автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров нагревательных плит шахтных переносных вулканизационных прессов с целью снижения неравномерности температурного поля

Введение

Глава 1. Обзор и анализ работ по методам соединения конвейерных лент и расчету тепловых режимов вулканизацион-ных прессов.

1.1. Методы соединения резинотканевых и резинотросовых кон- 8 вейерных лент

1.2. Прессы для вулканизации стыковых соединений конвейерных 16 лент

1.3. Методы теплового расчета вулканизационных прессов для 24 соединения конвейерных лент

1.4. Направления, цель и основные задачи исследования

Глава 2. Разработка расчетных тепловых моделей элементов 33 вулканизационного пресса с саморегулируемыми источниками тепла

2.1. Постановка задачи

2.2. Анализ влияния конструктивной схемы переносного вулкани- 35 зационного пресса с саморегулируемыми нагревательными элементами на тепловое поле

2.3. Анализ свойств и тепловая модель саморегулируемых источ- 42 ников тепла и нагревательных плит

2.4. Разработка тепловых моделей пассивных элементов 55 вулканизационного пресса

2.5. Особенности расчетных моделей элементов пресса различ- 65 ного функционального назначения

2.6. Приближенное определение приведенных коэффициентов 68 теплообмена консольных элементов вулканизационного пресса с окружающей средой

2.7. Выводы по главе

Глава 3. Анализ распределения температуры на поверхности нагревательных плит вулканизационного пресса с саморегулируемыми источниками тепла

3.1. Постановка задачи

3.2. Расчетная тепловая модель вулканизационного пресса

3.3. Определение оптимальной плотности источников тепла, 89 обеспечивающей равномерное поле температур

3.4. Анализ влияния различных факторов на оптимальную плот- 94 ность и мощность источников тепла

3.5. Анализ влияния различных факторов на мощность теплового 97 барьера нагревательных плит

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования температурного 113 поля вулканизационного пресса с позисторными источниками тепла

4.1. Условия и методика выполнения экспериментальных иссле- 115 дований

4.2. Анализ экспериментального распределения температуры на 120 поверхности стыкового соединения в продольном и поперечном направлениях

4.3. Анализ экспериментальных данных о влиянии на неравно- 124 мерность температурного поля расстояния между дискретными источниками тепла

4.4. Анализ экспериментальных данных о влиянии теплового 127 барьера на неравномерность распределения температуры на концах нагревательных плит

4.5. Выводы по главе 4 129 Заключение 131 Список использованной литературы

Ленточные конвейеры, благодаря их высокой производительности, простоте конструкции и обслуживания, низким эксплуатационным затратам и высокой надежности работы, являются наиболее эффективным средством непрерывного транспорта в горной промышленности. Это подтвердили и итоги реструктуризации горной промышленности, прошедшей в последние годы. Несмотря на сокращение удельного веса магистрального конвейерного транспорта на открытых угольных разработках, он остается основой транспортных систем на угольных шахтах. Уже в течение многих лет расширяется область применения ленточных конвейеров на открытых разработках скальных пород и руд, на карьерах черной и цветной металлургии.

В связи с постоянным увеличением производительности и длины ленточных конвейеров, предъявляются повышенные требования к надежности их работы. Показатели надежности большинства узлов современных ленточных конвейеров являются весьма высокими. В то же время наиболее слабым местом продолжают оставаться стыковые соединения ленты. Вследствие их разрушения нарушается ритмичная работа горных предприятий, увеличивается расход конвейерных лент и стоимость транспортирования. В настоящее время считается бесспорным преимущество метода горячей вулканизации перед другими способами стыковки конвейерных лент. Для резинотросовых лент этот способ вообще является единственно допустимым. Но продолжительность работы вулканизированных стыковых соединений даже в одинаковых условиях эксплуатации колеблется в очень широких пределах - от нескольких недель до нескольких месяцев и даже лет.

Как показали исследования, прочность, долговечность и надежность работы стыковых соединений снижается вследствие дефектов вулканизации: различная толщина резиновой прослойки (от 0,1-0,2 до 3-4 мм), различие в качестве резины прослойки и прочности ее связи с прокладками по площади стыка - в одних местах резина прослойки монолитная, и прочность ее связи с прокладками выше средних значений, в других, часто на больших участках, прослойки состоят из пористой или губчатой резины с низкими физико-механическими свойствами и имеют слабую связь с прокладками; недовулканизация и «пережоги» отдельных участков резиновой прослойки. Такие же дефекты имеются в резине заделки концов стыковых соединений.

Целью работы является снижение неравномерности температурного поля нагревательных плит вулканизационного пресса с позисторными источниками тепла, обеспечивающего повышение качества вулканизируемых соединений лент конвейеров горной промышленности.

Идея работы состоит в снижении неравномерности температурного поля нагре вательных плит, обеспечиваемой рациональной плотностью размещения источников тепла, которая определяется на основе математической модели тепловых потоков внутреннего и внешнего теплообмена вулканизационного пресса.

Основные научные положения, выносимые на защиту: расчетные тепловые модели конструктивных элементов вулканизациL онного пресса составляются путем комбинирования трех универсальных идеализированных элементов: термически тонких листов, бесконечных тонких стенок и теплоотдающих ребер; математическая модель распределения тепловых потоков и температуры в элементах вулканизационного пресса представлена в виде сочетания двух видов теплообмена: внутреннего теплообмена между элементами пресса через соединяющие их термически тонкие листы и внешнего теплообмена через тепло-отдающие ребра, присоединенные к указанным термически тонким листам; необходимая равномерность температурного поля на границах нагревательных плит пресса обеспечивается при помощи тепловых барьеров на их краях, тепловая мощность которых должна быть пропорциональна термическому сопротивлению теплоизоляционного слоя пресса.

Научная новизна работы состоит в разработке: тепловых моделей основных конструктивных элементов вулканизационного пресса, эквивалентной схемы их сопряжений, общей схемы теплообмена и математической модели распределения тепловых потоков и температуры в элементах пресса; в установлении зависимостей: для определения тепловых потоков и температуры пресса, для оценки влияния на неравномерность температурного поля нагревательных плит пресса дискретного характера размещения источников тепла в нагревательных плитах пресса, для расчета теплоотдачи от элементов пресса в окружающую среду.

Достоверность основных научных положений подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными на основании научно спланированных экспериментов, которые проведены на специально подготовленном образце пресса, а также в промышленных условиях на лентах действующих конвейеров и статистической обработкой экспериментальных данных.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена удовлетворительной корреляцией теоретических исследований и экспериментальных данных (расхождение 10 %).

Научное значение работы состоит в разработке и обосновании математической модели тепловых процессов в элементах вулканизационного пресса, в обосновании способа обеспечения равномерности температурного поля нагревательных плит путем создания тепловых барьеров на их границах и разработке метода расчета рациональной плотности размещения источников тепла.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по созданию заданного температурного режима вулканизационного пресса с позис-торными нагревательными элементами.

Реализация результатов работы:

Разработанные в работе рекомендации по созданию температурного режима использованы при создании пресса, обеспечивающего заданную неравномерность температурного поля вулканизации, при промышленном изготовлении вулканизаци-онных прессов с позисторными элементами типа ПСШ1 (изготовлено 84 пресса), используемых на шахтах (взрывобезопасный вариант), типа ПСС (изготовлено 27 прессов), используемых в карьерах, предприятиях металлургии и других предприятиях

Апробация работы. Работа и основные ее положения докладывались на научных симпозиумах "Неделя горняка - 2002, 2003" в МГГУ, на первой и третьей Международной научно-практической конференции по проблемам конвейерного транспорта г. Боровичи в 2000 и 2003 г.г., на семинаре Госгортехнадзора России по усовершенствованию надзорной работы в электромеханическом хозяйстве подконтрольных угольных предприятий в Новокузнецке в ноябре 1999 г., в отделе подземного транспорта ИГД им. А.А. Скочинского в 2001 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть научных статей, одно свидетельство на полезную модель и один патент на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 32 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 66 наименова ний.

4.5. Выводы по главе 4

1. Основными факторами, определяющими неравномерность температурного поля нагревательных плит вулканизационного пресса с позисторными источниками тепла, являются общее снижение температуры к концам плит, вследствие теплоотдачи через их торцовые поверхности и присоединенные консольные элементы, а также дискретное распределение источников тепла. Общее снижение темпе* ратуры к концам плит распространяется на длину до 300 мм и составляет 1,5% на концах без консольных элементов и до 2,3% на концах с консольными элементами. главе 3.

Снижением температуры к краям рабочей поверхности пресса в продольном направлении можно пренебречь.

2. Полученная в главе 2 теоретическая линейная зависимость неравномерности распределения температуры из-за дискретности размещения источников тепла от расстояния между источниками подтверждается экспериментальными измерениями при уровне значимости 0,10. На прессе рассматриваемой конструкции размах значений температуры составляет до 0,75°С. Аппроксимация полученной зависимости на случай несаморегулируемых источников тепла показывает, что в этом случае размах значений температуры может составить до 2°С. Оценка предельно допустимого шага установки источников тепла показала, что для саморегулируемых источников он равен около 1150 мм, для несаморегулируемых - 50 мм.

3. Принятые в главе 3 теоретические положения по расчету необходимого теплового барьера на концах нагревательных плит и ориентировочные значения параметров теплоотдачи через их торцовые поверхности и через другие элементы вулканизационного пресса подтверждаются данными экспериментальных исследований. При этом достаточная ширина теплового барьера составляет около трех значений толщины нагревательных плит при максимальной мощности источников тепла, равной удвоенной номинальной плотности.

Заключение

В результате проведенных исследований дано решение актуальной научной задачи по разработке методов расчета тепловых режимов вулканизационных прессов, выбору рациональной плотности размещения источников тепла, обеспечивающей заданную неравномерность температурного поля нагревательных плит вулканизационного пресса, а, следовательно, и повышение эффективности процесса вулканизации и качества вулканизируемых соединений лент конвейеров горных предприятий.

Выполненные исследования позволили сделать следующие основные выводы полученные лично автором в результате выполненных исследований:

1. Расчетная тепловая модель активных (нагревательных) элементов вулканизационного пресса представлена в виде комбинации распределенных плоских источников тепла и тонких теплоотдающих ребер; расчетные тепловые модели пассивных элементов пресса представлены в виде комбинации теплоизолирующей бесконечной плоской стенки и граничных термически тонких листов, участвующих своими краями в теплообмене с окружающей средой. Условие теплообмена элементов пресса с окружающей средой смоделировано системой теплоотдающих ребер.

2. На основании разработанных тепловых моделей элементов создана тепловая модель вулканизационного пресса в целом, состоящая из внутренних термических сопротивлений, моделируемых плоскими теплопроводящими стенками, и внешних термических сопротивлений, моделируемых эквивалентными теплоот-дающими ребрами.

3. Определена неравномерность температурного поля вулканизационного пресса в поперечном к ленте направлении, создаваемая теплоотдачей нагревательных плит через торцевые поверхности и присоединенные консольные элементы, а также дискретным распределением источников тепла. Показано, что неравномерностью температурного поля в продольном направлении при расчетах можно пренебречь.

4. Расчетами установлено, что для срединной части пресса допустимая неравномерность температурного поля для исследованной в работе конструкции обеспечивается при шаге установки саморегулируемых нагревательных элементов щ (позисторов) равном 150 мм и несаморегулируемых элементов - 50 мм.

5. Необходимая неравномерность температурного поля в поперечном направлении вблизи внешних торцевых поверхностей нагревательных плит должна обеспечиваться путем создания тепловых барьеров в этих зонах. Рациональная ширина тепловых барьеров должна превышать толщину нагревательных плит не менее чем в 2 раза, а плотность источников тепла в них должна быть пропорциональна отношению термического сопротивления теплоизолирующего слоя пресса к сопротивлению теплоотдачи через торцовые поверхности нагревательных плит. В работе получены аналитические зависимости для расчета длины и мощности тепловых барьеров. Так в прессе для ленты шириной 1200 мм длина тепловых барьеров равна 90 мм.

6. Теоретически рассчитанная неравномерность распределения температуры из-за дискретного характера размещения источников тепла подтверждена экспериментальными измерениями при уровне значимости 0,1. На прессе рассматриваемой конструкции неравномерность температуры составляет 0,75°С.

• 7. Теоретические расчеты параметров теплового барьера на внешних торцевых поверхностях нагревательных плит подтверждены данными экспериментальных исследований. При этом достаточная ширина теплового барьера составляет около трех значений толщины нагревательной плиты при максимальной плотности размещения источников тепла, равной удвоенной номинальной плотности.

1. Анатырчук Л.Н. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев: Наук, думка, 1979. 767 с.

2. А.с. № 1140984. Устройство для местной вулканизации конвейерных лент. Котов М.А., Григорьев Ю.И., Седышев В.Ф. и др. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки., № 7, 1985.

3. Беляк J1.А., Васильев А.Н., Мананников П.Н. Взрывобезопасные шахтные саморегулирующиеся (позисторные) прессы ПСШ1. Безопасность труда в промышленности, 1999, № 11, с. 41 -43.

4. Билан И.Е., Деркач П.М., Стаховский Е.А. О режиме вулканизации стыковых соединений. Вопросы рудничного транспорта, вып. 12. - Киев, Нау-кова думка, 1972, с. 78 - 87.

5. Билан И.Е. Прессы для вулканизации стыков конвейерных лент. В кн.: Конвейерный транспорт. - Киев, Наукова думка, 1978, с. 63 - 66

6. Биличенко Н.Я., Ищук В.И., Заболотный Ю.В., Романюха И.Е. Теплопроводность конвейерных лент и выбор длительности вулканизации при их стыковке. Изв. вузов. Горный журнал. - 1975, № 2, с. 79 - 84.

7. Биличенко Н.Я., Ищук В.И., Заболотный Ю.В., Романюха И.Е. Исследование тепловых режимов вулканизационных прессов для стыковки конвейерных лент. Шахтный и карьерный транспорт, вып. 2. - М.; Недра, 1975, с.31 -38.

8. Богачкина Г.С., Котт И.М. Оборудование для стыковки конвейерных лент. М.; ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1982. - 28 с.

9. Бройнич Г., Дитрих П., Глокман В.М. и др. Измерение температур в технике: Справочник/Под. ред. Линевега. М. : Металлургия, 1980. 544 с.

10. Будак Б.М., Самарский А.А., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. М.: Гостеориздат, 1956. - 684 с.

11. Васильев А.Н., Мананников П.Н., Григорьев Ю.И. Оборудование для ^ вулканизации конвейерных лент завода "Полимермаш". Глюкауф, 2000, № 1,с. 63 66.

12. Ф 12. Бычковский Р.В., Вигдорович В.Н., Колесник и др. Приборы дляизмерения температуры контактным способом. Львов : Вища шк., 1978. - 208 с.

13. Васильев А.Н., Мананников П.Н., Григорьев Ю.И. Тенденции развития оборудования и приспособлений для стыковки для стыковки конвейерных лент методом горячей вулканизации ОАО "Боровичский завод "Полимермаш" -Горная промышленность, 2000, № 2, с.ЗО 34.

14. Васильева И.В., Гомельский К.З., Добровинский И.Е. Исследование взаимозаменяемости промышленных термоэлектрических термометров // Измер. техника. 1977 №9. - С. 69-70.

15. Высочин Е.М., Завгородний Е.Х., Заренков В.И. Стыковка и ремонт конвейерных лент на предприятиях черной металлургии. М.; Металлургия, 1989.-192 с.

16. Вуба К.Т. О роли заклепок при сдвиге клееклепанных соединений внахлестку. Исследование прочности клеевых соединений конструкционных строительных материалов. - М.; Стройиздат, 1975, вып. 53, с. 64-71.

17. Геращенко О.А., Основы теплометрии. Киев : Наук, думка, 1971.-192 с.

18. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Пах В.И. и др. Температурные измерения. : Справочник. Киев : Наук, думка, 1984. -494 с.

19. Гнурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1972. 368 с.

20. Деркач П.М. Исследование прочности стыковых соединений резинотканевых конвейерных лент, применяемых в горной промышленности. -Дисс.канд. техн. наук. Днепропетровск, ДГК, 1969. - 187 с.

21. Гофман В. Вулканизация и вулканизирующие агенты. М.: Химия, 1968. -464 с.v >

22. Захаров А.К., Никитин О.В. Датчики температуры на позисто-рах. //Диэлектрические материалы электротехники. М. - МИЭРА, 1977. -С. 180-182.

23. Зимин В.Г., Михайлов М.Г., Пугачев Н.С. и др. Контактные методы и приборы для измерения температур. Изд-во стандартов. 1980. -124 с.

24. Инструкция по выбору, монтажу и эксплуатации конвейерных лент. -М.; НИИРП, 1981.-75 с.

25. Ищук В.И. Исследование прочности и долговечности вулканизированных стыков конвейерных лент. Дисс.канд. техн. наук. - Днепропетровск, ДГИ, 1975.-160 с.

26. Карбасов О.Г., Цоглин А.Н. Монтаж, эксплуатация и ремонт конвейерных лент. М.; Недра, 1967. - 152 с.

27. Кацевич J1.C. Расчет и конструирование электрических печей. М.: Госэнергоиздат, 1959. - 440 с.

28. Кубицкий Я., Соболевский Э. Параметры стыковых соединений и основное оборудование для вулканизации конвейерных лент. Gor-nictwo odktywkowe, 1972, t. 14, № 11-12, s. 393.

29. Кузьменко В.И. Обоснование и выбор рациональных параметров вулканизированных соединений резинотканевых конвейерных лент ленточных конвейеров. Дисс. канд. техн. наук. - Коммунарск, КГМИ, 1985. -233 с.

30. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. -M.-J1: Машгиз, 1962. 456 с.

31. Лепетов В.А., Фогель В.О., Томчин Л.Б., Крайнова Н.А. Расчет режимов вулканизации резинотекстильных пластин (транспортерных лент и плоских ремней). Каучук и резина, 1962, № 10, с. 36 - 39.

32. Лукомская А.И., Беденков П.Ф., Коперник Л.М. Тепловые основы вулканизации резиновых изделий. Химия, 1972. - 359 с.

33. Мананников П.Н., Григорьев Ю.И., Гридчин B.C. Шахтный позисторный пресс ПСШ1 для стыковки и ремонта конвейерных лент. Глюкауф, 1998, спецвыпуск (4), с. 49 - 53.

34. Матов А.Л., Шаповалов А.А. Вулканизация конвейерных лент. М.; Недра, 1967.-152 с.

35. Методические указания по расчету параметров стыковых соединений резинотросовых лент конвейеров. М. ИГД им. А.А. скочинско-го, 1987.-56 с.

36. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М. - Энергоиздат, 1949.

37. Пасечный В.Ф., Подопригора Ю.А. Исследование прочности различных видов соединений резинотканевых конвейерных лент. Шахтный и карьерный транспорт, вып. 5. - М.; Недра, 1980, с. 29-31.

38. Патент Германии ДЕ 3046995 с2. Elektrische Heizvorrichtung fur Ве-heizte Apparate, haushaltsgerate u. dgl. К. Фудикар, П. Тисс, от 21.07.81.

39. Полунин В.Т., Гуленко Г.Н. Эксплуатация мощных конвейеров. М.; Недра, 1986, -344 с.

40. Пятов Л.И., Наумов В.Н. Термические расчеты и автоматизация прессов с обогревом. М.; Машиностроение, 1966. - 143 с.43. (30). Рекомендации по планированию экспериментальных исследований горных машин. ДонНИГРИ, Донецк, 1975. -55 с.

41. Реутов А.А. Конструкции и расчет соединений резинотканевых конвейерных лент. Брянск, БГТУ, 1997. - 63 с.

42. Рыжих Б.Л. Разработка методики расчета тепловых режимов шахтных диафрагменных вулканизационных прессов для стыковки конвейерных лент. Дис. канд. техн. наук,- М.; ИГД им. А.А. Скочинского, 1978.

43. Патент Германии ДЕ 3028401 с2. Vorrichtung fur die Reparatur und zum Endlosmachen von Fordergurten aus Gummi oder Kunststof. П. Тисс, от 26.07.80.

44. Потураев В.Н. Резиновые и резинометаллические детали машин. М.: Машиностроение, 1966. - 356 с.

45. Проспекты фирмы «Вагнер-Швельм».

46. Проспекты фирмы «ContiTech Forder-und Beschichtungstechnik GmBH».

47. Свидетельство на полезную модель № 14866. Нагревательное устройство вулканизационного пресса для стыковки и ремонта конвейерных лент / А.Н. Васильев, Ю.И. Григорьев, П.Н. Мананников, И.С. Павлюк. Пром. образцы. Тов. знаки, бюл. № 25, 2000 г.

48. Скворцов A.M., Кроль Б.А., Шконда В.В. Совершенствование стыковки конвейерных лент. Шахтный и карьерный транспорт, вып. 8. - М.; Недра, 1983, с. 26-30.

49. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1973.-е.

50. Фогель В.О., Томчин J1.Б. Номографический метод расчета продолжительности вулканизации резинотекстильных пластин. Каучук и резина,1963, № 3, с. 33-37.

51. Фогель В.О. Аналитические методы расчета температур в вулканизируемых резиновых изделиях. Сб. научных трудов МИТХТ, вып. 5. - М.; Гос-химиздат, 1955. - с. 66 - 83.

52. Фогель В.О., Егорова С.А., Занемонец Н.А. Исследование процесса теплообмена при вулканизации транспортерных лент в прессах, обогреваемых паром. Каучук и резина, 1966, № 4, с. 19-21.

53. Фридлендер Н.А. О получении однородных температурных полей в рабочих элементах прессов горячей вулканизации. Сб. научных трудов МТИЛП, вып. 30. - М.; МТИЛП, 1964. - с. 301 -310.

54. Фридлендер Н.А., Майдель М.М. О распределении тепловых источников в вулканизационных прессах. Проверка решения задач такого типа на электрических моделях. Сб. научных трудов МТИЛП, вып. 30. - М.; МТИЛП,1964.-е. 258-269.

55. Фридлендер Н.А. Теория неустановившегося теплового режима и ее применение к расчету температурных полей в вулканизационных прессах. Сб. научных трудов МТИЛП, вып. 29. - М.; МТИЛП, 1963. - с. 281 - 289.

56. Фридлендер Н.А. Распределение температур в областях с непрерывно распределенными источниками. Сб. научных трудов МТИЛП, вып. 29. -М.; МТИЛП, 1963. - с. 290 -303.

57. Черкасова К.Г. Измерение температуры поверхности // Тр. мет-рол. ин-тов СССР / ВНИИМ. 1974. - вып. 181. С. 82-88.

58. Чернов Р.И., Маковеев Н.И. Анализ методов соединения концов резинотросовых лент. Технический отчет ВостНИИ по теме 78. -Кемерово, 1964.

59. Чистяков С.Ф, Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы. М. : Высшая шк., 1972. 392 с.

60. Feltes Michael I. Mechanical conveyer belt fastener systems / Bulk solids handl. 1993, № 4,13, p. 771 - 773.

61. Pedro E. Rengito. New Splice Assembly Technique for Wire Ren-forced Belting. The international journal of storing, handing and transporting Bullk. 1/2004.

62. Tranportne trake sa celecnim sajlama. Gumavskohemijska indus-trija "Ballcan" (проспект фирмы).

63. Vasilyev A.N., Manannikov P.N., Grigoryev Yu.l. Portable vulcanization presses for conveyer belts of JSC "Polymermash". Russian mining, 2000, January/February, p. 32 - 34.