автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование метода тягового расчета скребкового трубчатого конвейера для горной промышленности

? На правах рукописи

/О (,/ Г ;< )

Радимов Ринад Ряшидьевич

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ТЯГОВОГО РАСЧЕТА СКРЕБКОВОГО ТРУБЧАТОГО КОНВЕЙЕРА ДЛЯ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 0S.0S.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005060610 3 О МАЙ 2013

Москва 2013

005060610

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный

университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Дмитриев Валерий Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Вержанский Александр Петрович, заведующий кафедрой «Технологии машиностроения и ремонта горных машин» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»; кандидат технических наук, начальник производственно-технического отдела ООО «Комплексные системы безопасности» Губенко Антон Анатольевич

Ведущее предприятие — ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени B.C. Черномырдина» (г. Москва)

Защита диссертации состоится 13 июня 2013 г. в 14.00.

на заседании диссертационного совета Д.212.128.09 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ).

Автореферат разослан 13 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одной из важных проблем развития горного производства в стране является улучшение экологической обстановки окружающей среды. Конвейерный транспорт, являющийся важным звеном в технологическом процессе транспортирования и переработки горного сырья, имеет широкое распространение, как на открытых, так и на подземных работах. Однако его дальнейшее распространение сдерживается, в частности, неспособность обеспечить экологическую защиту окружающей среды от воздействия транспортируемого груза.'

В последнее время достаточно интенсивно развиваются новые конструкции конвейеров, обеспечивающие улучшение экологической обстановки в месте их эксплуатации. Это конвейеры закрытого типа, т.е. конвейеры, у которых груз при транспортировании находится в закрытом, изолированном от окружающей среды пространстве. К таким конвейерам относится и скребковый трубчатый конвейер (СТК), у которого перемещение груза осуществляется в трубе. Этот экологически чистый конвейер, наряду с отмеченным выше преимуществом, обладает и такими достоинствами, как возможность работы в криволинейной пространственной трассе и перемещать грузы под любым углом наклона (от 0° до 90°).

Однако анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы показал, что в настоящее время отсутствует обоснованный метод расчета его сопротивлений движению, а следовательно, отсутствует и обоснованный метод тягового расчета, позволяющий определить мощность привода конвейера, а также рассчитать прочность его цепи.

Таким образом, обоснование метода расчета основных сопротивлений движению скребкового трубчатого конвейера, позволяющий выполнять тяговый расчет СТК, является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка математических моделей, позволяющих определить основные виды распределенных и сосредоточенных сопротивлений движению скребкового трубчатого конвейера (СТК), и с использованием этих моделей выполнить его тяговый расчет.

Идея работы состоит в том, что при разработке математических моделей учтены особенности объемного напряженно-деформированного состояния груза в трубе на прямолинейных и криволинейных участках трассы, а также в местах загрузки при различных углах наклона конвейера.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна:

- математическая модель объемного напряженно-деформированного состояния призм тела волочения сыпучего груза в скребковом трубчатом конвейере и экспериментально обоснованные формы этих призм, позволяющие рассчитать распределенные силы сопротивления движению груза и цепного тягового органа на прямолинейных участках с любыми положительными углами наклона;

- математическая модель напряженного состояния груза в загрузочном устройстве, учитывающая процесс частичного дробления частиц груза и позволяющая рассчитать сосредоточенную силу сопротивления движению в этом устройстве;

- математическая модель напряженно-деформированного состояния груза в зазорах между скребками и трубой конвейера, позволяющая рассчитать дополнительное сопротивление движению тягового органа, связанное с дроблением частиц груза в этих зазорах, на криволинейных в вертикальной плоскости участках конвейера;

- экспериментально полученный и теоретически обоснованный процесс разрушения частиц груза в зазорах между скребками и трубой конвейера, позволяющий рассчитать дополнительное сопротивление движению в местах загрузки и на криволинейных в вертикальной плоскости участках трассы конвейера.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием математического анализа, общепринятой теории напряженно-деформированного состояния сыпучего груза, теории упругости, а также результатами экспериментального моделирования, полученными на специально разработанном автором стенде.

Научное значение работы состоит в создании математических моделей напряженно-деформированного состояния призм тела волочения сыпучего груза на прямолинейных и криволинейных участках трассы СТК, позволивших обосновать возрастания коэффициента сопротивления движению за счет разрушения частиц груза на криволинейных участках трассы и в загрузочном устройстве СТК.

Практическое значение выполненных исследований заключается в разработке методики тягового расчета скребкового трубчатого конвейера с криволинейной пространственной трассой.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика тягового расчета скребкового трубчатого конвейера принята к рассмотрению ОАО «Объединенные машиностроительные технологии». Результаты работы использованы в учебном процессе при чтении лекций студентам специальности 150402 - «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международных симпозиумах семинарах «Неделя горняка» (МГГУ, 2010 - 2011 г.), научных семинарах кафедры «Горной механики и транспорта» МГГУ (2004г, 2011г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы четыре научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 87 наименований, включает 29 рисунков и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Объектом исследования в данной работе является скребковый трубчатый конвейер (СТК), для которого разработан метод расчета сопротивлений движению на прямолинейных участках трассы с любым (при движении груза вверх) углом наклона, а также сопротивлений движению в месте

загрузки и на криволинейных участках, что позволило использовать полученные результаты для выполнения тягового расчета СТК.

Скребковый трубчатый конвейер состоит из трубооб-разного става 1, в котором размещается тяговая цепь 2 с равномерно расположенными на ней дискообразными скребками 3. Груз поступает на Рис. 1. Общий вид скребкового трубчатого конвейер в загрузочное

конвейера и его основные узлы -

устройство 4. Прямолинейные

участки конвейера сопрягаются с криволинейными 5, что позволяет реализовать пространственную трассу практически любой сложности. Движение тягового органа со скребками осуществляется при помощи приводной звездочки, соединенной через редуктор 6 с двигателем.

В первой главе описаны современные конструкции скребковых конвейеров открытой и закрытой конструкции, а также выполнен критический анализ существующих теоретических методов определения сил сопротивления движению трубчатых скребковых конвейеров на прямолинейных и криволинейных участках трассы и оценено влияние различных факторов на сопротивление в местах загрузки скребкового трубчатого конвейера.

Отмечается существенный вклад отечественных учёных в разработку теории напряженно-деформированного состояния сыпучей среды, взаимодействия скребков с сыпучей средой и создание методов тяговых расчетов скребковых конвейеров различной конструкции. Это А.О. Спиваковский, В.Г. Березанцев, В.И. Галкин, С.В.Громов, С.С. Глушкевич, A.A. Долголенко, В.К. Дьячков, P.JI. Зенков, M.JI. Израилевич, Я.Б. Кальницкий, Н.С. Поляков, B.JI. Пинский, В.Ф. Климов, Р.В. Мерцалов, Ю.И.Михайлов, В.Н. Николаевский, Г.И. Перминов, С.А. Роза, Н.Д. Самойлюк, В.Н. Самойлюк, В.В.Соколовский, Г.И. Солод, Б.А. Стрекачинский, Л.Д. Тищенко, К.А. Усов, А.Г. Фролов, В.Д. Черненко, Е.Е. Шешко, И.Г. Штокман, Б.А. Эйдерман и др.

Выполненный в главе критический анализ существующих методов тягового расчета и исследований физико-механических процессов, происходящих при загрузке и транспортировании сыпучих грузов, показал, что: используемые в настоящее время методы расчета сопротивлений движению скребковых конвейеров, основанные на достаточно хорошо исследованных сопротивлениях движению скребковых конвейеров с контурными скребками, расположенными в коробчатом желобе, требуют для СТК уточнения, особенно при расчете сопротивлений на наклонных и криволинейных участках; важной теоретической задачей для данного типа конвейеров являются исследования сопротивления движению, возникающие при прохождении скребков под загрузочной воронкой, особенно при высоком гидростатическом давлении груза, а также заклинивании и дроблении в ней груза на вертикальных участках.

Сделанные в главе выводы позволили сформулировать следующие задачи исследования:

- разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния груза на прямолинейных участках скребкового трубчатого конвейера и определить зависимость сопротивления движению груза от угла наклона участка;

- разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния груза в загрузочном устройстве СТК и установить зависимость сопротивления движению груза на таких участках от угла наклона конвейера;

уточнить существующие и получить новые зависимости, необходимые для расчета сопротивления движению тягового органа с грузом на криволинейных в вертикальной плоскости участках конвейера;

- разработать методику тягового расчета скребкового трубчатого конвейера с наклонными прямолинейными и криволинейными участками трассы.

Во второй главе выполнен анализ распределенных сил сопротивления движению груза, возникающих при его трении о трубу на прямолинейных участках трассы СТК.

В главе приводится решение задачи с использованием полученной расчетной модели тела волочения по расчету давления, создаваемого грузом на внутреннюю поверхность трубы и определяющего силы сопротивления движению. Получены зависимости для коэффициента сопротивления движению сыпучего тела волочения на горизонтальном, наклонном и вертикальном участках трассы СТК с учётом формы и расположения зон минимального, максимального и переходного напряжённого состояния груза.

При анализе использован метод, широко применяемый во многих работах по исследованию скребковых конвейеров и основанный на анализе многоугольника действующих сил. В этом случае силы определяются в целом для каждой из зон различного напряжённого состояния груза и рассматриваются как сосредоточенные, а не распределенные по границам этих зон.

На основании синтеза моделей тела волочения, разработанных Б.А.Эйдерманом и Л.Д. Тищенко, а также результатов выполненных автором лабораторных исследований, предложена следующая расчетная схема тела волочения на линейной части СТК (рис. 2, а). Усредняя волнообразную свободную поверхность тела волочения в зоне вторичных волн деформации,

получено тело волочения, состоящее из зоны максимального напряженного состояния АСВ, переходной зоны АХ)КС и зоны минимального напряженного состояния СКМ. Как показывают лабораторные исследования на прозрачной модели трубчатого скребкового конвейера, свободную поверхность груза во всех зонах можно считать плоской. При увеличении степени заполнения трубы конвейера или уменьшении расстояния между скребками при той же загрузке зона СКМ ограничивается поверхностью впередиидущего скребка Е'В'. За впередиидущим скребком образуется, согласно данным лабораторных исследований, зона разрежения груза, ограниченная линией обрушения К'С1; в этой зоне трение груза о стенки трубы конвейера незначительно.

а)

Рис. 2. Схема тела волочения па горизонтальном н пологонаклонном участке

конвейера (а) и при критическом угле наклона (б): 1 — труба; 2- толкающий скребок; 3 — впередиидущий скребок

В(С)

При высокой степени заполнения трубы имеется участок её верхней образующей, на котором давление груза не равно нулю. Это означает, что точка И условно находится выше линии ЕЕ' и давление груза на верхнюю образующую трубы на расстоянии 10 от скребка равно (Н - Отр , где

Н — высота точки Б, Оф - диаметр трубы, р — плотность груза.

На пологонаклонных участках конвейера, когда угол его наклона /?-<7г/2 — <р, где <р — угол естественного откоса, форма тела волочения не изменяется, а изменяются только углы наклона его границ. При этом смещаются и характерные точки, так как должно соблюдаться постоянство коэф-

6

фициента заполнения трубы конвейера. При увеличении угла наклона конвейера точка А смещается в точку Е (рис. 2, б). При увеличении угла наклона конвейера до критического р = ж/2 - <ра (где <р0 — угол внутреннего трения), точки С и В сливаются, а точка Б находится точно на верхней образующей трубы.

Выполнен также анализ процесса формирования тела волочения на крутонаклонном и вертикальном участках трассы. Определены все виды призм волочения и характерные для рассмотренных случаев углы тел волочения. Решение всех задач выполнено в статической постановке.

При определении силы сопротивления движению груза при движении

тела волочения внутри трубы использована теория сыпучей среды. Схема

напряжений, действующих в элементарном объеме сыпучей среды сМусЬ,

приведена на рис. 3 (схема повернута продольной осью трубы ъ вверх).

к2

б)

В)

Рис 3. Система координат в поперечном сечении трубы конвейера (а)

и схема папряжений в точке сыпучей среды в прямоугольной и цилиндрической системах координат (в): 1 - труба; 2 — сыпучий груз

Уравнения внутреннего равновесия груза согласно принятой схеме напряжений имеют вид (рис. 3, б):

дах1дх + дтху1ду + дт-^/дг = О,

дay|дy + дтXy|8x + дTyZ|дz = -pgcosfl, (1)

где сгх, ау и а2 — нормальные напряжения, действующие вдоль осей х, у и

2

г, Н/м ; тХу, тХ2 и т— касательные напряжения на плоскостях ху, хги уг

(согласно правилу парности касательных напряжений, т^ = т^, ixz = т^ и

txz = Тф); р — плотность груза, кг/м ; g - ускорение свободного падения, 2

м/с ; Р - угол наклона трубы конвейера к горизонту.

В работе принято, что форма тела волочения на прямолинейном участке конвейера не изменяется, движение частиц груза относительно трубы происходит только вдоль оси трубы, следовательно, силы трения груза о трубу направлены также только вдоль оси трубы. В плоскости поперечного сечения трубы силы трения груза о трубу равны нулю; в этой плоскости имеют место только силы нормального давления груза на трубу, то есть только радиальные напряжения ат на границе тела волочения, контактирующего с трубой (см. рис. 3, а). Поэтому на окружности трубы напряженное состояние груза рассматривалось в цилиндрических координатах г и 0, где г — текущий радиус, в — центральный угол, отсчитываемый от вертикальной оси у (см. рис. 3, в).

Показано, что в СТК на всех прямолинейных участках конвейера (горизонтальных, наклонных и вертикальных) тангенциальное напряжение равно радиальному (crq = сгг), независимо от того, под каким углом направлено радиальное напряжение к главной оси напряжений, то есть к наибольшему нормальному напряжению. Это положение позволило разделить объемную задачу напряженно-деформированного состояния груза на две плоские: в плоскости гб ив плоскости rz (пренебрегая в первом приближении трением груза по трубе и считая тг2 = 0 (рис. 3, в)).

Так как имеет место соотношение drcos9 = dy, то из первого уравнения системы (1) после некоторых преобразований получено:

dcrr/dy = -pgcos/3, Н/м , т.е. давление груза, равное fTp ■ <тг, в первом приближении зависит только от

высоты уровня груза, отсчитанной вдоль оси у, и не зависит от напряжения

На оси у (х = 0) напряжение cry=pgh. В точке пересечения линии уровня h со стенкой трубы (х = R) имеем:

ау = cos2 в = pghcos2 в = pgh[\ - (/^ах - Л)/Л]2, Н/м2, (2)

где hmax — полная высота слоя груза, отсчитываемая от нижней точки образующей трубы до точки М; R — радиус трубы, м.

Таким образом, напряжение ау уменьшается от центральной

вертикальной оси трубы к ее стенкам (рис. 3, а), при этом скорость уменьшения зависит от высоты слоя груза. В точке О' высота слоя h = hm!aí и ау = аг = РЯ^тах ■ Если давление груза в верхней точке трубы равно нулю, то для радиального давления имеем:

CTr=Pgkiax-^(l-cosé?)]-cos/?, Н/м2. (3)

В работе для дальнейшего анализа введено понятие интегральной нормальной удельной силы р(И), которая выражена через высоту слоя груза h следующим образом:

( /z_ —h\ р(И) = 2 \p g hcosp-R- darccosj^l- ma* j =

= 2pg((/¡max/R -1) • R 2 • are cos( 1 - /R) ■ eos /3 +

o2 , fi fynax

/уел ~~ su ~ rv ' ^

+ 2p-g-R^l-(J--cos/ff, Н/м.. (4)

Далее для удобства расчетов введено также понятие условного коэффициента трения /уСЛ, равного отношению силы трения N, создаваемой

давлением p(h~), и физическому коэффициенту трения /тр, т.е. силы

N = p(h) ■ /jp, к нормальной составляющей веса перемещаемого груза С:

N = pW-f^p G' ~ G'

где нормальная составляющая погонного веса груза G' в сечении трубы при hmax < D в проекции на ось у равна:

G'y=p-g■ R2{9max -)/sin(2ömax))cos/?, Н/м, (6)

и в этом случае

_/тр Sin<9max-C-C0s6>max

/уел- - хУтр J » w

У ömax - 2Slll2ömax

где 0max — центральный угол, характеризующий степень заполнения трубы

грузом (рис. 3, а).

Для повышения степени заполнения трубы конвейера иногда рекомендуется загрузка под повышенным давлением или под высоким штабелем груза. Такой случай в данной работе не рассматривается.

Далее решена задача по определению сил сопротивления движению, создаваемых каждой призмой волочения.

Для каждой из призм волочения (в соответствии с принятым в такого рода исследовании подходом) составлено уравнение равновесия действующих сил в проекции на продольную ось трубы конвейера (рис. 4):

Рис. 4. Схема силового равновесия призм тела волочения на пологонаклонном участке

G\ sinр + Т\ - /?i2 sin(ar2 + ^2) = °> G2 sin Р + Тг-Я\2 sin(ar2 +¿>2)~ s¡n(a'1 + ¿> j) = ОЛ (8) G3 sin P + Г3 - Д2з siní«! + ¿j) - Rc = 0,

где 7j, T2, 7*3 — силы трения, возникающие при перемещении соответствующих призм, Н; Gi, Gj, G3 — вес соответствующих призм, Н; Rc — реакция со стороны движущего скребка, Н; R¡j - реакции со стороны

призм волочения, Н.

Решением системы уравнений (8) являются три равенства:

JRc=(G1+G2+G3)sin/0 + (7i+72+r3), Я, i?12sin(Qr2+52) = G1sin/? + 7i, Я, ■ (9)

R23 s¡n(«i = + G2)sinp + (7i + T2), H. Выполнены также соответствующие преобразования, позволившие записать следующее выражение для суммарной силы трения при движении тела волочения в трубе

7i + Т2 + 73 = (ZjGj + Z2G2 + Z3G3)cos/?, Н, (10)

где Z3 - удельные показатели сил трения для трех призм волочения:

Zi=-

Z2 =

T2

и Z-x =-

Ь

(ii)

Gj cos p G2 cos p G3 cos P

С использованием соотношений (10) и (11) получены следующие выражения для общего условного коэффициента сопротивления движению тела волочения w'0 и его составляющих W/: 7» +74 +7я „ (Gj + G2 + G3 Jcos /7 (12)

w; = z,rb

где коэффициенты i//,- =

Gi С/ „ -!-= —-, иа - полный вес тела волочения.

+ с2 + <^3

Выражения для величин 2\, и Zз приводятся в диссертационной работе.

Входящие в выражение для величин Z■$ и коэффициенты

у/\, цг2 и у/з зависят от степени заполнения трубы конвейера и расстояния между скребками, угла наклона конвейера р и угла внутреннего трения груза (ра. Для коэффициентов (//,• имеет место условие нормировки:

(13)

т.к. это массовые доли каждой из призм волочения в общей массе тела волочения.

3,0

1,5

5= к>и

гр

7"

"Х

X

0,25 0,5 0,75 1,0 ^=Р/Ркр Рис 5. Зависимости условного коэффициента сопротивления £ — 1 и его составляющих — 1, £3 — 3 и

— 4 от угла наклона конвейера при /,^=0,35; = 0,7; <р() = 30°

На основании выполненных расчетов по формулам (10, 11, 12) построены зависимости условного коэффициента % = мг'01 /Тр и отдельных его условных составляющих = м] / /1р (где /гр - физический

коэффициент трения), от угла наклона прямолинейного участка конвейера (рис. 5). На характер этой зависимости влияют коэффициенты внутреннего и внешнего трения груза; при всех углах внутреннего трения (р0 зависимости имеют максимум и

минимум. Параметры этих характерных точек, а также начальные и конечные значения коэффициента м>'0, на пологонаклонном участке в

зависимости от угла (ра и коэффициента г =- (где ц/^ -коэффи-

1с

циеит заполнения нетто внутреннего объема трубы между скребками) приведены на рис. 6.

Решена задача по определению распределенных сил сопротивления движению груза на крутонаклонном и вертикальном участках трассы. В этом случае определялся не коэффициент сопротивления движению ч/а, а использовалось понятие коэффициента трения на вертикальном участке /в, определенного как отношение суммарной силы трения тела волочения Е^ на этом участке к его

45 ф0> ^ад-

Рис 6. Зависимости основного коэффициента сопротивления \и'0от угла внутреннего трения груза (р0 при

/гр = 0,35: 1 - г = Д/ЧЧ,. = 0,25; 2-г = 0,4; 3 — г = 0,4; (\Voq-ирп Р = 0; И'ошах - при Р = Д^; ^от1п - при ¡5 = Рт-т; И'окр - при Р = РКр )

весу С0.

Для крутонаклонного и вертикального участков получено следующее выражение для коэффициента трения:

/г

Г =12Е = 2 /■

■/в

я-к

-1

тр

/тр-Ры 1с

ехр

/тр 'Уы 'с

Як'

-1

-1

(14)

где к — коэффициент бокового давления груза, = т + р/(1 + ;

1С — расстояние между скребками, м.

Таким образом, определены все возможные виды удельных сопротивлений и коэффициентов сопротивления движению, необходимые для расчета полной силы сопротивления движению на прямолинейных участках трассы СТК.

В третьей главе описаны теоретические исследования местных сопротивлений движению в скребковом трубчатом конвейере: сопротивления, возникающие в узлах загрузки, сопротивления на криволинейных

участках трассы, и сопротивления, возникающие при движении цепи со скребками по прямолинейным и криволинейным участкам трассы.

При определении сил сопротивления движению груза, возникающих в загрузочном устройстве конвейера, приняты следующие допущения: расстояние между скребками выбирается таким образом, чтобы обеспечить наибольшую загрузку, угол внутреннего трения груза <р0 колеблется в пределах 15°^45°, трение груза по передней поверхности скребка пренебрежимо мало.

Выполненные экспериментальные исследования на модели СТК показали, что в нижней части тела волочения до высоты, примерно равной радиусу скребка, груз движется как единое целое, при этом в зазоре между скребком и боковой стенкой загрузочной воронки происходит сегрегация частиц груза: мелкие частицы опускаются вниз, а крупные частицы поднимаются вверх и перекрывают зазор до некоторой высоты, большей чем радиус скребка. При расстоянии между скребками, меньшем двух диаметров трубы конвейера, на верхних кромках скребков происходит прорезание штабеля груза, находящегося в загрузочной воронке (рис. 7). Согласно работам Михайлова Ю.И. такое прорезание происходит, если расстояние между скребками меньше так называемого «нормального расстояния между скребками», равного

/„ = Ъа*тв-ев'{&>°,и, (15)

где Ис — высота скребка, м; в - угол, который в нашем случае равен своему

предельному значению — ж/2.

ера: 1 - скребок; 2 — торцевая стенка загрузочной воронки; 3 - труба конвейера; 4 -боковая стенка; 5 — цепь; 6 — куски груза наибольшего размера;7 — рассекатель

При расчете сил сопротивления в загрузочном устройстве принято также, что прорезание штабеля груза происходит от точки В, равной Ос/2. Сопротивление движению нижней части тела волочения равно

^заг! — fy\ ' — /гр

nDt.

■lc-p-g,U,

(16)

где fy - условный коэффициент трения для нижней полуокружности:

/у^ = — /ф; Г>с —диаметр скребка, м.

С учетом давления штабеля груза высотой На полное сопротивление в нижней части тела волочения равно:

1 2 wizr\ =-f^DclcPg

Dr "

(17)

Сопротивление движению верхней части тела волочения определено в

виде:

И'загг = f'ylGo + kDJ0Ic[h0 - ^ jpg -| f0D2clcpg[\ (18)

где — условный коэффициент трения при полной загрузке трубы (по

окружности) телом волочения: fyi = 2/тр\f'y2 = 2faj; Ga - полный вес тела

волочения цилиндрической формы, Н.

Поскольку одновременно на длине загрузочной части конвейера может находиться несколько скребков (рис. 7), то суммарная длина тела волочения в загрузочной воронке равна:

Le = l3-bc

■1 м

' l3-> м>

Ч>В

где

■ целая часть отношения; ц/g — коэффициент заполнения брутто.

Суммарная сила сопротивления движению груза в загрузочном устройстве

1 2

^заг = ^заг! + ^заг2

~пН0 ж]

_DC { fo) fo.

(19)

при использовании рассекателя потока груза величина И^заг не превышает значения

1 2 ^заг.р =-foPgDc13

1,25л-

2-ЩЖ

fo) fo

(20)

¥в

Расчеты показали, что на конвейере небольшой длины (5-^-10 м) сопротивление в загрузочном устройстве может составлять существенную часть общего тягового усилия (= 20 -ь 25%).

Определение силы сопротивления движению цепи со скребками на прямолинейных горизонтальном и пологонаклонном участках выполнено при допущении, что условный коэффициент трения равен коэффициенту трения между материалами трубы и скребка. В этом случае сила сопротивления движению цепи со скребками определялась как произведение нормальной к оси трубы составляющей веса рабочего органа на коэффициент трения /с, значение которого следует принимать в пределах /с = 0,3 0,5.

На вертикальном участке конвейера, хотя продольное нормальное напряжение в грузе ст2 и велико, но основное сопротивление движению связано с продавливанием частиц груза через зазор между скребками и трубой. Для определения напряжений в находящихся в зазоре частиц груза скребок представлен в виде прямоугольного штампа большой длины, имеющего ширину Ьс и внедряющегося в тонкий слой сыпучего груза, лежащей на жестком основании.

&>

Рис. 8. Расчетная схема для определения напряжений в зазоре между скребком н

трубой конвейера (а) и графики зависимостей безразмерных коэффициентов давления в зазоре от относительной величины зазора н угла внутреннего трения груза: 1-скребок; 2-труба конвейера

Решение подобной задачи имеет сложный вид; в данной работе использована распространенная упрощенная трехчленная формула К. Терцаги:

ЧХ = у Р&уПг + ЧпрС5Л^ + с • СсМс, Н/м

(21)

где Щх — давление на слой сыпучего груза, соответствующее его предельному состоянию; с - начальное сопротивление сыпучего груза сдвигу; дпр — давление «пригрузки», которое в данном случае равно стг, т.е.

цПр = аг; су, С^, Сс — безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения; Иу, Л^, Ис - коэффициенты несущей способности, являющиеся функциями угла внутреннего трения ср0.

В работе Мировича А.Н. выполнена оценка слагаемых, входящих в выражение (21), и показано, что первым слагаемым можно пренебречь. Для второго и третьего слагаемых предложены аппроксимирующие формулы:

С„ =1 + 0,037

Сс =1 + 0,037

\ло;

19.6 л- 11,5 , „„„„ 5,3

где ак ~-ас~~ +-<Ро> Ло~ 0,707 + —сра.

6 л 2 л л

В диапазоне углов внутреннего трения $>о=0° + 30° коэффициенты Nё и Nс аппроксимированы выражениями (рис. 8, б):

Радиальное напряжение аг в точке наибольшего зазора, равное давлению «пригрузки» дпр, определено как

. РЯКп

СГг

А

тр

\ -1

ехр

V У

, Н/м"

(22)

но в формуле (21) использована только половина давления цпр, поскольку на

обратной стороне скребка это давление равно нулю.

С учетом сделанных допущений определена суммарная сила трения груза, деформируемого в зазоре между скребком и трубой. В качестве коэффициента трения принята среднеарифметическая величина

1ср

./тр т „ Утр.с.

где /ф, /трХ- коэффициенты трения груза о трубу и по скребку; £)в -внутренний диаметр трубы, м; Ос - диаметр скребка, м.

Суммарная по дуге окружности трубы сила трения в расчете на один метр длины конвейера определена интегрированием давления дд:

^Р = 2Гер Н/м, (23)

'с о

где 1С - расстояние между скребками, м; Ъс — толщина скребка, м; Л(в) -переменный коэффициент, равный:

2 Ьс

Давление на слой сыпучего груза по формуле (21) с учетом сделанных аппроксимаций равно:

1 АГ

ЯЛ =2агН8

1 + 0,037

1 + 0,037

2 ЬсЛа J

(1 + соз61)~аг

\~ас

у2ЬсЛ0;

(1 + со5в)~а^

Я/и2.

(24)

Поскольку просыпание частиц груза в зазор между скребком и трубой конвейера происходит не по всей дуге окружности трубы, а только по той ее части, которая находится выше точки £> и определяет угол вд (см. рис. 4), после интегрирования по (23) получено следующее выражение для определения силы трения в зазорах между скребками и трубой конвейера на крутонаклонных участках, из расчета на 1 м длины конвейера

Жрр _ 2/Ср

±ауе5>6(р° +5,14се3'4^ 1 +

+ 0,0185оуе5'6<э°

19,6 ув ж

4 п 40 я

-0,0037

я 11^5

2+ л<Ро(л я 11,5 я . 11,5-

ч — > ^ 8 4я 80 40тг

АА

, Н/м, (25)

где Явп, Яс - внутренний радиус трубы и радиус скребка, м; <р0 - угол внутреннего трения.

Выполнена оценка силы трения груза Ж^р, возникающей в зазорах

между скребками и трубой СТК, которая показала, что для конвейера типа «Технокон-159» при внутреннем диаметре трубы Иен = 147 мм, радиусе скребка 138 мм, толщине скребка Ьс =10 мм, /с =145 мм, 5а =9 мм, /с=160 мм, у/дг =0,8 при транспортировании груза с насыпной плотностью

/7 = 1200 кг/м и углом внутреннего трения в движении (р0 = 22°, коэффициентом внешнего трения /тр= 0,3 и сцеплением 50 Па распределенная сила трения Жф =38 НУм, что соответствует коэффициенту сопротивления движению V/' = 0,064. В то же время коэффициент от проталкивания тела волочения (гл. 2) на вертикальном участке без учета сил трения равен примерно м>' =0,036. Таким образом, даже при достаточно большой величине зазора {8а /Ьс= 0,9) и небольших коэффициентах внутреннего трения и сцепления груза составляющая от трения груза в зазорах значительно выше составляющей от сопротивления проталкиванию тела волочения. В рассмотренном случае коэффициент внутреннего трения и величина сцепления взяты для большого массива груза, в небольших блоках из частиц в зазорах между скребками и трубой конвейера эти величины могут быть значительно выше.

Выполнены также исследования сопротивлений движению на криволинейных участках трассы. К ним относятся участки, на которых углы поворота обычно не превышают 90°, а также участки огибания рабочим органом приводных и натяжных звездочек.

На приводных и натяжных звездочках груз, как правило, отсутствует, а сила сопротивления движению цепного тягового органа определялась по известной формуле

где 8на — натяжение цепи в точке набегания на звездочку, Н; , /лв —

коэффициенты трения, между звеньями в цепи и в подшипниках вала звездочки соответственно; 8Ц — диаметр прутка цепи, м; с!в — диаметр цапфы

вала звездочки, м; Оа — диаметр начальной окружности звездочки, м; а — угол обхвата звездочки цепью.

8 (]

\

(26)

На криволинейных участках рабочей ветви конвейера общее сопротивление движению состоит: из сопротивления от трения скребков о трубу, зависящего от натяжения рабочего органа, и из сопротивления движению груза, не зависящего от натяжения.

Для определения силы сопротивления движению груза составлено дифференциальное уравнение. При движении груза вверх по криволинейному участку выпуклостью вверх и радиусом г (рис. 9, а) приращение силы сопротивления движению груза dWr на элементарном отрезке дуги rda с учетом сопротивления в зазорах между скребками и трубой Жф равно

dWT = \qT g(sin р + сот cos 0) + Жф ] rda, Н, (27)

приращение силы трения скребков о трубу

dWc = fc {Sda + qc gr cos pda), H, (28)

где S — натяжение цепи в месте изгиба трассы, Н.

Приращение составляющей веса скребкового рабочего органа, направленной вдоль оси:

<№ь = <7cgsinp-rda, Н. (29)

Приращение натяжения цепи на элементарном отрезке dl = rda равно

dS = dWr + dWc + dWb = = [(<7r + <7c )sin /? + (<7r wr + Яс/с ) cos P\grda + W^ rda + fcSda, H,

или

dS

= [(<7r + </c)sin/? + (q,wr + qcfc)cosp]gr + W^r + fcS. (30) В этом дифференциальном уравнении р = Р0-а, где Ра - угол наклона конвейера в начале криволинейного участка (рис. 9).

Рис. 9. Схема криволинейных участков скребковых трубчатых конвейеров: а) выпуклостью вверх; б) выпуклостью вниз

Общее решение дифференциального уравнения (30) при начальном условии Я = Бцб при а = 0 имеет вид

а

5 = {Г^е^-^, Н, (31)

0

где £ - переменная интегрирования.

Сила сопротивления на криволинейном участке после некоторых преобразований получена в виде:

для участка выпуклостью вверх (рис. 9, а):

Кр ]+/'|г(/?)- е^-Р^йр, Н; (32)

Рев

для участка выпуклостью вниз (рис. 9, б):

Кр = (Аб "Рев) _ ]|+ ■ е^^'^йр, Н, (33)

Риб

где = Р0 и в точке сбегания — /?с£; интеграл в выражениях (32,33) может быть приближенно принят равным:

УрГ(Р) ■ V = (/? - /?сб )е/с ^ ~Рс6) ИА ) ■- ^тр ] •+ А*

+ {Рнб-РКрУ{Р\)-еГе[Р2~1}сб), (34)

где А=Л;б+|(#<р-Рсб)-, Рг =Ркр +\{Рнб -Ркр)-

Выполненный анализ сопротивлений движению на криволинейных участках показал, что полученные для них числовые значения существенно отличаются от значений, рассчитанных ранее для других типов скребковых конвейеров.

В четвертой главе описаны экспериментальные исследования процесса перемещения насыпного груза в скребковом трубчатом конвейере. Задачи экспериментальных исследований состоят в следующем: — определить форму тела волочения и форму составляющих его зон различного напряженного состояния сыпучего груза в рабочей части трубы конвейера и измерить сопротивление перемещению тела волочения в зависимости от угла наклона трубы конвейера;

- определить форму тела волочения и его составляющих в загрузочной воронке трубчатого конвейера и измерить сопротивление перемещению тела волочения в загрузочной воронке;

- изучить особенности движения груза в зазорах между скребками и трубой конвейера на вертикальном участке и измерить сопротивления в зазорах при вертикальном перемещении рабочего органа конвейера.

В соответствии с поставленными задачами разработан и изготовлен лабораторный стенд с регулируемым расстоянии между скребками и длиной загрузочной воронки с определенным углом наклона трубы (рис. 10). Стенд изготовлен из прозрачного материала.

В качестве транспортируемого груза использовалась сухая мелкозернистая глина определенного гранулометрического состава, соответствую-а) щая по своим свойствам

Ш достаточно большой группе зернистых горных пород.

Сопротивление движению тела волочения в трубе и загрузочной воронке установки измерялось пружинным динамометром. Степень заполнения трубы грузом определялась по фактическому весу груза и весу его при полном заполнении трубы на лабораторных электронных весах типа ЕН400. Форма тела волочения в трубе и воронке определялась визуально и очерчивалась маркером. Границы отдельных составляющих тела волочения (призмы волочения), в которых напряженное состояние

Рис. ТО. Фотография экспериментального стенда (а) и его схема (б): 1 — труба; 2 - загрузочная воронка; 3 - рабочий орган; 4 - подвижная задняя стенка загрузочной воронки; 5 - надвижная труба; 6 -хомуты; 7 — ось тягового органа; 8 - капроновый диск; 9-стальная чашка; 10 — резиновая упорная шайба; 11 - основание стенда

груза различно, определялись также

а)

1,4

1,0 0,6 0,2

Ч>„

0

20 40

60

б)

14 12 10 8 6 4 2 0

80 р. град.

гг заг, 11

■ У

КГ

3

4

90 120 150 180 210 230 260Но,мм

в) Н

4 { У

2 .1 \У

5

30 90 150 210 Ь, мм Рис. 11. Теоретические (1) и экспериментальные (2) зависимости отдельных

параметров СТК: а — общего коэффициента сопротивления движению м>'а от угла наклона конвейера, б - удельной

силы сопротивлении в загрузочном устройстве от высоты столба груза над

скребком, в - удельной силы трения Жф от высоты столба груза На; 3,4 —

верхняя н нижняя доверительные границы

визуально.

Экспериментальное исследование перемещения сыпучего груза на рабочем участке позволило определить форму тела волочения и призм волочения и определить сопротивление перемещаемого тела волочения перед группой скребков.

На рис. 11 приведены некоторые результаты, полученные на экспериментальном стенде. На рис. 11, а приведены теоретическая (1) и экспериментально полученная зависимости (2) общего коэффициента сопротивления движению м>0 при коэффициенте заполнения трубы нетто ц/дг = 0,7 и 1СЮС=1. На рис. 11, б приведено сравнение теоретической удельной силы сопротивления в загрузочном устройстве Жзаг (1) с экспериментальными значениями (2) в зависимости от высоты столба груза Н0. На рис. 11, в приведены сравнительные графики теоретической (1) и экспериментальной (2) зависимостей силы трения в зазоре между скребками и трубой Жф от

высоты столба груза Н0 (рис. 8).

Определено необходимое количество дублирующих опытов п в каждой серии. При выбранном уровне значимости 0,1, допустимой односторонней ошибке, равной 0,2, и пред-

верительных значениях среднеквадратического отклонения измеряемой величины а = 0,08 от её среднего значения, п = 5.

На основании полученных результатов разработана методика тягового расчета скребковых трубчатых конвейеров, позволяющая определить основные силы сопротивления движению, и следовательно, рассчитать мощность привода, а также цепи конвейера на прочность.

Заключение

В результате выполненных исследований дано решение актуальной научной задачи по созданию математических моделей, обосновывающих метод расчета распределенных и сосредоточенных сопротивлений движению, возникающих при движении тела волочения в трубе скребкового конвейера, и позволяющих выполнить тяговый расчет скребкового трубчатого конвейера.

Результаты и выводы, полученные лично автором:

1. С использованием основных положений механики сыпучих грузов описано напряженно-деформированное состояние груза в трубе и для каждой призмы волочения получено выражение для давления на стенки трубы в зависимости от механических свойств груза, степени загрузки (высоты слоя груза) и формы призмы волочения.

2. Введено понятие интегральной удельной силы, создаваемой соответствующей призмой волочения и зависящей от типа груза, его напряженного состояния, формы призмы и степени загрузки конвейера. С использованием трех интегральных удельных сил, полученных для соответствующих призм волочения, рассчитан условный коэффициент трения, состоящий из трех коэффициентов сопротивления движению; установлена зависимость этих коэффициентов от типа груза, физического коэффициента трения, степени загрузки конвейера, угла наклона участка и пр.

3. Показано, что на крутонаклонных участках при увеличении угла наклона конвейера удельная сила сопротивления для грузов с малым углом внутреннего трения (до 30°) изменяется мало, а для грузов с большим углом внутреннего трения — резко уменьшается.

4. Установлено, что пониженная энергоемкость транспортирования имеет место на горизонтальных (/? =0), крутонаклонных (/} ®7Г 12) участках

СТК; при углах наклона участка ¡3 = 30 ч- 40° энергоемкость имеет максимум, превосходящий свое начальное значение при угле /3 = 0 примерно в 2 раза.

5. Показано, что сопротивление движению груза в загрузочной воронке даже при применении рассекателя груза с целью снижения давления на тело волочения примерно в 5 раз больше значения, рекомендуемого для расчетов существующими методиками, и может составлять существенную долю в тяговом усилии конвейера при его небольшой длине. При усредненных параметрах СТК и применении в. узле загрузки рассекателя груза условный коэффициент сопротивления движению в этом узле составляет величину 1,75-^2,8 при углах внутреннего трения <ра = 15° -=- 45°.

6. Получены уточненные выражения для расчета сопротивления движению груза на криволинейных участках выпуклостью вверх и вниз, учитывающие его зависимость от угла наклона участка конвейера, а также дополнительное сопротивление, возникающее в зазорах между скребками и трубой.

7. Экспериментальными исследованиями процесса перемещения сыпучего груза в СТК подтвержден установленный при теоретическом анализе характер изменения сопротивления движению тела волочения в зависимости от угла наклона конвейера. Показано, что при длине загрузочной воронки более одного диаметра скребков коэффициент заполнения трубы конвейера не зависит от длины воронки и определяется давлением штабеля груза в ней. Подтверждено, что при расстоянии между скребками, равном 1 3 диаметра скребка, в загрузочной воронке происходит прорезание штабеля груза верхними кромками скребков. На вертикальном участке конвейера большую долю в силе сопротивления движению (от 30 до 60%) составляет сопротивление, возникающее в зазорах между скребками и трубой конвейера.

8. Разработана методика тягового расчета скребкового трубчатого конвейера. Методика принята к использованию ОАО «Объединенные машиностроительные технологии».

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Дмитриев В.Г., Радимов Р. Р. Определение силы сопротивления движению при трении груза о стенки трубы на прямолинейных участках скребкового трубчатого конвейер// ГИАБ. — 2012 - №2. Отдельные статьи.-С. 3-8.

2. Радимов P.P. Расчет сопротивления движению насыпного груза в узле загрузки скребкового трубчатого конвейера// ГИАБ. — 2012,- №2. Отдельные статьи.- С. 9 - 14.

3. Дмитриев В.Г., Радимов Р. Р. Силы сопротивления движению на криволинейных участках трассы скребкового трубчатого конвейера//// ГИАБ.-2012-№3. Отдельные статьи -С. 3-9.

4. Радимов P.P. Экспериментальные исследования процесса перемещения насыпного груза в скребковом трубчатом конвейере// ГИАБ. -2012 — №3. Отдельные статьи,— С. 10 - 15.

Подписано в печать 6.05.2013. Формат 60x90/16 _Объем 1п-Л. Тираж 100 экз. Заказ № 1689

Отпечатано в отделе печати МГГУ. Ленинский проспект, 6

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный горный университет

На правах рукописи

Радимов Ринад Ряшидьевич

УДК 621.867.2

04201358312

«ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ТЯГОВОГО РАСЧЕТА СКРЕБКОВОГО ТРУБЧАТОГО КОНВЕЙЕРА ДЛЯ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

Дмитриев Валерий Григорьевич

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................................................4

1.1 Обзор конструктивных схем скребковых конвейеров..............................7

1.2 Анализ существующих методов расчета трубчатых конвейеров со сплошными скребками...................................................................................18

1.2.1 Общая методика расчета конвейеров...............................................18

1.2.2. Теоретические и экспериментальные основы определения распределенных сопротивлений движению трубчатых скребковых

конвейеров...................................................................................................22

1.2.3 Сопротивление движению тягового органа на криволинейных

участках и поворотных пунктах.................................................................26

1.3. Обзор научных источников по основным факторам, определяющим

сопротивление при загрузке трубчатых скребковых конвейеров................28

1.4 Цель, направление и задачи исследования.............................................37

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ДВИЖЕНИЮ ГРУЗА В СКРЕБКОВОМ ТРУБЧАТОМ КОНВЕЙЕРЕ.........39

2.1 Расчетная схема напряженного состояния сыпучего груза на прямолинейном участке конвейера...............................................................39

2.2. Определение типичных размеров тела волочения при достаточных значениях коэффициента заполнения............................................................46

2.3. Определение сил сопротивления движению груза о стенки желоба в скребковом трубчатом конвейере..................................................................50

2.4. Определение коэффициента сопротивления движению для распределенных участков трассы СТК..........................................................56

2.5. Выводы по главе......................................................................................73

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ В ТРУБЧАТОМ СКРЕБКОВОМ КОНВЕЙЕРЕ..................................................75

3.1 Определение сопротивления движению груза в узле загрузки конвейера.........................................................................................................75

3.2 Определение сопротивления движению скребков на прямолинейных участках конвейера.........................................................................................80

3.3. Определение сопротивлений движению на криволинейных участках трассы скребкового трубчатого конвейера...................................................89

3.4. Выводы по главе.....................................................................................96

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НАСЫПНОГО ГРУЗА В СКРЕБКОВОМ ТРУБЧАТОМ КОНВЕЙЕРЕ......................................................................................................98

4.1 Задачи, технические средства и методика экспериментальных исследований на лабораторном стенде скребкового трубчатого конвейера98

4.2. Экспериментальное исследование перемещения сыпучего груза в трубе скребкового трубчатого конвейера..............................................................103

4.3. Исследование перемещения сыпучего груза в загрузочной воронке трубчатого скребкового конвейера..............................................................105

4.4. Исследование особенностей движения груза в зазорах между скребками и трубой на вертикальном участке конвейера..........................107

4.5. Выводы по главе....................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................113

Приложение 1...................................................................................................115

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из важных проблем развития горного производства в стране является улучшение экологической обстановки окружающей среды. Конвейерный транспорт, являющийся важным звеном в технологическом процессе транспортирования и переработки горного сырья, имеет широкое распространение, как на открытых, так и на подземных работах. Однако его дальнейшее распространение сдерживается, в частности, неспособность обеспечить экологическую защиту окружающей среды от воздействия транспортируемого груза.

В последнее время достаточно интенсивно развиваются новые конструкции конвейеров, обеспечивающие улучшение экологической обстановки в месте их эксплуатации. Это конвейеры закрытого типа, т.е. конвейеры, у которых груз при транспортировании находится в закрытом, изолированном от окружающей среды пространстве. К таким конвейерам относится и скребковый трубчатый конвейер (СТК), у которого перемещение груза осуществляется в трубе. Этот экологически чистый конвейер, наряду с отмеченным выше преимуществом, обладает и такими достоинствами, как возможность работы в криволинейной пространственной трассе и перемещать грузы под любым углом наклона (от 0° до 90°).

Однако анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы показал, что в настоящее время отсутствует обоснованный метод расчета его сопротивлений движению, а следовательно, отсутствует и обоснованный метод тягового расчета, позволяющий определить мощность привода конвейера, а также рассчитать прочность его цепи.

Таким образом, обоснование метода расчета основных сопротивлений движению скребкового трубчатого конвейера, позволяющий выполнять тяговый расчет СТК, является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка математических моделей, позволяющих определить основные виды распределенных и сосредоточен-

ных сопротивлений движению скребкового трубчатого конвейера (СТК), и с использованием этих моделей выполнить его тяговый расчет.

Идея работы состоит в том, что при разработке математических моделей учтены особенности объемного напряженно-деформированного состояния груза в трубе на прямолинейных и криволинейных участках трассы, а также в местах загрузки при различных углах наклона конвейера.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна:

- математическая модель объемного напряженно-деформированного состояния призм тела волочения сыпучего груза в скребковом трубчатом конвейере и экспериментально обоснованные формы этих призм, позволяющие рассчитать распределенные силы сопротивления движению груза и цепного тягового органа на прямолинейных участках с любыми положительными углами наклона;

- математическая модель напряженного состояния груза в загрузочном устройстве, учитывающая процесс частичного дробления частиц груза и позволяющая рассчитать сосредоточенную силу сопротивления движению в этом устройстве;

- математическая модель напряженно-деформированного состояния груза в зазорах между скребками и трубой конвейера, позволяющая рассчитать дополнительное сопротивление движению тягового органа, связанное с дроблением частиц груза в этих зазорах, на криволинейных в вертикальной плоскости участках конвейера;

- экспериментально полученный и теоретически обоснованный процесс разрушения частиц груза в зазорах между скребками и трубой конвейера, позволяющий рассчитать дополнительное сопротивление движению в местах загрузки и на криволинейных в вертикальной плоскости участках трассы конвейера.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием математического

анализа, общепринятой теории напряженно-деформированного состояния

5

сыпучего груза, теории упругости, а также результатами экспериментального моделирования, полученными на специально разработанном автором стенде.

Научное значение работы состоит в создании математических моделей напряженно-деформированного состояния призм тела волочения сыпучего груза на прямолинейных и криволинейных участках трассы СТК, позволивших обосновать возрастания коэффициента сопротивления движению за счет разрушения частиц груза на криволинейных участках трассы и в загрузочном устройстве СТК.

Практическое значение выполненных исследований заключается в разработке методики тягового расчета скребкового трубчатого конвейера с криволинейной пространственной трассой.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика тягового расчета скребкового трубчатого конвейера принята к использованию ОАО «Объединенные машиностроительные технологии». Результаты работы использованы в учебном процессе при чтении лекций студентам специальности 150402 - «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международных симпозиумах семинарах «Неделя горняка» (МГГУ, 2010 - 2011 г.), научных семинарах кафедры «Горной механики и транспорта» МГГУ (2004г, 2011г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы четыре научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 87 наименований, включает 29 рисунков и 6 таблиц.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор конструктивных схем скребковых конвейеров

Скребковые конвейеры широко распространены в различных отраслях промышленности и, в частности в горной промышленности РФ.

Скребковые конвейеры отличаются широким разнообразием конструктивных схем. В работе [56] в качестве основного классификационного признака считают форму и высоту скребков, различая сплошные и контурные (фигурные) скребки. Первые бывают низкие и высокие; высокие скребки имеют высоту, примерно равную высоте желоба, по которому груз перемещают волочением, низкие скребки примерно в 3-6 раз ниже высоты желоба. В работе [22] на этой основе этого признака различают конвейеры с порционным волочением груза и сплошным волочением. Особую группу составляют забойные конвейеры угольных шахт с низкими скребками и низким желобом. Отдельную разновидность составляют и трубчатые скребковые конвейеры с круглыми (иногда и прямоугольными) сплошными скребками.

Контурные скребки различают по их форме, которая отличается большим разнообразием. Отдельной разновидностью можно считать и скребковые конвейеры с высокими "ящичными" скребками.

Во многих работах конвейеры с низкими скребками называют конвейерами с погруженными скребками [62,20]. Однако более логично относить это название к донным конвейерам, применяемым в бункерах [24], а также напочвенным конвейерам, транспортирующим руду из-под рудных выпусков (работающих "под завалом").

В работе [11] дана несколько иная классификация конвейеров (рис. 1.1), с учетом возможного наличия на скребках несущих полок.

Признаки систематизации

По способу

перемещения

груза

Рис 1.1. Классификация конструктивных схем скребковых конвейеров [11]

Здесь основным признаком считается способ перемещения груза. При этом конвейеры, работающие под штабелем груза, отнесены к скребковым питателям.

Скребковый конвейер со сплошными скребками состоит из открытого желоба, вдоль которого движутся вертикально-замкнутые тяговые цепи (или одна цепь) с укреплёнными скребками, огибающие приводную и натяжную звёздочки (рис. 1.2,а). Цепи могут быть верхнего или нижнего расположения по отношению к скребкам. В первом случае они обычно снабжаются опорными катками, а во втором случае - движутся по направляющим скольжения. Возможный угол наклона таких конвейеров до 30-40° [62], а при

применении ящичных скребков - до 50°. Высота слоя груза не превышает высоты скребков.

В отличие от них, конвейеры с низкими сплошными скребками перемещают слой груза, превышающий их высоту примерно в 2-6 раз (рис. 1.2,б.), в зависимости от ширины желоба и физико-механических свойств груза. Особенностям выбора высоты и ширины скребков таких конвейеров посвящен целый ряд работ [8, 16, 21, 23, 26, 30, 32, 39, 40, 41, 49, 66, 69, 74 и др].

Скребковые конвейеры для подземного транспортирования угля отличаются малой высотой желоба (рештака), что обусловлено низкой требуемой высотой погрузки на них угля (рис. 1.2,в). Поэтому груз на них перемещается, как правило, порциями, как и на конвейерах с высокими скребками. Особенности конструкции таких конвейеров рассмотрены в работах [62, 76, 35, 65, 79 и др.].

Рис.1.2. Конструктивные скребкового конвейера для подземных работ

В специфических условиях, когда необходимо предотвратить пыление груза, обеспечить его теплоизоляцию или, наоборот, принудительное

охлаждение, применяются трубчатые скребковые конвейеры с контурными или сплошными скребками.

Начиная с 1950х годов этот тип конвейеров интенсивно исследовался институтами ВНИИПТмаш и ИГД им. A.A. Скочинского. Первоначально они изготавливались с контурными скребками, а затем - со сплошными. Основное назначение этих конвейеров - транспортирование насыпных грузов по сложным пространственным трассам с любыми углами наклона.

Конвейеры с контурными скребками (конвейеры Редлера) разрабатывались с целью снижения энергоёмкости транспортирования и исключения вероятности заклинивания груза в скребковых конвейерах с закрытым профилем поперечного сечения желоба [67,69,70]. Функцию скребков в таких конвейерах обычно выполняют рамки, повторяющие своей конфигурацией профиль поперечного сечения желоба конвейера, но в отличие от этого профиля разомкнутые в верхней части (рис. 1.3).

Поскольку в конвейерах с контурными скребками перемещаемый груз имеет возможность обтекать элементы скребков, к стабильности движения скребков предъявляются повышенные требования. Поэтому скребки жестко крепятся к тяговому органу, а последний имеет минимальное число звеньев. Таким образом, сформировалась наиболее распространённая схема рабочего органа такого типа конвейеров: скребок-звено (см. рис. 1.3). Это привело к высокой металлоёмкости рабочего органа конвейеров с контурными скребками; обычно они изготавливаются из литых звеньев. Кроме отмеченного недостатка, конвейеры этого типа имеют ряд других, препятствующих их широкому применению, в частности [62, 22]:

- жесткие ограничения на физико-механические свойства транспортируемого груза (достаточное внутреннее сцепление (когезия) материала);

- низкие скорости перемещения груза, при этом диапазон скоростей, достаточно узок и индивидуально определяется для каждого типа транспортируемого груза;

- небольшая длина транспортирования (до 60 м) и высота подъёма (1520 м);

- необходима непрерывность потока груза, при которой обеспечивается сцепление со скребками, но которую сложно создать при загрузке конвейера.

Эти же недостатки ограничивают форму трассы: хотя угол наклона конвейера допускается равным 90°, при переходах от пологих к крутонаклонным участкам трассы и обратно возможна потеря непрерывности потока груза и его обратное движение.

По типажу ВНИИПТМАШ [22] предусмотрены конвейеры с контурными скребками с желобом по ширине и высоте ВхН: 125x90, 200-125, 320x200 мм. Скорость конвейеров составляет 0,1-0,4 м/с. По форме трассы в вертикальной плоскости предусмотрено шесть типов: горизонтальный, горизонтально-пологонаклонный, вертикальный, крутонаклонный, с Ь -образной трассой и с Z - образной трассой. Кроме того, разработаны специальные модификации таких конвейеров в герметичном и взрывобезопасном исполнении ( например, для транспортирования сажи на шинных заводах). В пищевой промышленности и сельском хозяйстве нашли применение трубчатые конвейеры с коробчатым желобом и низкими скребками, разработанные ВНИЭКИПродмашем [1].

в)

Рис. 1.3. Ходовая часть конвейеров с конструрными скребками

Необходимость перемещения грузов под любыми углами наклона, по сложным криволинейным трассам, а также перемещения мелкодисперсных слёживающихся и пылящих грузов обусловила разработку и создание скребковых трубчатых конвейеров со сплошными скребками. Основные конструктивные элементы такого конвейера приведены на рис. 1.4. Конструкция такого конвейера предложена в 1964 г. к.т.н. В.К. Дьячковым. Конвейер состоит из приводной, натяжной и поворотных станций, грузовой и порожней ветвей, тягового органа в виде пластинчатой или круглозвенной цепи с центральным, боковым или нижним креплением к дискам скребков.

е?. ГРУЭ А-.Ъ

Рис 1.4. Конструктивные элементы трубчатого скребкового конвейера:

1 - пластиковый диск (скребок), 2 - металлическая шайба, 3 -круглозвенная цепь, 4 - труба, 5 - приводная звездочка, 6 - обводной блок

Приводная станция включает в себя двигатель со встроенным редуктором, приводного вала и звёздочки.

Натяжная станция располагается обычно в хвосте конвейера и состоит из концевой звёздочки с винтовыми м