автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Определение эффективности применения вибрационного грейфера с аккумулятором энергии для перегрузки сыпучих материалов при отрицательных температурах

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса

1.1. Смерзающиеся грузы: добыча, перевозка, хранение

1.2. Виды смерзающихся грузов.

1.3. Восстановление сыпучести

1.4. Опыт эксплуатации грейферов при перегрузке смерзшихся сыпучих материалов

1.5. Конструкции виброгрейферов

1.6. Задачи теоретических и экспериментальных исследований

2. Силы, действующие на челюсть грейфера, снабженного клыками, аккумулятором энергии и вибраторами, в процессе зачерпывания

2.1. Расчет геометрических параметров грейфера

2.2. Определение величины начального заглубления

2.3. Определение усилий внедрения

2.4. Силы сопротивления резанию зачерпываемого материала

2.5. Силы, приложенные к ножу челюсти.

3. Исследование влияния вибровоздействия на зачерпывающую способность

3.1. Параметры возмущающей силы при вибровоздействии

3.2. Плечи действующих усилий при зачерпывании смерзшегося сыпучего материала

3.3. Определение веса зачерпываемого материала в челюсти грейфера

3.4. Определение координат центра тяжести зачерпываемого материала в челюсти грейфера

3.5. Анализ уравнения движения челюсти грейфера (кривая зачерпывания) при вибровоздействии

4. Экспериментальное исследование и определение экономи ческой эффективности применения вибрационных грейферов с аккумулятором энергии для перегрузки смерзшихся сыпучих материалов

4.1. Экспериментальное оборудование

4.2. Вибрационное уплотнение сыпучих материалов в жесткой матрице

4.3. Анализ вибровоздействия на процесс зачерпывания смерзшегося сыпучего материала грейфером

4.4. Определение экономической эффективности применения вибрационных грейферов

Сыпучие, материалы широко применяются в промышленности для различных целей. Потребителем сыпучих материалов является сельское хозяйство, строительная, химическая, пищевая, металлургическая, энергетическая и другие отрасли промышленности. Некоторые сыпучие материалы являются природными обра-зованьями - песок, гравий, зерно, но основная масса сыпучих материалов - продукт деятельности человека: рудные и химические концентраты, каменный уголь, гранулированные материалы. Номенклатура сыпучих материалов, особенно сырьевых, неуклонно растет, это связано с их технологичностью в перемести-тельных и перерабатывающих операциях.

Как структурное образование сыпучие материалы принято делить на две категории - легкосыпучие и связанные. Мерой, разделяющей их на эти категории, служит сопротивление материала, сдвигу, но граница перехода довольно условна; так как с изменением внешних и внутренних факторов грунт может переходить из легкосыпучего в связанный материал.

Более 50 % всех грузов, перевозимых в стране, составляют насыпные — уголь, руда, щебень, гравий, песок и др. Они являются источниками энергии и сырья для промышленности и перевозятся регулярно во все периоды года. От своевременной доставки этих грузов зависит ритм работы тепловых электростанций и промышленных предприятий. Только речной транспорт Российской Федерации ежегодно перемещает навалом около 500 миллионов тонн сыпучих материалов.

На территории Российской Федерации существуют сформировавшиеся, постоянно действующие грузопотоки насыпных грузов, которые включают в себя перевозки железнодорожным, речным транспортом и частично автомобильным. Стабильность грузопотоков обеспечивается в равной степени бесперебойной работой транспорта и перегрузочной техники в точках перевалки с одного вида транспорта на другой и в начальной и конечной точках перемещения груза.

Более 60 % грузов перевозится в районах с продолжительностью холодного периода свыше пяти месяцев в году. Низкие температуры воздуха и большие расстояния перевозок приводят к смерзанию увлажненных насыпных грузов. В наиболее холодный месяц (январь) на выгрузку смерзшихся грузов отвлекается от основного производства до 500 тыс. рабочих. Общие потери народного хозяйства (без учета сбоев в работе транспорта и промышленных предприятий) достигают более 2 млрд. руб. в холодный период года[1].

Используемые для перевозки насыпных грузов полувагоны и перегрузочные устройства рассчитаны на сыпучие свойства этих материалов и при положительных температурах воздуха работают безотказно. С наступлением холодного периода года грузы, предварительно не подготовленные переходят в смерзшееся состояние, кардинально меняя свои физико-механические свойства. Машины и механизмы, осуществляющие перегрузочные операции с насыпными грузами, работают в крайне тяжелых условиях, из-за возросших нагрузок на рабочие органы машин, которые, кроме этого, подвергаются усиленному абразивному износу.

В этом случае необходимо восстановление их сыпучести путем разогрева, что требует затраты большого количества энергии и времени, или путем механического рыхления с использованием специальных машин и тяжелого ручного труда. Производительность труда при перегрузке смерзшегося груза снижается в 10—15 раз, значительно увеличиваются простои транспорта, что нарушает ритм транспортного процесса и работы предприятий. Себестоимость выгрузки увеличивается в 4—6 раз.

Интенсивное освоение природных богатств, и особенно полезных ископаемых, в северных и восточных районах вызывает постоянный рост объема перевозок.

С учетом тенденции увеличения удельного веса добычи полезных ископаемых в северных и восточных районах острота проблемы перевозки смерзающихся грузов с каждым годом возрастает. Она может решаться различными путями:

- подготовкой грузов в процессе обогащения к виду, исключающему их смерзание в период перевозки;

- использованием средств профилактики от примерзания и смерзания;

- восстановлением сыпучести прибывших под выгрузку смерзшихся грузов;

- проведением организационных мероприятий;

- разработка механизмов и машин способных перегружать смерзшийся сыпучий груз с минимальными затратами.

В этом отношении грейфер решает указанную проблему, однако, существующие теории расчета грейферных механизмов разработаны из условия эксплуатации последних при положительных температурах, что сказывается на их работоспособности и ресурсе .

Работоспособность подъемно-транспортных машин (ПТМ) зависит, в первую очередь, от надежности рабочих органов, осуществляющих захват и перемещение материала. Поэтому требуется создавать высокоэффективные, с низкой металлоемкостью, надежные машины и оборудование, которые по своим технико-экономическим показателям должны превосходить лучшие отечественные образцы и быть конкурентоспособными на внешнем рынке .

Создание таких рабочих органов невозможно без глубоких исследований процессов, происходящих при разрушении смерзшегося сыпучего материала рабочим органом, его структурных изменений и создания адекватной физической модели с соответствующим теоретическим описанием.

Наличие достаточно разработанной теории всегда создает перспективу возможности управления процессом при проектировании рабочих органов в сторону уменьшения его энергоемкости, а также определения распределенных нагрузок, действующих на элементы рабочего органа при различном его исполнении и при работе с различными сыпучими материалами.

Целью настоящей работы является создание методики определения основных параметров грейферов, проектируемых для работы со смерзшимися насыпными грузами, определение параметров вибрационного оборудования, как наиболее эффективного для разрушения корки смерзшегося груза, применительно к грейферам данного типа. Разработка метода расчета указанного грузозахватного органа ПТМ в зависимости от характеристик физико-механического состояния материала: гранулометрического состава, влажности, температуры; для определения действующих нагрузок и энергетических затрат, и методов воздействия на смерзшийся сыпучий материал с целью уменьшения данных затрат. Температура представляет собой функцию глубины, что указывает на изменение существующих нагрузок по мере заглубления грейфера.

Научная новизна работы заключается в методе определения нагрузок, действующих на рабочие органы ПТМ, при их перемещении в среде с переменными усилиями сопротивления указанному перемещению. Пересмотр существующей методики расчета канатных грейферов, создаваемых для эксплуатации в условиях отрицательных температур.

Практическая ценность и реализация результатов.

Разработанный метод расчета применим к грейферным механизмам, назначение которых обеспечить разрушение корки смерзшегося груза на начальном этапе внедрения, потребляющим до 30.40 % затрачиваемой энергии, когда, в отличие от традиционного зачерпывания, нагрузки максимальные именно в этот период.

В работе разработана теория определения зачерпывающей способности грейфера путем решения систем дифференциальных уравнений действующих нагрузок и силового расчета грузозахватного органа, в создании которого автор принимал непосредственное участие.

Разработана конструкция вибрационного грейфера, предназначенного для перегрузки смерзшихся сыпучих материалов в условиях отрицательных температур, с дополнительным введением энергии в систему «грейфер-двигатель» за счет накопления потенциальной энергии челюстей и нижней траверсы в процессе раскрытия в пружинных аккумуляторах энергии на основе авторского свидетельства СССР №1364596 и результатов эксплуатации в Горьковском порту специального грейфера для смёрзшихся сыпучих материалов в течение 1984-1986гг.

1. Состояние вопроса

Выводы по результатам экспериментальных исследований:

- подтверждено соответствие предложенной математической модели силы сопротивления внедрению с полученными экспериментальными данными;

- подтверждена работоспособность предложенной конструкции грейфера с пружинным аккумулятором и приводом вибраторов от блоков замыкающего полиспаста;

- определена рациональная форма клыков и оптимальная их расстановка на режущей кромке челюсти; Конструктивные рекомендации:

- введение в конструкцию вибраторов требует введения в систему упругой связи, что приводит к новой конструкции тяг с упругим узлом, либо к конструированию тяг требуемой жесткости по оси шарнир челюсти - шарнир верхней траверсы;

- прочностные расчеты показывают необходимость замены торсионов по авторскому свидетельству СССР №1364596 на пружины кручения из-за несоответствия прочности торсионов по подводимому крутящему моменту и требуемой жесткости;

- в целях снижения строительной стоимости рекомендуется изготовление узла мультипликатора непосредственно на заводе-изготовителе грейфера.

137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований и компьютерного моделирования при оценке эффективности применения вибрационного грейфера с пружинным аккумулятором энергии для перегрузки смерзшихся сыпучих материалов, в условиях отрицательных температур, изложенные в диссертационной работе, позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации.

1. Лепнёв М.И., Северинова Э.П. Грузы и мороз — М.: Транспорт, 1988. - 143 с.

2. Провести исследование и разработать проект для речных портов по организации и технологии перегрузочных работ в условиях льда и отрицательных температур: Отчёт о НИР/ГИИВТ: Руководитель Слюсарев А.С. № 848041. Горький, 1985. - 185 с.

3. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.: Машиностроение, 1968. - 375 с.

4. Таубер Б.А. Грейферные механизмы. М. : Машиностроение, 1967. - 424 с.

5. Зеленин А.Н. Машины для земляных работ. Учебное пособие для вузов.- М.: Машиностроение, 1975. 424 с.

6. Каракулин Г. Г. Грейферы. Учебное пособие. Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1970. - 48 с.

7. Анфимов М.И. Редукторы. Атлас конструкций. М. : Машиностроение, 1972. - 284 с.

8. Стрелов В.И., Сероштан В.И. Расчет параметров грейфера на ЭВМ: Методические указания ./Под ред. В.И. Серош-тана. М.: Изд-во МГТУ, 1990. 32 е., ил.

9. Рукодельцев А.С. Особенности расчета геометрических параметров грейфера для смерзшихся сыпучих материалов. Вестник ВГАВТа Вып. №1, Н.Новгород. 2003. с. 168.173.

10. Федулов А. И. Ударное разрушение мёрзлых грунтов./А.И. Федулов, Р.Н. Иванов. А.Н. СССР, Сибирское отделение, Институт горного дела. Новосибирск: «Наука». Сибирское отделение, 1975. - 137 с.

11. Евдокимов В.А. Механизация и автоматизация строительного производства: Учебное пособие для вузов. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 195 с.

12. Алексеева Т.В., Артемьев К.А., Бромберг А.А. и др. Дорожные машины. Часть I. Машины для земляных работ. Изд. 3-е, переработ, и доп. М. : Машиностроение, 1972. 504 с.

13. Каракулин Г.Г. Методика расчёта оптимальных параметров канатных грейферов. Труды ГИИВТа Вып. № 177, ч. I, Горький. 1980. 192 с.

14. Слюсарев А. С. Разработка основ расчёта и конструирования рабочих органов подъёмно-транспортных машин, подвергающих сыпучий материал объёмному сжатию: Дис.док.техн. наук. Нижний Новгород, 1991. - 391 с.

15. Севастьянов В.А. Исследование процесса внедрения режущего элемента челюсти грейфера в частично смерзшийся груз: Сборник научных трудов. Выпуск 237. Горький: ГИИВТ, 1988. 112 с.

16. Слюсарев А.С., Рукодельцев А. С. Определение усилий резания корки смерзшегося сыпучего материала применительно к грейферу, оснащенному клыками. Вестник ВГАВТа Вып. № 2, Н.Новгород. 2003. с. 135.156.

17. Слюсарев А.С., Рукодельцев А. С. Определение угла скола смерзшегося сыпучего материала при резании профилем в зависимости от углов трения, ширины профиля и глубины погружения. Вестник ВГАВТа Вып. № 2, Н.Новгород. 2003. с. 115.135.

18. Берновский Ю.Н. и др. Машины для разработки мёрзлых грунтов. М.: «Машиностроение», 1973. 272 с.

19. Переработка сетки типов и параметров грейферов для навалочных сыпучих и лесных грузов //Отчёт НИР /ГИИВТ; Руководитель Каракулин Г.Г. № 76058257. Горький, 1977. - 90 с.

20. Быховский И. И. Основы теории вибрационной техники. М.: Машиностроение, 1968. 362 с.

21. Бауман В. А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. Учебное пособие для студентов строительных и автомобильно-дорожных вузов. М. : Высш. школа, 1977. 255 с.

22. Савинов О.А., Лускин А.Я. Вибрационный метод погружения свай и его применение в строительстве. Л. -М.:Госстройиздат, 1960.

23. Шевченко Н.А. Исследование зачерпывающей способности грейферных механизмов: Дис. кан. техн. наук. Ворошиловград, 1976. - 178 с.

24. Гладышев А.Н., Веселов Ю.Б., Матреничев Е.И. Технико-экономические обоснования схем механизации перегрузки грузов. Методические указания к выполнению курсовых и дипломных проектов. Горький Тип. ГИИВТа, 1988, 72 с.

25. Дорожные машины. Часть I. Машины для земляных работ. Изд. 3-е, переработ, и доп. М.: Машиностроение, 1972. -504 с.

26. А.Н. Гладышев, Ю.Б. Веселов, В.Г. Леканов, М.К. Маркова. Технология и организация перегрузочных работ. Приложения к методическим указаниям. Тип. ГИИВТа Горький, 1988. 88 с.

27. Экспериментальная установка для исследования виброуплотнения сыпучих материалов ЭПС-02