемником грузоподъемностью 150 т для выдачи автосамосвалов БелАЗ-75145 из карьера ЮГОК на дневную поверхность” выявило: барабанная подъемная машина с полиспастами ШМП ?4 (базовый вариант) и бобинная подъемная машина (новый вариант) дают годовой экономический эффект около миллиона гривен за счет снижения капитальных затрат.

Ключевые слова: метод расчета силовых факторов, резинотросовый канат, многослойная намотка, тело намотки, продольная и поперечная жесткость каната, бобинная подъемная машина.

THE SUMMARY

PanchenkoDefinition of rating loading in spires of multilayer winding of rubberrope cable. – Manuscript.

Thesis for the application of Candidate of Technical Sciences degree in the
specialty 05.02.09 Dynamics and Strength of Machines. The National Mining
University, Dniepropetrovsk, 2007.

Scientific-research recommendations aiming development of rating methods of forcing factors in spires of multilayer rubberrope cable of bobbin hoist is given here. This method stipulates absence of longitudinal cable pressure and dependence of characteristics of hard layers upon parameters of multilayer winding.

Algorithms of applying rating methods for purposes of practical projecting is elaborated here, too. Scientific-research resulted in mathematical models of
maximum loading and deformation upon which engineering methods are based.

More exact methods of rating forcing factors of multilayer rubberrope cable winding and engineering methods laid the foundation of methodical recommendation used in projects by number of enterprises.

Key words: methods of rating of forcing factors, rubberrope cable, multilayer winding, the body of the winding, longitudinal and diametrical cable hardness,
bobbin hoisting machine.

ПАНЧЕНКО ОЛЕНА ВОЛОДИМИРІВНА

Визначення розрахункових навантажень
у витках багатошарової намотки гумотросового каната

(Автореферат)

Підписано до друку 08.05.2007. Формат 60?90/16.

Папір офсет. Ризографія. Ум. друк. арк. 0,9.

Обл.-вид. арк. 0,9. Тираж 120 прим. Зам. № .

Національний гірничий університет

49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.