автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование напряженного состояния и оптимизация конструктивных параметров барабанов ленточных конвейеров горных предприятий

На правах рукописи

и

УДК 621.867

ГУЛАК Максим Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БАРАБАНОВ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ДМИТРИЕВ В. Г.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КРАСНИКОВ Ю. Д. канд. техн. наук, проф. ДОБРОБОРСКИЙ Г. А.

Ведущее предприятие— Инженерно-производственный центр «Конвейер».

Защита диссертации состоится « ?-р. -»¡/^1998 года

в / . . час. на заседании диссертационного совета К-053.12.03 в Московском ордена Трудового Красного Знамени государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » . . 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, проф. ШЕШКО Е. Е.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Для коренного улучшения состояния экономики России необходимо увеличение добычи полезных ископаемых в основном за счет повышения производительности труда на основе дальнейшего совершенствования техники и технологии и повышения эффективности использования средств комплексной механизации и автоматизации на горных предприятиях.

Одним из важнейших звеньев технологического процесса на горных предприятиях является транспорт. Все более широкое применение в трапспартно-технологичсских схемах горных предприятий находят ленточные конвейеры.

Работа ленточных конвейеров на горных предприятиях имеет свою специфику. Это, в первую очередь, ограничения габаритных размеров конвейеров, предназначенных для подземных работ, большие грузопотоки и перемещение крупнокускового груза на карьерах, тяжелые или особо тяжелые условия эксплуатации, абразнвиость транспортируемого груза на обогатительных комбинатах.

Для современного развития' конвейерного транспорта характерно увеличение производительности и длины транспортирования, что увеличивает нагрузки на прнводные и отклоняющие барабаны, а также количество барабанов в конвейере. Это снижает общую надежность конвейеров и ухудшает технико-экономические показатели их работы. Большое количество барабанов требуется ие только для оборудования вновь выпускаемых конвейеров, но и для замены барабанов, установленных на действующих транспортирующих машинах, срок службы которых значительно ниже срока службы конвейера, особенно на горных предприятиях. Поэтому для удовлетворения потребностей в замене вышедших из строя барабанов необходимо изыскание возможностей как увеличения выпуска барабанов, так и более рационального их использования. Сложность этой задачи требует поиска путей дальнейшего 'повышения надежности и долговечности барабанов ленточных конвейеров и совершенствования конструкций и методов расчета. В этой связи научная задача создания математической модели прочностного расчета - барабанов ленточных, конвейеров различной конструкции для

снижения .их металлоемкости и увеличения долговечности является актуальной.

Цель работы заключается в установлении зависимостей прочности и долговечности барабанов ленточного конвейера от его конструктивных параметров и характеристик грузопотока, используемых для создания математической модели барабана, позволяющей определить рациональные параметры его конструкции при минимальной металлоемкости.

Идея работы состоит в исследовании напряженного состояния основных элементов барабанов ленточных конвейеров (при помощи метода конечных элементов), возникающего при перемещении груза, для обоснования конструкции барабанов и оптимизации их конструктивных параметров.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и попиши:

- математическая модель нагружения барабана ленточного конвейера и расчета его напряженного состояния должна учитывать неравномерность распределения нагрузки по ширине ленты, назначение барабана и его конструкцию;

- математическая модель оценки долговечности элементов барабана лен-чочного конвейера должна учитывать случайный характер грузопотока;

- математическая модель оптимизации параметров конструкции барабана по критерию минимизации металлоемкости, отличается тем, что учитывает назначение барабана и его конструкцию.

Обоснованность и достоверность научных положении и выоодов подтверждены:

- сопоставлением экспериментально определенной картины напряженного состояния элементов барабана ленточного конвейера с теоретической, полученной согласно предлагаемой математической модели; расхождение составляет 5 -12%;

- теоретическими исследованиями зависимости свойств прочности от характера грузопотока, параметров конвейера с использованием апробированных методов теории механики деформированного твердого тела, теории усталостных разрушений и численных методов математического анализа;

- выбором наиболее полной математической модели прочностного расчета барабана ленточного конвейера, апробированной на широком классе барабанов, всесторонним тестированием программного обеспечения.

"Научное значение работы состоит в обосновании математической модели прочностного расчета барабана ленточного конвейера с учетом долговечности его элементов, что является уточнением теоретических методов расчета узлоэ ленточных конвейеров.

Практическое зивчение работы заключается в разработке программ, реализующих алгоритмы прочностного расчета и оптимизации конструктивных параметров барабанов ленточных конвейеров.

Реализация выводов п рекомендаций работы. Методики и программы прочностного расчета и оптимизации конструктивных параметров барабанов ленточных конвейеров сотовой конструкции приняты Июкенерно-производ-ггоенным центром «Конвейер» (г. Брянск) к использованию при конструировании барабанов проектируемых ленточных конвейеров. Кафедрой «Подъемно-трянспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» Брянского государственного технического университета предложенные методики используются в учебно*? процессе. Расчетный годовой экономический эффект от применения на ленточных конвейерах горных предприятий барабанов сотовой конструкции в пересчете иа один барабан составляет 16,8 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены в Московском государственном горном университете на конференции, посвященной Дню горняка, Брянском государственном техническом университете, Инженерно-производственном центре «Конвейер», ГПК И Союзпроммеханизация.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 82 наименования, и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, включает 37 рисунков, 23 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность за всес!-ороннюю помощь и поддержку коллективу кафедры "Подъемно-транспортные, строительные и до-

рожные машины и оборудование' Брянского государственного технического университета.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросами создания и совершенствования ленточных конвейеров занимаются коллективы научно-исследовательских и лроектно-консгрукторских. институтов: ИГД им. A.A. Скочинского, Дон/ипроуглемаш, ГПКИ Союзпроммеханизация, ВНИИптмаш, конструкторских бюро Александровского, Краснолучского, Сызранского заводов, кафедр транспортного профиля МГТУ и других учебных заведений. Значительный вклад в решение проблем транспортирования ленточными конвейерами внесли советские й российские ученые: А.О. Спиваковский, Н.С. Поляков, Н.Я. Биличенко, В.А. Дьяков, Е.Е. Новиков, С.А. Панкратов, Г.И. Солод, Л.Г. Шахмейстер, И.Г. Штокман, B.C. Волотковский, В.Г. Дмитриев, М.А. Котов, Г.В. Приседский, В.К. Смирнов и др.

В настоящее время основным подходом к проектированию барабанов яв1 ляется эвристический, при котором новые конструкции разрабатываются и рассчитываются на основе опыта и интуиции конструктора. В этом случае конструктор вынужден большое количество различных оценочных критериев заменять одним-двумя наиболее существенными с его точки зрения. Эго приводит к необоснованному завышению коэффициентов запаса прочности. В результате конструкция барабана получается более тяжелой. При этом его надежность и долговечность существенно не увеличиваются.

Барабаны ленточных конвейеров традиционной конструкции при больших нагрузках получаются очень тяжелыми и имеют низкую долговечность. Металлоемкость барабанов при их производстве линейно связана с приведенными затратами, однозначно оценивающими их различные конструкции, и зависит от параметров, определяющих их напряженно-деформированное состояние. Выбор оптимального варианта конструкций барабана по критерию минимума металлоемкости с учетом всех параметров, определяющих ее прочность, требует разработки новых методик расчета и применения вычислительных средств. Разработано несколько конструкций

барабанов ленточных конвейеров, имеющих меньшую, по сравнению с традиционными, металлоемкость производства.

Применение оптимизации при проектировании позволяет значительно снизить металлоемкость применяемого оборудования, использовать менее мощные, а следовательно, и менее дорогие узлы и механизмы. При этом -надежность и долговечность этих элементов не только не уменьшится, но -и может увеличиться.

В соответствии с изложенным в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

- проанализировать напряженно-деформированное состояние элементов барабана ленточного конвейера, определить места наибольших концентраций напряжении, в которых наиболее вероятно разрушение барабана;

- исследовать пространственные составляющие воздействий на элементы барабана, включая действие грузопотока с различными характеристиками, и построить математическую модель изгружекия;

- построить математическую модель прочностного расчета барабана ленточного конвейера, учитывающую пространственное напряжеяно-деформи-ровашгое состояние его элементов, взаимодействие этих элементоз и статистический характер нагрузки;

- исследовать связь параметров барабанов ленточного конвейера и срока его службы со статистическими характеристиками грузопотока;

- оценить долговечность барабанов традиционной и сотовой конструкции по критерию неразрушенкя наиболее нагруженных элементов и узлов барабана;

- обосновать метод оптимизации конструктивных йзраметров барабана ленточного конвейера сотовой конструкции по критерию минимума металлоемкости, учитывающего характеристики прочности элементоз барабана.

С точки зрения теории упругости барабан лгнточного конвейера представляет собой совокупность обечайки, относящейся к классу цилиндрических оболочек, и лобовин, являющихся кольцевыми пластинами.

Для повышения прочности и жесткости обечайку в средней части усиливают кольцевыми ребрами жесткости или делают более толстой. Этим достигается незначительное перераспределение напряжений, что, однако, не прнво-

дат к значительному повышению долговечности и снижению массы барабана. Поэтому в дальнейших расчетах и исследованиях влияние кольцевых ребер жесткости или ступенчатости обечайки учитываться не будет.

Для прочностных расчетов элементов барабана применен метод конечных элементов (МКЭ). Был использован четырехугольный четырех-узловой плоский конечный элемент, имеющий шесть степеней свободы в каждом узле. Применение элемента с шестью степенями в каждом узле позволяет наиболее полно отразить напряженное состояние любой пространственной конструкции, барабана ленточного конвейера в том числе.

Учитывая симметричность конструкции барабана и приложенных к нему нагрузок, для упрощения модели л уменьшения времени счета применена модель половины барабана ленточного конвейера, при этом недостающая часть барабана заменяется соответствующими граничными условиями, накладываемыми по обрезанному краю обечайки. В качестве граничных условий, накладываемых по линии разреза, выбраны для моделирования недостающей половины следующие: запрещены перемещения вдоль продольной оси барабана к поворот вокруг поперечных осей. Из тех же соображений вал заменен граничными условиями, моделирующими его влияние при нагружении барабана.

Данная модель позволяет рассчитывать барабаны ленточного конвейера обычной конструкции при наличии следующих ограничений:

- лобовины барабана имеют равную толщину по наружному и внутреннему диаметрам;

- барабан не имеет колец и ребер жесткости.

При определении нагрузок, действующих на обечайку барабана, принято допущение, заключающееся в равенстве дуг скольжения и обхвата барабана конвейерной лентой.

На обечайку приводного барабана действуют распределенные в зоне контакта с лентой радиальное и окружное усилие Р| и Р3. На обечайку неприводного барабана действует только радиальное усилие Рь Эпюры распределения усилий Р, и Р3 подобны эпюре натяжения ленты и соответствуют формуле Эйлера. Для каждой точки обечайки нагрузки могут быть рассчитаны с использованием величин натяжения сбегающей и набегающей ветвей ленты.

Для дальнейшего использования в расчетах значения натяжения набегающей и сбегающей ветвей ленты непригодны. От величин натяжения ленты необходимо перейти к нагрузкам в узлах конечно-элементной сетки, представленным в проекциях на оси декартовой системы координат.

Делается это в несколько этапов:

- взаимодействие ленты с обечайкой барабана приводит к появлению распределенных по поверхности радиального Р| и окружного Р3 усилий:

S

Р, , P3=y"s-Pi RB

где В - ширина ленты, R - радиус обечайки барабана, S - натяжение ленты в конкретной точке, ц5 - коэффициент сцепления ленты с барабаном;

- распределенные усилия P¡ и Рз приводятся к нагрузкам в узлах, нормальным и касательным к поверхности обечайки:

Р'__Sa______р- _ Sa

1 (m-lXn-2)' ~ (m -lXn ~2)

где гг. и a - число нагруженных узлов на окружности к образующей обечайки соответственна:

' я

- силы Pj и Р3 проецируются на оси координат Y и Z, нормальные к оси барабана:

P,y = —Pj sina, P1Z = -Р,' cosa,

P3 Y = Pj eos a, P3Z = -P3 sin a.

Затем проекции на соответствующие оси суммируются:

RY=P1Y+P3y, R2=P12+Pk.

Полученные таким образом силы RY и Rz могут быть приложены к соответствующим узлам конзчно-элемкгшой сетки для дальнейших расчетов.

Поскольку транспортируемый груз распределен ка конвейерной ленте по ее ширине неравномерно, принято, что <?ба края ленты воспринимают 20% нагрузки, а середина ленты - 60%.

Соответствие предложенной конечно-элементной модгли, описанных граничных условий и прикладываемых нагрузок проверено экспериментально.

В ходе эксперимента замерялись напряжения, возникающие в 32 точках обечайки и лобовин барабана.

Исследование проводилось на экспериментальной установке, созданной в Брянском государственном техническом университета. Установка выполнена следующим образом. На раме в кронштейнах укреплен барабан, напряженное состояние которого подлежит исследованию. На его валу жестко закреплен рычаг, конец которого связан с рамой через динамометр. Обечайка барабана охвачена лентой "(угол охвата может изменяться в пределах 90 - 180°), концы ■: которой через динамометры также связаны с рамой. Все три динамометра имеют рычажно-винтовое устройство системы Токарева.

Установка работает следующим образом. Осуществляется предварительное натяжение ленты So. Затем через рычаг к барабану прикладывают крутящий момент М. Это приводит к изменению натяжения ленты в обеих ее ветвях - усилие в верхней (набегающей) ветви увеличивается до S1№, а в нижней ветви (сбегающей) уменьшается до Sce- Указанное явление можно качественно оценить с помощью показаний всех трех динамометров. •

Исследуемый барабан является физической моделью приводного барабана мощного ленточного конвейера, выполненной в масштабе ориентировочно 1:10 (по сравнению с натурным барабаном диаметром 2 м), В результате диаметр исследуемого барабана принят равным 200 мм, а его длина -310 мм, толщина обечайки и лобовин - 7 мм.

В качестве тягового органа принята однопрокладочная конвейерная лента шириной 300 мм и толщиной 6 мм.

Для проведения измерений были определены следующие точки на поверхности барабана:

- 24 точки на поверхности обечайки, расположенные на восьми образующих барабана;

- 8 точек на поверхности лобовин барабана.

Указанные образующие выбраны таким образом, чтобы расстояние между ними по дуге было равно 45°, причем на каждой образующей выделены три точки: первая расположена в центральном сечении барабана, вторая - вблизи от края обечайки и третья - в промежутке и на равном расстоянии между ними.

П каждой точке наклеивались розетки тензодатчиков с базой 10 мм типа 211КБ-10-1001 Б.

Показания тензодат-шков регистрировались с помощью измерителя деформации цифрового ИДЦ-1.

Расхождение результатов, полученных экспериментально и расчетным путем, не превышает 5 - 12%.

При проведении вариантных расчетов барабанов ленточных конвейеров наиболее нагруженными и подверженными усталостному разрушению оказались сварные швы, соединяющие лобовины и обечайку, и средняя часть обечайки, что также соответствует экспериментальным данным.

Проанализированы различные конструкции барабанов, выявлены их недостатки. Сделан вывод о том, что наиболее предпочтительным является барабан сотовой конструкции (рис.1), лишенный большинства указанных недостатков.

4 1 6 5 2 3 1 6 5

Рис. I

Барабан содержит вал 1, представляющий собой пйлуга шестигранную трубу, переходящую на концах в цилиндрические гнезда, в которых укреплены (например, с помощью сварки) полуоси 2, предназначенные для установки барабана в подшипниковых узлах и приведения его во вращение в случае, если он приводной. На концах вала ) смонтированы ступицы 3, к которым крепится обечайка 4, выполненная, например, из свернутого в трубку тонкого стального листа. В полости, образованной обечайкой 4, валом 1 и ступицами 3, размещен каркас, включающий плотно прижатые друг к другу полые шестигранные тела

5, установленные вдоль вала в одни или несколько рядов. В зазоры между обечайкой 4 и шестигранными телами 5 при необходимости и для придания барабану большей округлости могут быть установлены также полые трехгранные тела 6.

При составлении конечно-элементной модели барабана сотовой конструкции были сделаны следующие допущения:

- отсутствие взаимного смещения соприкасающихся граней шестигранников и трехгранников;

- трехгранные тела, при их использовании, имеют ту же толщину, что и шестигранные.

Как и при расчете барабана традиционной конструкции ограничимся моделью половины барабана.

Нагрузки в узлах конечно-элементной сетки обечайки барабана сотовой конструкции рассчитываются в соответствии с методикой, описанной выше.

Для сравнения массы барабанов сотовой и традиционной конструкции в зависимости от натяжения ленты для различных типоразмеров проведены вариантные расчеты барабанов обычной и сотовой конструкции. При этом для каждого варианта нагружения рассчитывались два барабана различных конструкций.

Расчеты проводились для приводных барабанов с углом обхвата барабана лентой ао=270°. При расчетах фиксировалась величина наибольших эквивалентных напряжений, возникающих в обечайке и лобовинах барабанов обычной конструкции и в обечайке и элементах каркаса барабанов сотовой конструкции независимо от типоразмера барабана и величины прикладываемых нагрузок. Равенство напряжений в элементах барабанов достигается изменением их толщины. Значения толщины всех элементов барабанов принимактгся в соответствии с типоразмерным рядом выпускаемого проката.

По результатам проведенных расчетов барабанов обычной и сотовой конструкции различных типоразмеров сделан вывод, что масса барабанов сотовой конструкции меньше массы барабанов традиционной конструкции в среднем на 10 - 20%. Наиболее целесообразно применение барабанов сотовой конструкции на мощных ленточных конвейерах с широкой лентой и большими

нагрузками. Так, например, при ширине ленты В=ЗСОО мм разница в массе барабанов сравниваемых конструкций колеблется от 600 до 1100 кг, при изменении натяжения ленты с 1700 до 3000 кН, что составляет 17 и 23% соответственно. А при ширине ленты В=650 мм разница составляет 7 - 13% при изменении натяжения в набегающей ветви 8Не со 100 до 400 кН. Установлено, что меньшую на 15 - 20% массу имеют барабаны сотовой конструкции, • у которых необходимая прочность достигается за счет увеличения толщины обечзйкн, а не элементов сотового каркаса при прочих разных условиях.

Для облегчения проведения вариантных и проверочных расчетов барабанов ленточных конвейеров сотовой конструкции получены с использованием регрессионного анализа формульные зависимости напряжений в элементах барабана.

Для построения регрессионной модели напряженно-деформированного состояния элементов барабана ленточного конвейера сотовой конструкции, применена линейная модель вида

ф(Хь Х2,..., Х„)=Во+В|X| +... +В„Х„. (1)

Применение в данной задаче линейной модели допустимо, так как материал, из которого изготавливают элементы бфабаков ленточных конвейеров, работает в упругой зоне, где зависимость напряжения - деформации линейна. В качестве йходкых и управляемых факторен приняты следующие: Хо - ширина ленты, мм (В), Х| - диаметр б?р< £г;?д, мм (О), Х2 - толщина обечайки, мм (Т0), Х} - толщина элементов каркаса, мм (Тс), Х4 - угол обхвата барабана лентой, град. (а0), Х5 - натяжение сбегающей гятви ленты, кН (8Сн), Х6 - тяговый фактор (ТФ).

Выходными параметрами У будут наибольшие экв;;?алентные напряжения, возникающие в обечайке и элементах сотового каркаса и рассчитанные по четвертой теории прочности.

В качестве базисных функций ^(Х) использовались полиномиальные переменные:

Го(Х) = и1(Х) = Х„...,Гв(Х) = Хп;

^2п+1(х) = Х,Х2,-. *2„+с2 (Х) = ХП_]ХП.

Тогда каждый элемент ^(ХО выглядит следующим образом:

Г7(Х,Н1, В, Б, То, Тк, «о, За, Тф( В2, О2, Т,Д Тк2, а20, всв2, ОВ, Т0В, ТКВ, а0В, БсьВ, ТФВ, Т<Д ТкО, сцР, 8сбО, ТфО, 1'к'Го, а0Т0, 5СЬТ0, ТфТи, а0Тк, ^свТк, ТфТк, Бсб^О. ТфСХо, БсвТф]. ■

После преобразований и вычислений в уравнении

у = £ь^(х) (2)

известными становятся коэффициенты Ь^ Можно рассчитать для любых значе ний X, значения функций § и, следовательно, можно получить значения У, т.е наибольшие эквивалентные напряжения в обечайке и элементах сотового кар каса барабана ленточного конвейера сотовой конструкции.

Расчет производится в 3 этапа. На первом этапе рассчитываются значения функций Как указывалось выше, значения функций ^ завися! только от параметров самого барабана и от условий его нагружения. Значенш этих функций, представленные в векторном виде, запишутся так:

Г'(ХН1, В, Б, Т0, Тк, ао, всь, Тф, В2, О2, Т02, Тк2, а20, 8С62, Т2ф, ОВ, Т„В ТКВ, аоВ, БсвВ, ТфВ, Т0О, ТкО, а<А БсА ТфО, ТКТ0) а0Ти, БсЛо, ТфТ0, «0ТК §сбТк, ТфТк, ЙсеОо, ТфОц, ЯсьТф]. На втором этапе производится перемножение соответствующих коэффициентов регрессии ^ и базисных функций полученных при выполнении первого этапа. И, наконец, на третьем этане полученные числа суммируются в соответствии с формулой (2).

В результате,вычислений, проведенных в соответствии с зависимостью (2), получены величины наибольших эквивалентных напряжений, вычисляемых по IV теории прочности, которые возникают в элементах барабана сотовой конструкции.

При проведении вариантных расчетов барабанов ленточных конвейере; традиционной конструкции наиболее нагруженными и подверженными уста

•юстному разрушению оказались сиарные швы, соединяющие лобоьииы и обе <анку, что соответствует экспериментальным данным.

В связи с тем, что основными причинами выхода из строя барабанов лек-тчных конвейеров являются усталостные разрушения сварных швов, соединяющих лсбовинь и обечайку, н обечайки в ее средней чести, проиеден сравни гельный анализ долговечности барабанов обычной н саговой конструкций именно по этим параметрам.

Как известно, грузопотоки на горных предприятиях носят случайный характер. Случайными являются и нагрузки на каждый элемент ленточного конвейера, в том числе и на барабан.

Грузопотоки Q(t) представляют собой случайную функцию времени, достаточно однородно меняющуюся ео времени.

Основные характеристики транспортных грузопотоков: среднее значение или математическое ожидание М0, дисперсия Dq, среднее квадратичесхое отклонение cTq - ^JDq , корреляционная функция грузопотока Rq(t), дифференциальный закон распределения ординат грузопотока p(Q), являющийся основой выбора уровня вероятности расчетных величин. ■

В общем случае грузопоток представляет собой последовательность импульсов случайной длительности со случайными интервалами отсутствия груза. В пределах длительности импульсов грузопоток может быть описан как непрерывный случайный процесс.

Как следует из экспериментальных исследований, описанных в литературе, грузопоток имеет распределение, близкое к нормальному или логарифмически нормальному, т.е. функции распределения равны:

Корреляционные функции грузопотоков аппроксимируются аналитической зависимостью вида

2Cq ]'

(logQ-MQ)2

2C>q

К0(г) = с-^ • ехр(-ат),

где а - характеристика грузопотока, определяемая типом добычной машниы, видом груза п т.д., то есть грузопотоки являются экспоненциально коррелированными!

Достоинством нормального распределения является возможность простого н&хождет:я необходимого значения грузопотока с заданной вероятностью, используя функцию Лапласа.

Для расчетов барабанов ленточного конвейера необходимы значения натяжения набегающей и сбегающей ветвей ленты. Для их определения необходимо вычислить загруженность конвейера или количество груза на нем \'с>. Эта величииа определяется путем интегрирования случайного входного грузопотока на интервале времени Тц- = Ьк / v, где Ьк - длина конвейера, v - скорость движения ленты, Так как интегрирование является линейным преобразованием нормального случайного процесса 0(1), то величина V также имеет нормальное распределение. Основными характеристиками случайного процесса V являются:

Тк ь

ма гсматическое одсзде.нке Му = | Мд^ = МдТк - Мд ——

V

Л

..а сс а

дисперсия Оу = ] (Ч - г) • Кд(г)с1г = 2О0 о

Случайные грузопотоки и нагрузки на барабаны ленточного коньейера являются широкополоснкгли. Поэтому дая схематизации этих случайных процессов с целью получения функции распределения амгшпуд напряжет;'":, эквивалентной данном)' случайному процессу по степени вносимого усталостного повреждения, применен метод «дождя».

Для расчета долговечности элементов барабанов сравниваемых конструкций использована линейная гипотеза суммирования усталостных поврехс-дений;

2 ^ <3>

где п, - число циклов повторения амплитуды напряжений а„ N. - число них л о» до разрушения по кривой усталости прн СГ|

Дчя подсчета числа блоков нагружения X за всю наработку барабана до

появления трещины или разрушения, приняты для материала, из которого изготовлены элементы барабана, следующие величины:

- предел выносливости СТ.1Я=160 МПа,

- предел прочности ив-400 МПа.

Число блоков нагружения за весь срок службы определяем по формуле

На основании расчета долговечности барабанов сравниваемых конструкций по заданным критериям сделано заключение о том, что долговечность обечайки и сварных швов барабана сотовой конструкции в'ыше на 18 и 24% соответственно. Учитывая, что обечайка барабана сотовой конструкции является более подверженной усталостному разрушению, все дальнейшие расчеты проводились именно для нее.

При проектировании барабана ленточного конвейера срок службы барабана, выраженный числом блоков нагружения к, которое должен отработать рассчитываемый барабан, бывает известен. В этом случае долговечность обечайки барабана может быть оценена при помощи коэффициента запаса прочности.

Расчет выполнен на основании линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений для кривой усталости с горизонтальным участком.

Число циклов N. находят из уравнения

N=00 при N>N0,

где ст.1ы - предел ограниченной выносливости детали при симметричном цикле, соответствующий числу циклов N1; Ы0 - число циклов, соответствующее точке перелома кривой усталости; т - показатель наклона левой ветви кривой усталости, с уменьшением которого наклон увеличивается:

V,-

= приМ<М0;

m =

Íg(er_m /о-_,д)'

N, подставляют в (3) с учетом n¡=Xv¡0. Условие прочности дм заданного ресурса, определяемого числом блоков X,

у = * (4)

¿~< _m vt Р

где ар - расчетное значение суммы относительных повреждении.

Обечайка барабана не должна разрушаться при рабочих амплитудах пап ряжений aa¡, поэтому выражение, стоящее в левой части уравнения (4), должно быть .меньше ар. Согласно концепции перехода к предельному состоянию все амплитуды необходимо увеличить В п раз, чтобы наступило разрушение. Здесь п - коэффициент запаса прочности:

П = ——->[п], (5)

°ЭК8

где |п] - минимально допустимое значение коэффициента запаса прочности;

¡=1 ^а.шах

На =с01,^.10. V

Расчет по коэффициенту запаса проводится в такой посяедоьательнссти. При проектировании ленточного конвейера необходимо задаться требуемым сроком службы барабана, выраженным числом блоков нагружения X, которое должен отработать рассчитываемый барабан. Затем в соответствии с блоком нагружения рассчитываются напряжения, возникающие в средней части обечайки барабана. После чего по приведенным зависимостям рассчитывается коэффициент Запаса. Обечайка считается работоспособной, если коэффициент

запаса прочности п превышает принятое минимачыю допустимое значение [п]. Так как коэффициент п входит в выражение для a3KS, то задача решается методом последовательных приближений: задавшись предварительным значением п\ находят стэкз, затем п по формуле (5). В случае существенного

расхождения п и п' расчет повторяется.

Расчет долговечности барабана ленточного конвейера по коэффициенту запаса позволяет значительно сократить время, необходимое для проектирования.

С целью снижения материалоемкости при производстве барабанов ленточных конвейеров необходимо определить конструктивные параметры барабана, при которых выполняются условия прочности его элементов, а масса является наименьшей.

Для этого в работе сформулировала и решена задача оптимизации конструктивных параметров барабана, обеспечивающих минимум его массы.

При этом параметры барабана, которые задаются проектировщиком и в процессе оптимизационного расчета остаются постоянными: В - ширина ленты, D - диаметр барабана, Оо - угол обхвата лентой барабана, Scb -натяжение сбегающей ветви ленты, Тф - тяговый фактор, р - плотность материала сотового каркаса и обечайки, L - длина обечайки барабана, а оптимизируемыми параметрами барабана являются: толщина обечайки Т0 и толщина элементов сотового каркаса Тк.

Поскольку при оптимизации конструкции необходимо свести к минимуму массу барабана, то целевой функцией является масса барабана в зависимости от его конструктивных параметров:

М=6МЭЛ + Моб + бМвст, (6)

где МЭл - масса шестигранного элемента каркаса, Моб - масса обечайки, МВсг -масса трехгранной вставки.

Причем Мэл = VKp = 6rLTKp = 6(0,189D) LTKp, где VK - объем элемента каркаса, г - ширина грани элемента каркаса, (r=0,189D),

Mos = 7iDLT0-p,

Мвс| =(2г+1,5АгО)-1Тк-р, гяесь А2 - центральный угол трехгранной вставки; причем А2=12,738° или А2=0,222 рад.

Для простоты представления зависимостей введем следующие обозначения: г - целевая функция, К|=лОЬр, К2=6(8гИ ,5А20)Ьр, Х(= То, Х2= Тк. Тогда целевая функция (6) сводится к виду:

К;Х, + К2Х2 ~ 2. (7)

Таким образом, в работе задача оптимизации конструктивных параметров барабана ленточного конвейера сотовой конструкции сформулирована следующим образом: минимизировать функцию К,Х| + К2Х2 = Ъ, при ограничениях

То>0,Тк>0,ак£Ы-Оо2[сто], (8)

где ак, [ак], а о, [а0] - напряжения, возникающие: при иагрукешш и допустимые для элементов сотового каркаса и обечайки, соотьетствешю. При этом регрессионная модель для расчета напряжений, возникающих при пагружеиии бараЬ'апь лет-очного конвейера сотовой конструкции, может быть представлена в злче

о- = а0 + То-ато + Тк-атю

где ао=€оп.?£ для мяклою барабана, зависящая от его конструктивных пара-мегров, ато - сумма членов регрессионной модели, включающих в себя множитель Т0, аТк - сумма членов регрессионной модели, включающих в себя множитель Тк.

Оз - ВЬ, + ЭЬ2 + аоЬ3 + КССЬ6 + ТфЬт + + 0% + <х20Ь,0 + Б^Ь,, + ОВЬп + оо13Ь,5 + 8сбВЬ16 + ТфВЬ,, + аоОЬю + 8се1>Ь2| + ТфБЬц + 5сха<,Ь27 + ТфаоЬи + 5сбТфЬ2,; ат0== Ь3 + ВЬ» + П-Ь)8 + ао-Ьаз + 5ск-Ь24; аТк= Ь4 + ВЬ» + Ш»„ + ао-Ьи+ ЗсЕ-Ьгб-

Полученная задача рптимшащш линейна, то есть линейна а цглепая функция и ка!^вдды.йгккые 1га , нее рграшчения.' Тсжй)«!. °6$рмом, задачу оптимизации- р^тгйвйцх.' -• параметров .'ба'рабгща 'ленточного; конвзйера

сотовой конструкции оказалось возможным свести к задаче линейною программирования. Задача приведена к следующему виду:

минимизировать функцию К|Х( + К2Х2 = Ъ при ограничениях:

Хга^+Х2-а°к +Х3=М0-а°0;

Х1-а?в+Х2.а?к+Х4=Ик-а?;

Х„Х2,Х3,Х4аО.

В матричной форме ограничения записываются таким образу г

РЧ

Га® '0 < 1 0 Х2

„К ат к 'о „к аТк 0 К Х3 л, 1ук;

Они состоят из двух уравнений с четырьмя неизвестными.

Во всех задачах линейного программирования оптимальнее решение он ределяется допустимым базисным решением. Симплекс-метод является вычислительной процедурой, основанной на этом положении, однако пред ставленной в алгебраической форме. Он непосредственно применяется к общей задаче линейного программирования в стандартной форме. При этом предполагается, что имеется базисное допустимое решение, удовлетворяющее всем ограничениям.

В соответствии с алгоритмом решения задачи линейного нрограмми рования симплекс-методом написана программа оптимизации конструктивных параметров барабана ленточного конвейера сотовой конструкции. Исходными данными для оптимизационного расчета являются:

- натяжение сбегающей ветви ленты,

- натяжение набегающей ветви ленты,

- угол обхвата барабана лентой,

- ширина ленты,

- диаметр барабана,

- толщина обечайки (начальная),

- толщина элементов сотового каркаса (начальная),

- допустимые напряжения для материала, из которого изготовлены обечайка барабана и элементы сотового каркаса.

В качестве результатов расчета по данной программе получены параметры обечайки и элементов сотового каркаса, выбранные по условию минимума массы барабана с учетом того, чтобы напряжения, возникающие в элементах, ке превышала заданных допустимых значений.

Разработанные автором методики проверочного и оптимизационного расчетов барабанов ленточных конвейеров сотовой конструкции, а также методика определения долговечности барабана по критериям работоспособности его обечайки и сварных швов позволили сделать вывод о том, что барабан сотовой конструкции перед традиционные имеет такие преимущества, как меньшая жссе п большая долговечность.

Годосо:"! экономический эффект от снижения металлоемкости производству барибалов дыггочных конвейеров, в пересчете на один барабан принятого типоразмера, размен 16,8 тыс. руб. .

Зиключеш!«

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи увеличении долговечности и ешшенвя материалоемкости барабанов мощных ленточных конзгйгроз и разработаны методики проверочного и оптимизационного расчетов конструктивных параметров барабаноз сотовой конструкции.

Выполненные в раЗотг исследования позеоляют получить практические результаты и сделать следующие выводы н рекомендации:

1. Применяемые в настоящее время барабаны ленточных конвейеров нг отвечают требованиям, предъявляемым к прочности, долговечности, металлоемкости, а используемые для их расчета аналитические методы вызыаают необходимость принятия целого ряда допущений, что приводит к снижению точности оценки напряженного состояния. Для проведения более точного расчета напряженно-деформированного состояния элементов барабана необходимо применение современных численных методов расчета, в частности, метода конечных элементов.

2. Рассмотрены технические решения, позволяющее повысить долюнеч-ность барабанов ленточных конвейеров путем усовершенствования их конструкции.

3. Разработаны математическая модель нагружения барабанов ленточных конвейеров традиционной конструкции и метод расчета их напряженного состояния. Установлены наиболее нагруженные элементы барабана: сварные швы и средняя часть обечайки,

4. Разработаны математическая модель нагружен ия барабана ленточного конвейера сотовой конструкции и расчета его напряженного состояния, учитывающая неравномерность распределения транспортируемого груза по ширине ленты, назначение барабана и его конструкцию, математическая модель оценки долговечности элементов барабана конвейера, учитывающая случайный характер грузопотока, математическая модель оптимизации параметров конструкции барабана по критерию минимизации металлоемкости.

5. Масса барабанов сотовой конструкции меньше массы обычных барабанов при тех же нагрузках в среднем на 10 - 20%. Наиболее целесообразно применение барабанов сотовой конструкции на мощных ленточных конвейерах с широкой лентой и большими нагрузками. Меньшую (на 15 - 20%) массу имеют барабаны сотовой конструкции, у которых необходимая прочность достигается за счет увеличения толщины обечайки, а не элементов сотового каркаса при прочих равных условиях.

6. Напряженное состояние барабана ленточного конвейера сотовой конструкции, математически описанное при помощи методов регрессионного анализа, позволяет за короткое время произвести проверочный расчет элементов барабана.

7. Долговечность, определяемая по критериям неразрушения обечайки барабана ленточного конвейера в средней части и сварных швов, при заданном режиме нагружения, для барабана сотовой конструкции выше на 18 и 24% соответственно. При проектировании барабана ленточного конвейера сотовой конструкции прочность обечайки оценивается через вычисление коэффициента запаса при заданном сроке службы и режиме эксплуатации.

8. При решении задачи оптимизации целевая функция массы барабана сотовой конструкции и все накладываемые на нее ограничения являются ли-

ценными зависимостями и для нахождения оптимальных конструктивных параметров барабана используется симплекс-метод.

9. Методики и программы, разработанные в работе, приняты Инженерно-производственным центром «Конвейер» к использованию при конструировании барабанов проектируемых ленточных конвейеров. Кафедрой «Подъемно-транспортные, строительные н дорожные машины и оборудование» Брянского государственного технического университета методики используются в учебном процессе. Расчетный годовой экономический эффект от применения на ленточных конвейерах горных предприятий барабанов сотовой конструкции в пересчете на один барабан составляет 16,8 тыс. руб.

Основные положипя диссертации опубликованы о следующих работах:

1. Гулак МЛ. Метод расчета сотовых барабанов ленточных конвейеров: Икформ. листок, -Брянск: ЦНТИ, 1998,4с.

2. I у .таи МЛ. Оценка долговечности барабанов ленточных конвейеров сотовой конструкции: Информ. листок. -Брянск: ЦНТИ, 1998,4с.

3. Гулек МЛ, Дунаев В.П. Долговечность барабанов ленточных конвейеров. Деп. в ВИНИТИ № 1140-В98

4. Дупа..>з В.Н., Гулек МЛ. О нозой возможности снижения материалоемкости барабанов ленточных конвейеров. Деп. в ВИНИТИ № 1139-В9Г,

5. Ио.-.опригорг Ю.А., Гулаи МЛ. Конструкция барабана ленточного конвейера: Информ. листок. -Брянск: ЦНТИ, 1998,4о.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ _ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ_

На правах рукописи

ГУЛАК Максим Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БАРАБАНОВ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины'

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор ДМИТРИЕВ В.Г.

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ................................ 9

1.1. Общие положения................................................................9

1.2. Анализ конструктивных особенностей барабанов ленточных конвейеров................................ 11

1.3. Анализ методов проектирования и расчета барабанов ленточных конвейеров............................. 21

1.4. Обзор методов расчета напряженно - деформированного состояния обечайки барабана ленточного конвейера.... 40

1.5. Обзор методов построения регрессионных моделей.... 44

1.6. Обзор методов оптимального проектирования конструкций........................................ 49

1.7. Выводы, цель и задачи исследований................ 54

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ БАРАБАНА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА ТРАДИЦИОННОЙ КОНСТРУКЦИИ............................ 55

2.1. Конечно - элементная модель барабана ленточного конвейера обычной конструкции....................... 55

2.2. Предпосылки, метод и задачи эксперимента.......... 61

2.3. Аппаратура и оценка погрешностей измерений........ 62

2.4. План и программа эксперимента.................... 68

2.5. Анализ результатов эксперимента................... 70

2.6. Сравнение данных, полученных в результате расчета по МКЭ барабана ленточного конвейера обычной конструкции с экспериментальными данными.............. 80

2.7. Выводы по главе................................. 87

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННО-

СТИ БАРАБАНА СОТОВОЙ КОНСТРУКЦИИ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ЕГО НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ......... 89

3.1. Конечно - элементная модель барабана ленточного конвейера сотовой конструкции и ее числовые параметры. 89

3.2. Оценка массы барабанов ленточных конвейеров обычной и сотовой конструкции на базе анализа их напряженного состояния............................... 91

3.3. Построение регрессионной модели напряженно - деформированного состояния элементов барабана ленточного конвейера сотовой конструкции................................95

3.4. Алгоритм проверочного расчета напряженно - деформированного состояния барабана ленточного конвейера сотовой конструкции............................................................99

3.5. Сравнительный анализ долговечности барабанов ленточного конвейера обычной и сотовой конструкции для заданного режима нагружения...................... 102

3.6. Оценка запаса прочности элементов барабана ленточного конвейера сотовой конструкции.................. 121

3.7. Выводы по главе................................. 123

ГЛАВА 4. АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ БАРАБАНА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА СОТОВОЙ КОНСТРУКЦИИ..... 125

4.1. Разработка целевой функции и определение величины и характера ограничений........................................................126

4.2. Алгоритм конечномерной оптимизации барабана ленточного конвейера сотовой конструкции............................130

4.3. Оптимизация барабана ленточного конвейера сотовой конструкции..........................................................................134

4.4. Расчет экономического эффекта от использования барабана ленточного конвейера сотовой конструкции..............136

4.5. Выводы по главе....................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ..............................................140

Список использованной литературы....................................142

ВВЕДЕНИЕ

Для коренного улучшения состояния экономики России необходимо увеличение добычи полезных ископаемых, в основном, за счет повышения производительности труда на основе дальнейшего совершенствования техники и технологии и повышения эффективности использования средств комплексной механизации и автоматизации на горных предприятиях.

Одним из важнейших звеньев технологического процесса на горных предприятиях является транспорт. Все более широкое применение в транс-портно-технологических схемах горных предприятий находят ленточные конвейеры. На угольных шахтах они являются основным средством непрерывного участкового и магистрального транспорта. Область применения ленточных конвейеров при добыче полезных ископаемых открытым способом в России и за рубежом значительно расширяется за счет использования их в схемах поточной и циклично-поточной технологии для транспортирования как мягких так и скальных пород.

Для современного развития конвейерного транспорта характерно увеличение его производительности и длины транспортирования, что увеличивает нагрузки на приводные и отклоняющие барабаны, а также количество барабанов в конвейере. Это снижает общую надежность конвейеров и ухудшает технико-экономические показатели их работы. Большое количество барабанов требуется не только для оборудования вновь выпускаемых конвейеров, но и для замены барабанов, установленных на действующих транспортирующих машинах, срок службы которых значительно ниже срока службы конвейера, особенно на горных предприятиях. Поэтому для удовлетворения потребностей в замене вышедших из строя барабанов необходимо изыскание возможностей как увеличения выпуска барабанов, так и более рационального их использования. Сложность этой задачи требует

поиска путей дальнейшего совершенствования конструкций, методов расчета и повышения надежности и долговечности барабанов ленточных конвейеров. В этой связи научная задача создания математической модели прочностного расчета барабанов ленточных конвейеров для снижения их металлоемкости и увеличения долговечности является актуальной.

Этот вопрос до сих пор не нашел должного отражения в работах по долговечности и надежности барабанов ленточных конвейеров.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке научно обоснованных методик расчета барабана ленточного конвейера новой "сотовой" конструкции, направленных на повышение его надежности и долговечности при транспортировке кусковых грузов на горных предприятиях.

Цель работы заключается в установлении зависимостей прочности и долговечности барабанов ленточного конвейера от его конструктивных параметров и характеристик грузопотока для создания математической модели барабана, позволяющей определить рациональные параметры его конструкции при допускаемом минимуме металлоемкости.

В работе проведены: экспериментальные и теоретические исследования напряженного состояния барабана ленточного конвейера обычной конструкции; теоретические исследования напряженного состояния барабана сотовой конструкции; сравнение барабанов обычной и сотовой конструкции по критериям массы и долговечности; разработка регрессионной модели барабана сотовой конструкции и, на ее основе, - методик проверочного и оптимизационного расчетов, а также долговечности.

Научные положения, защищаемые автором, состоят в следующем:

- математическая модель нагружения барабана ленточного конвейера и расчета его напряженного состояния должна учитывать неравномерность

распределения транспортируемого груза по ширине ленты, назначение барабана и его конструкцию;

- математическая модель оценки долговечности элементов барабана конвейера должна учитывать случайный характер грузопотока;

- математическая модель оптимизации параметров конструкции барабана по критерию минимизации металлоемкости, отличающаяся тем, что учитывает назначение барабана и его конструкцию;

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены:

- сопоставлением экспериментально определенной картины напряженного состояния элементов барабана ленточного конвейера с теоретической, полученной согласно предлагаемой математической модели; расхождение составляет 5-12%;

- теоретическими исследованиями зависимости свойств прочности от характера грузопотока, параметров конвейера с использованием апробированных методов теории механики деформированного твердого тела, теории усталостных разрушений и численных методов математического анализа;

- выбором наиболее полной математической модели прочностного расчета барабана ленточного конвейера, апробированной на широком классе барабанов, всестороннем тестировании программного обеспечении.

Научное значение работы состоит в обосновании математической модели прочностного расчета барабана ленточного конвейера с учетом долговечности его элементов, что является уточнением теоретических методов расчета узлов ленточных конвейеров.

Практическое значение работы заключается в разработке методик проверочного и оптимизационного расчетов и оценки долговечности основных элементов барабана ленточного конвейера, а также в написании программ, реализующих эти методики.

Диссертационная работа выполнена в Московском Ордена Трудового Красного Знамени государственном горном университете на кафедре "Горная механика и транспорт".

Автор выражает глубокую признательность за всестороннюю помощь и поддержку коллективу кафедры "Подъемно-транспортные машины и оборудование" Брянского государственного технического университета.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие положения

Системы автоматизированного проектирования (САПР) с каждым годом находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Применение САПР обеспечивает сокращение сроков создания и выпуска новых видов продукции и улучшение её качества, снижает затраты на создание и эксплуатацию проектируемых изделий, повышает производительность труда проектировщиков, конструкторов и технологов.

С учетом изменения экономической ситуации в стране, вопросы снижения себестоимости производимого оборудования выходят на первое место. Наиболее эффективно применение САПР при решении задач, имеющих многовариантное решение, как, например, задач оптимизации конструктивных параметров сложных систем. При этом задачи обычно имеют несколько критериев оптимизации разной значимости. Использование САПР для решения таких задач позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант решения.

К таким задачам относится и проектирование ленточных конвейеров. Необходимость проведения проектирования ленточных конвейеров именно с использованием САПР обусловлена дефицитом материальных и других ресурсов. Это связано с большими объемами производства и со значительной стоимостью изготовления оборудования и, как следствие, необходимостью оптимизации его элементов как для каждого отдельного случая, так и для отдельных серий.

Применение оптимизации при проектировании позволит значительно снизить металлоемкость применяемого оборудования, использовать менее мощные, а, следовательно, и менее дорогие, узлы и механизмы. При этом

надежность и долговечность этих элементов не только не уменьшится, но и может увеличиться.

Сказанное выше обуславливает необходимость создания САПР ленточных конвейеров в настоящее время.

Разработка САПР ленточного конвейера требует всесторонней проработки и анализа вопросов проектирования, расчета и конструирования конвейера. При этом необходима разработка новых методик расчета (с учетом возможностей и особенностей современной вычислительной техники) как всего конвейера в комплексе, так и отдельных его узлов и элементов.

Приводной барабан является одним из самых нагруженных и одним из ответственных узлов ленточного конвейера. Крутящий момент двигателя передается на ленту при помощи барабана с использованием фрикционной передачи. Для обеспечения достаточного тягового усилия барабана конвейерная лента имеет значительное натяжение. При этом, на мощных длинных ленточных конвейерах, нагрузки на барабан могут составлять сотни тысяч ньютонов. Нагружение элементов барабана носит сложный характер: нормальные нагрузки сочетаются с касательными, причем они не являются постоянными по углу обхвата и ширине ленты.

Отсутствие достаточно эффективных методик точного расчета барабанов вручную создает большие трудности при оптимизации параметров элементов барабана. Это приводит к необоснованному завышению коэффициентов запаса прочности. В результате конструкция барабана получается более металлоемкой, не увеличивая существенно ее надежности и долговечности.

Детальный расчет позволяет проектировать отдельные элементы и узлы конвейеров и конвейеры в целом с более высокими технико-экономическими показателями и затраты на выполнение дополнительного расчета представляют собой ничтожную величину по сравнению с эконо-

мией, которая получается при создании и эксплуатации ленточных конвейеров

1.2. Анализ конструктивных особенностей барабанов ленточных конвейеров

Барабаны ленточных конвейеров условно относятся к классу полых цилиндрических деталей - тел вращения, рабочие поверхности которых расположены концентрично. При этом характерной конструктивной и технологической особенностью этих барабанов является их тонкостенность при сравнительно больших диаметре и длине.

Выполняют такие барабаны, как правило, сварными с обечайками из листовой стали (обычно СтЗ) или толстостенных стальных труб (рис. 1.1 а).

В отдельных случаях при небольшом диаметре и значительном объеме выпуска барабаны делают литыми.

Обечайки сварных барабанов изготавливают из вальцованных или штампованных листов, сваренных встык сплошными швами.

Указанная технология изготовления барабанов ленточных конвейеров для открытых горных работ (т.е. конвейеров большой или особо большой производительности) весьма прогрессивна, особенно при сравнении ее с технологией изготовления литых барабанов, а также с учетом того, что производство мощных ленточных конвейеров является, в своем большинстве, мелкосерийным или даже единичным.

Кроме высокой массы к недостаткам описанных барабанов следует отнести их низкую долговечность. Так из опыта эксплуатации ленточных конвейеров на горных предприятиях известно, что барабаны, в основном, выходят из строя из-за разрушения обечайки в средней части или сварных швов, соединяющих лобовины и обечайку. Для увеличения срока службы обечаек и сварных швов в конструкцию барабанов вводятся некоторые из-

а)

1

У///////?///,

//// /У// //////// //// ////^Л^

в)

Рис. 1.1. Конструкции барабанов ленточных конвейеров.

менения и усовершенствования. Так, например, обечайки барабанов, установленных на конвейерах 2ЛБ120 выполняются ступенчатыми с увеличением толщины в средней части. Другой попыткой устранения указанных недостатков было изготовление для барабанов конвейеров типа Л100 ступиц с ребрами, соединяющими ступицу с обечайкой. Еще один вариант решения проблем высокой металлоемкости и низкой долговечности - усиление обечайки изнутри кольцевыми ребрами жесткости.

Как показывают практика и проведенные расчеты, этим достигается перераспределение возникающих напряжений, что приводит к некоторому увеличению долговечности элементов барабана, но служит причиной увеличения его массы. Т.е. при данной технологии трудно добиться существенного снижения массы барабана. Значительно снижаются и возможности конструктивного разнообразия барабанов сварной конструкции.

Приведенный ниже анализ конструкций барабанов, которые могут быть использованы в ленточных конвейерах большой мощности, показывает, что основные направления в совершенствовании указанных барабанов связаны не с попытками снижения их материалоемкости, а с возможностью увеличения тяговой способности, предотвращением залипания или обеспечением центрирующей способности барабанов.

В частности, значительное разнообразие получили конструктивные способы выполнения футеровок барабанов. Наибольшее распространение при этом получила резиновая футеровка, которая выполняется гладкой либо рифленой с шевронными канавками или ромбовидными ячейками [66]. Рифленая футеровка, обеспечивая хорошее сцепление с конвейерной лентой, способствует очищению барабана от мелких частиц транспортируемой породы и их выходу в стороны по пазам вместе с влагой. При этом экспериментально установлено следующее важное свойство таких футеровок: коэффициент сцепления с лентой возрастает при увеличении твердости ма-

териала футеровок (мягкие сорта резины из-за быстрого изнашивания вообще непригодны для футерования барабанов).

Так например, фирма "Тип-Топ" (Германия) для приводных барабанов изготовляет элластичные обкладочные пластины из специальной резины твердостью 62-68 по Шору. В работе [66] приведены также экспериментальные данные, полученные