автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Определение параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров для крупнокусковых скальных грузов

СТРЕМИЛОВ Антон Валерьевич

На правах рукописи

РГ6 од

г г дек гяга

УДК 621.867.2: 622.34(043.3)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АМОРТИЗИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ХОДОВЫХ ОПОР ЛЕНТОЧНО-ТЕЛЕЖЕЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ ДЛЯ КРУПНОКУСКОВЫХ СКАЛЬНЫХ ГРУЗОВ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научные руководители: канд. техн. наук, доц. ЗАПЕНИН И. В.,

канд. техн. наук, проф. ПУХОВ Ю. С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. РАЧЕК В. М., канд. техн. наук ЕГОРОВ П. Н.

Ведущее предприятие - Государственный институт горно-химического сырья.

Защита диссертации состоится " 22 " декабря 2000 года в 11— часов в ауд. Б-409 на заседании диссертационного совета К - 053.12.03 в Московском государственном горном университете по адресу: Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " 22 " ноября 2000 года. Ученый секретарь

диссертационного совета канд. техн. наук, проф. ШЕШКО Е. Е.

И163М-5иО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В горнодобывающей промышленности в связи с непрерывным увеличением масштабов производства и вовлечением в разработку более бедных полезных ископаемых постоянно растут объемы перемещаемой горной массы. Это обстоятельство вынуждает предприятия внедрять более производительные, более экономичные, более экологичные, снижающие трудозатраты и энергоемкость виды транспорта. Одним из таких видов является конвейерный транспорт, обеспечивающий высокую производительность, автоматизацию конвейерных линий, транспортирование грузов под большими углами наклона к горизонту и, как следствие, уменьшение длины транспортных магистралей по сравнению с автомобильным и железнодорожным транспортом.

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение конвейеров в горнодобывающей промышленности, является необходимость подготовки горной массы к транспортированию по гранулометрическому составу независимо от последующей технологии ее переработки. Практикой установлено, что на ленточных конвейерах традиционной конструкции (со стационарными роликоопорами) возможно транспортировать грузы, включающие куски размером до 500 мм. Однако гранулометрический состав горных пород, образующийся после буровзрывных работ, содержит от 15 до 30 % кусков размером более 500 мм, что предопределяет необходимость предварительного дробления для использования ленточных конвейеров в таких условиях. Поэтому доля конвейерного транспорта в общем объеме перевозок все еще невелика и не превышает 5-7 %.

Проблема использования конвейеров для транспортирования крупнокусковых скальных пород и руд на открытых и подземных горных разработках решается в двух направлениях. Первое из них основано на перемещении дробленой горной массы от забоя до поверхности при помощи ленточных конвейеров традиционной конструкции с некоторыми усовершенствованиями. Технико-экономический анализ показывает, что это направление эффективно только при транспортировании полезных ископаемых, которые в процессе дальнейшей обработки проходят несколько стадий дробления.

Второе направление заключается в использовании конвейеров специальных типов, обеспечивающих транспортирование рядовой взорванной горной породы из забоя на поверхность и в отвалы практически без ограничения, связанного с наличием весьма крупных кусков.

Для транспорта особо крупнокусковой горной массы (более 500 мм) создан специальный ленточно-тележечный конвейер (КЛТ) на ходовых опорах, принципиальная схема которого предложена в 1964 году чл.-кор. АН СССР А. О. Спиваковским (авторское свидетельство № 166272, Бюллетень изобретений, 1964, №21).

Согласно результатам работы промышленных и опытно-промышленных образцов конвейера можно сделать вывод, что конструкция ленточно-тележечного конвейера доказала свою способность перемещать крупнокусковый скальный груз с размером отдельных кусков до 1000 - 1500 мм и массой до 2 т (в зависимости от ширины ленты). Вместе с этим был выявлен и ряд недостатков в конструкции конвейера, сдерживающих его широкое применение в горнодобывающей промышленности. Одной из основных проблем является загрузка крупных кусков груза на ленточно-тележечный конвейер и последующая его разгрузка. Решение проблемы загрузки делает возможным широкое применение ленточно-тележечных конвейеров в горнодобывающей промышленности для транспортирования крупнокусковых скальных грузов без вторичного дробления при применении поточной и циклично-поточной технологий разработки месторождений.

Проблема загрузки ленточно-тележечного конвейера только в хвостовой его части, где лента до поступления на траверсы может опираться на специальные особо податливые опоры, которые являются довольно надежным поглотителем кинетической энергии падающих кусков груза, предохраняя ленту от повреждений, представляется уже решенной.

Массовый выход из строя опорных элементов конвейера (ходовых опор - тележек с траверсами) при его промышленной эксплуатации в подземных условиях (на Юкспорском руднике), с промежуточной загрузкой на линейной части става, свидетельствует о существенных ошибках, допущенных при расчете и конструировании грузонесущих элементов и загрузочных устройств ленточно-тележечного конвейера. Следовательно, проблема промежуточной загрузки, когда динамическому воздействию грузопотока подвергаются сами траверсы ходовых опор, является еще не решенной. Сложность этой проблемы в основном обуславливается двумя факторами: груз в данном случае выпускается прямо на ленту, движущуюся совместно с ходовыми опорами; загрузка может производиться под углом 90 градусов к продольной оси конвейера и невозможно уменьшить высоту загрузки ниже значений 400 - 500 мм, т. е. имеет место удар крупных кусков по ленте и траверсе ходовой опоры с энергией падения куска, доходящей до 3 - 4 кДж. Поэтому проблема загрузки крупнокусковым грузопотоком ленточно-тележечного конвейера на линейной части его става является актуальной задачей.

Целью работы является определение параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечного конвейера для транспортирования крупнокусковых скальных грузов.

Идея работы заключается в модернизации ходовых опор тележечно-цепного контура ленточно-тележечного конвейера и его загрузочного устройства по условию необходимой прочности грузонесущих элементов при загрузке крупнокусковым грузопотоком.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Установлено, что при загрузке ленточно-тележечного конвейера на лилейной части его става крупными кусками с энергией падения 3-4 кДж необходимое ограничение локализованных вблизи места соударения напряжений и деформаций в ходовой опоре и ленте достигается только при использовании двухступенчатой амортизирующей системы, состоящей из амортизирующего элемента на траверсе ходовой опоры и амортизирующего устройства под направляющими конвейера.

2. Установлено существование оптимальной области значений коэффициента жесткости и относительного демпфирования амортизирующих элементов "второй" ступени, в которой допустимые значения напряжений в траверсе ходовой опоры обеспечиваются при соблюдении условий устойчивого характера колебаний системы.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов л рекомеидапий подтверждаются:

- использованием в качестве базового материала для исследования результатов, полученных при промышленной эксплуатации установок ленточно-тележечного конвейера и экспериментальных исследований ряда авторов;

- использованием в конечноэлементных расчетных моделях основных законов механики;

- использованием в качестве базового инструмента исследования программного обеспечения по МКЭ - MSC\NASTRAN for Windows V 4.5, выпущенного в 1998 год}'.

Научное значение работы состоит в разработке конечноэлементной модели ударного взаимодействия в системе груз - леита - ходовая опора - амортизирующие устройства с учетом связей, обусловленных волновыми процессами в ленточном и тележечно-цепном контурах конвейера.

Практическое значенне работы состоит в предложенной конструктивной схеме загрузочного узла и методике расчета, позволяющей определять прочностные характеристики ходовых опор и оптимальные параметры амортизирующей системы на стадии проектирования конвейера.

Использование результатов диссертационной работы позволяет повысить технико-экономические и эксплуатационные характеристики ленточно-тележечного конвейера для транспортирования крупнокусковых скальных грузов.

Реализация выводов п рекомендаций работы. Предложенная методика расчета параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров для крупнокусковых скальных грузов принята к использованию в Государственном институте горно-химического сырья (ГИГХС).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих научных семинарах:

- МТУ "Неделя Горняка - 2000";

- МТУ "Неделя Горняка - 1999".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 60 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 86 наименований.

Автор выражает благодарность сотрудникам постоянного представительства фирмы MSC.Software в СНГ за научно-методическую помощь при проведении исследований,

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ленгочно-тележечный конвейер, предложенный в 1964 году А.О. Спиваковским, относится к группе специальных конструкций ленточных конвейеров для транспортирования крупнокусковых скальных грузов. Основы расчета параметров ленточно-тележечных конвейеров, а также результаты экспериментальных исследований даны в работах чл. корр. АН СССР проф. Спиваковского А. О., проф. Дьякова В. А., проф. Пухова Ю. С., проф. Андреева А. В., проф. Калыпщкого Я. Б., проф. Дмитриева В. Г., доц. Запешша К. В., кандидатов технических наук Тимченко А. И., Городецкого А. В., Прыгова Н. М., Ле Ба Тоона, Мулухова К. К. и других.

В силу специфичности конструкции по своим рабочим характеристикам этот конвейер существенно отличается от обычных ленточных прежде всего по максимально допустимому размеру транспортируемого куска (практически до 1200 - 1500 мм в одном измерении). Другой принципиальной особенностью ленточно-тележечного конвейера является наличие фрикционной связи между двумя замкнутыми контурами (ленточным и тележечно-цепным).

Как показал обзор литературы, достаточно широко описаны общие методы расчета основных параметров конвейера с учетом крупнокусковости транспортируемого груза (производительность, тяговый расчет, расчет на отсутствие полного проскальзывания ленты по траверсам, расчеты по определению экономических показателей работы ленточно-тележечного конвейера и др.). Однако практически отсутствуют работы, посвященные расчету параметров загрузочных устройств ленточно-тележечных конвейеров.

Кроме расчета и исследования основных рабочих параметров ленточно-тележечного конвейера опубликован целый ряд технических предложений, направленных на модернизацию его конструкции. Эти предложения можно разделить на три группы: предложения по уменьшению общей массы и габаритов линейной части конвейера, предложения по расширению области применения ленточно-тележечного конвейера (создание конструктивных разновидностей) и предложения по модернизации конструкции ходовой опоры с целью снижения динамических нагрузок на грузонесущие элементы конвейера.

Несмотря на многообразие предложенных вариантов модернизации ленточно-тележечного конвейера, "в металле" была воплощена лишь малая часть из них (был создан ленточно-канатный конвейер, на промышленной установке ленточно-тележечного конвейера Юкспорского рудника на траверсах тележек были установлены

сферические резиновые амортизаторы, был также изготовлен и опытный образец изгибающегося в плане конвейера). Поэтому конструкция ленточно-тележечного конвейера с двумя соединительными цепями представляется базовой, как доказавшая свою способность транспортировать крупнокусковый груз с размерами отдельных кусков до 1000 - 1200 мм при промышленных испытаниях. Следовательно, имеется необходимость в доработке именно этого варианта ленточно-тележечного конвейера для транспортировки крупнокусковых скальных грузов.

Решение проблемы загрузки ленточно-тележечного конвейера кругшокусковым грузом может быть осуществлено с помощью введения в его конструкцию дополнительных амортизирующих узлов, снижающих динамическое воздействие крупных кусков на грузонесущие элемент конвейера в загрузочном пункте. Согласно проведенному анализу конструкций таких амортизирующих элементов все типы конструкций условно можно разделить на амортизаторы "первой" ступени (амортизирующие узлы, устанавливаемые на траверсу ходовой опоры под лентой) и амортизаторы "второй" ступени (амортизирующие элементы, устанавливаемые под направляющими ходовых опор). При этом амортизаторы "первой" и "второй" ступеней могут устанавливаться как раздельно, гак и вместе. Для определения параметров такой амортизирующей системы и оценки величин динамических напряжений и деформаций, возникающих в грузонесущих элементах ленточно-тележечного конвейера, необходимо исследовать процесс соударения падающего тела большой массы и сложной упругой системы его опорных элементов.

Задача о расчете конструкций на ударную на1рузку содержит в себе много трудностей, которые далеко не всегда могут быть преодолены с помощью простейших методов. К этим затруднениям, в первую очередь, относится анализ динамического напряженного состояния в зоне контакта соударяющихся тел и процесса изменения контактных сил во времени. Большие сложности вызывает необходимость учета при ударах дополнительных степеней свободы упругих тел, влиянием которых при других видах нагружения можно было бы пренебречь. Существенную роль в процессе удара играет трудно поддающийся анализу фактор рассеяния энергии.

Анализ состояния вопроса исследования позволяет сделать следующие выводы:

1. Одной из основных проблем, сдерживающих широкое применение ленточно-тележечного конвейера в горной промышленности, является проблема его загрузки крупнокусковым грузопотоком, включающим отдельные куски с максимальным размером до 80 % от ширины ленты конвейера, в промежуточных пунктах, расположенных на линейной части става.

2. Для решения задачи загрузки крупнокускового грузопотока на ленточно-тележечный конвейер необходимо рассмотреть расчетные схемы, отображающие процесс удара падающего тела по сложной упругой системе, находящейся в движении.

3. Одним из наиболее современных н точных инструментов для исследования динамических явлений в механике является метод конечных элементов. Поэтом)'

способом исследования динамических процессов, сопровождающих погрузку крупнокускового скального груза на ленточно-тележечный конвейер, выбран метод конечных элементов, воплощенный в системе (программе) MSC/NASTRAN for Windows.

4. Базовыми данными для расчета основных характеристик ленточно-тележечного конвейера являются кумулятивные кривые, по которым оцениваются размеры кусков и форма их контактной поверхности, а также процентное содержание фракций в грузопотоке.

5. При работе на поперечное сдавливание (пробой) конвейерную ленту можно представить как однородное тело с приведенным модулем упругости и коэффициентом Пуассона, подсчитанными по соответствующим выражениям.

Эти выводы позволили охарактеризовать цель настоящей работы как определение параметров амортизирующей системы ходовых опор при загрузке леиточно-тележечного конвейера на линейной части его става крупнокусковым грузопотоком. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи, которые условно можно разбить на четыре основных шага (этапа):

1. Определить величины общих напряжений и прогибов траверс ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров, прошедших промышленные испытания, и выявить причины выхода из строя ходовых опор. Кроме того, определить наиболее рациональные форму и размеры сечений траверс по условию минимизации динамических напряжений, возникающих от действия ударов кусков груза.

2. Определить величины местных (локализованных вблизи от места соударения) и общих напряжений и деформаций в траверсе ходовой опоры в зависимости от массы загружаемых кусков груза, с учетом их размеров и упругих свойств.

3. Определить величины местных и общих напряжений и деформаций в траверсе с резиновыми амортизирующими элементами (амортизирующие элементы "первой" ступени) и конвейерной леще в зависимости от места падения кусков груза с учетом скорости движения ленты (косой удар) и формы кусков.

4. Определить оптимальные значения параметров амортизирующих устройств, устанавливаемых под направляющими конвейера (амортизирующие элементы "второй" ступени), обеспечивающие допустимые значения местных и общих напряжений в траверсе и конвейерной ленте при соблюдении устойчивого характера колебаний системы с учетом волновых процессов, возникающих в ленточном и тележечно-цепном контурах конвейера.

Для решения сложных комплексных задач механики МКЭ целесообразно строить расчетные схемы по принципу перехода от простого к сложному, т. е., применительно к данному исследованию, первой была рассмотрена довольно простая модель, аналог которой может быть легко рассчитан с помощью аналитических методов (например, метод Кокса) для сравнения значений получаемых результатов. Далее выполнялось постепенное усложнение моделей, в соответствии с принимаемыми допущениями и

характером поставленных задач на каждом таге исследования, при этом сравнение результатов, получаемых на разных шагах исследования (на разных по сложности моделях), является логической базой, связывающей простые и более сложные модели.

Для получения результатов (необходимых механических характеристик исследуемых объектов) первоначально строится математическая модель всей совокупности конечных элементов расчетной модели по принципу возможных перемещений, который является основой МКЭ. Математическая модель в МКЭ представляется совокупностью уравнений равновесия системы конечных элементов в матричной форме, находящейся в состоянии движения:

где {Щ, [В] и [К] - соответствишо матрицы масс, демпфирования и жесткости системы

конечных элементов модели; * соответственно векторы ее узловых

ускорений, скоростей и перемещений; P[f] - вектор внешней нагрузки, действующей на модель. На практике матрицы конечных элементов вычисляются в компактном виде, т. е. их порядок равен числу степеней свободы элемента.

Матрица масс модели:

М^ЙДДА. (2)

PI '.'(;»)

где р и V - соответственно плотность и объем всех тел, входящих в модель; Нт(т) и Н (т) - транспошфованная и не транспонированная матрицы преобразования перемещений узлов и элементов для т-го элемента модели; т - количество элементов модели.

Матрица демпфирования модели:

[*] = ! О)

где Р(т) - коэффициент демпфирования m-го элемента.

Матрица жесткости модели:

(4)

» Vim)

где В{т),В*т) - не транспошфованная и транспонированная матрицы преобразования деформаций и напряжений т-го элемента модели; С(я) - матрица

упругости т-то элемента.

Вектор нагрузки включает в себя влияние многих факторов, а именно:

РЩ = Рр\А + Ps[t} - P,[t] + РсМ , (5)

где Рц\ г]; /jW; P{i\ и Pc[t} - векторы составляющих (соответственно от объемных сил, поверхностных нагрузок, эффекта начальных напряжений и сосредоточенных

внешних сил, приложенных в узлах модели) внешней нагрузки на всю модель. Эти величины выражаются следующими формулами:

1ни,Ж>; (6)

«

P,[t] = I ¡H'Uf^dS^ ; (7)

^И -1 ; (8)

(9)

где - объемные силы и поверхностные нагрузки, которые действуют на

;и-й элемент модели; т'(т) - начальные напряжения, которые испытывает т-й элемент модели; F-, - приведенная сосредоточенная сила, действующая на 2-й узел модели.

С математической точки зрения система уравнений равновесия системы (1) при динамическом анализе с известными начальными условиями представляет из себя систему линейных дифференциальных уравнений в матричной форме второго порядка, и в принципе сс решение может быть получено с помощью стандартных процедур решения дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, которые описаны в соответствующей литературе. В программе MSC/NASTRAN for Windows реализован алгоритм прямого численного интегрирования методом Ныомарка.

Для решения задач первого шага достаточно рассмотреть линейную расчетную модель, состоящую из балочных конечных элементов, представляющих траверсу ходовой опоры, опертую по концам, и точечной массы, прикрепленной к серединному узлу траверсы и нагруженной начальной скоростью в вертикальном направлении (моделирующей падающий кусок груза). Конструктивные и прочностные характеристики траверсы ходовой опоры конвейера брались согласно характеристикам промышленного аналога - KJ1T-120. Характеристики куска груза были взяты исходя из условия вместимости ленты, т. е. максимальный размер куска акмах = 0,8 • В « 1000 мм; масса куска Мк = 770 кг. При падении с высоты 400 мм (определяемой конструкцией загрузочного узла ленточно-тележечного конвейера) груз имеет вертикальную скорость 2,8 м/с. Внутреннее трение в упругой системе учитывалось путем введения в расчетную модель коэффициента гистерсзисных потерь системы цг - 0,02. При расчетах принималось допущение, что материалы всех опорных элементов конвейера -изотропные и постоянно работают в упругой зоне нагружения, т. е. проверка выхода значений динамических напряжений за предел текучести материала (отказ какого-либо элемента) выполняется при визуальном сравнении получаемых величин динамических напряжений моделей со значениями предела текучести для разных конструкциошшх материалов.

Результаты решения линейной расчетной модели при помощи системы

MSC/NASTRAN for Windows показали, что общие изгибные динамические напряжения в траверсе ходовой опоры промышленного образца конвейера KJ1T-120 имеют более чем десятикратное превышение значений над пределом текучести конструкционных сталей (например, стали Ст. 3), которое должно быть устранено.

Для выявления резервов снижения динамических напряжений за счет рационализации формы поперечного сечения траверсы решались следующие задачи:

- при неизменных внешних размерах и массе сечения варьируются различные типы форм сечения траверсы;

- при неизменной форме увеличиваются только внешние размеры сечения.

Для решения первой задачи были предложены несколько форм поперечного сечения с соблюдением исходных внешних размеров и массы базового сечения (квадратная труба 70 х 70, толщина стенки 5 = 4 мм). Итоговые результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

Форма и размеры сечения, мм W сечения, м3 I сечения, и4 Прогиб балки, м Напряжения в балке, МПа

Труба круглая I) = 70 мм, й ~ 2,44 мм 7,11Е-05 2,49Е-06 0,0173 2 575

Труба шестигранная Ам=70 мм, ¿/=2,6 мм 5,97Е-05 2.09Е-06 0,0188 2 469

Двутавр 70x70 мм, 6- 5,3мм 2,48Е-05 8,70Е-07 0,0290 2 296

Труба квадратная 70x70 мм, ¿=4 мм 2,19Е-05 7,69Е-07 0,0300 2 394

Труба трапециевидная = 70 мм, с1 = 5 мм 1.54Е-05 5,40Е-07 0,0361 3 781

Тавр 70x70 мм, й - 8 мм 6,57Е-06 2,30Е-07 0,0383 4 503

По этим данным были построены графики, показывающие практически прямую пропорциональность величин прогибов балок в зависимости от их моментов инерции сечений. Однако некоторые значения динамических изгибных напряжений оказываются большими в сечениях с ббльшим V/, чем в сечениях с меньшим (так, например, значения напряжений для круглого и шестигранного сечения больше, чем для квадратного и двутаврового, хотя моменты сопротивления сечений у первых больше, чем у вторых). По этим результатам можно сделать вывод, что наиболее рациональными являются значения V/, соответствующие квадратному и двутавровому сечениям. С конструктивной точки зрения предпочтение следует отдать квадратному сечению, которое и использовалось в промышленном образце конвейера.

Результаты вариации размеров и массы сечения траверсы представлены в таблице 2.

Таблица 2

Форма и размеры сечения, мм сечения, м3 т 4 I сечения, м Прогиб балки, м Напряжения в балке, МПа Масса, кг

Труба квадратная 300x300 мм, 3.= 140 мм 4,49Е-03 6,74Е-04 0,000948 282,0 701,0

Труба квадратная 200x200 мм, </= 69 мм 1.31Е-03 1.31Е-04 0,002230 491,0 281,0

Труба квадратная 100x100 мм,й?= 19 мм 1.42Е-04 7,10Е-06 0,009740 1 116,0 48,2

Труба квадратная 70x70 мм, й = 4 мм 2Д9Е-05 7,69Е-07 0,030000 2 394,0 8,3

Приведенные результаты показывают', что существенного снижения напряжений можно достичь только при резком увеличении размеров и массы траверсы. Динамические напряжения имеют величину, сравнимую с пределом текучести материала (например, сталь СтЗ), в случае, когда масса балки становится примерно равной массе падающего груза (770 кг), т. с. при десятикратном снижении величин динамических напряжений происходит почти стократное увеличение массы траверсы. Следовательно, этот вариант снижения динамических напряжений также является бесперспективным. Однако представляется допустимым некоторое увеличение массы и момента сопротивления средней части траверсы для лучшего рассеяния пиковых изгибных динамических напряжений, например, предлагается увеличить толщину стенки средней части траверсы. Согласно результатам первого шага исследований был сделан вывод, что необходимо искать другие способы рассеяния избыточной кинетической энергии падепия куска груза.

Для решения задач второго шага исследований необходимо перейти от рассмотрения линейной балочной модели траверсы к объемной, способной дать более объективную картину о происходящих динамических процессах с учетом местных, контактных напряжений и деформаций в ленте и траверсе.

При переходе от рассмотрения задачи в "плоской" постановке к объемной получена модель, приведенная на рис. 1. В объемной постановке задачи моделируется только половина опорной конструкции конвейера (модели удара куска о траверсу ходовой опоры) в силу симметричности задачи относительно места приложения нагрузки, а отброшенная часть при этом заменяется соответствующими граничными условиями. По результатам первого шага исследований продольное сечение балки изменено на ступенчатое.

VI 12 С1

скорости

Рис. 1. Объемная модель для исследования удара куска груза по ходовой опоре с

В этой модели траверса представляется оболочечными элементами, формирующими ее четыре грани. Лента и падающей кусок груза моделируются с помощью объемных элементов, представляющих изотропное тело с определенными механическими характеристиками. Механические характеристики резинотканевой конвейерной ленты были предварительно рассчитаны по известной методике и составляют: при г = 10, А, - 25,3 мм и Ер = 6,0 МПа, Ед = 18,27 МПа, ц, - 0,47. Кроме того, для ленты был отдельно задан коэффициент гистерезисных потерь ц/д = 0,4.

Размеры, форма и механические характеристики куска груза были заданы на основании предыдущих исследований: уц = 3,5 т/м3, Ек = 2 х Ю10 Па, ¡лк = 0,2, акмат = 0,8 • В = 1000 мм, %к = 0,22 и соотношение сторон 1 х 0,7 х 0,48; форма куска аппроксимировалась трехосным эллипсоидом вращения, при этом его контактная поверхность - область с наименьшими радиусами закругления. Местные выступы имеют следующие характеристики: диаметр с1к = 0,02 м, угол заострения ак = я/2 рад (для пород крепостью /< 12).

Для изучения характера изменения динамических напряжений и деформаций при изменении массы кусков был рассмотрен следующий массив решений: на базе предыдущих исследований других авторов выбран наиболее типичный крупнокусковый грузопоток скального груза; затем интервал максимальных значений размеров кусков от 1000 мм до 300 мм был разбит с шагом по 100 мм, и рассматривались следующие восемь вариантов ударов кусков (таблица 3) (при этом фракции 0 - 300 мм считались мелкокусковой составляющей грузопотока); для каждого размера куска строилась своя

траверсой ступенчатого сечения

п

расчетная схема (изменялись масса куска груза и радиус кривизны его контактной поверхности).

Таблица 3

Макс, размер куска, м Масса куска, кг Отношение сторон куска, м

1,0 770 1,0x0,7x0,48

0,9 561 0,9 х 0,63 х 0,43

0,8 394 0,8x0,56x0,38

0,7 264 0,7 х 0,49 х 0,33

0,6 166 0,6x0,42x0,28

0,5 96 0,5 х 0,35 х 0,24

0,4 49 0,4x0,28x0,19

0,3 20 0,3x0,21x0,14

Исходя го того, что в случае взаимодействия куска груза с траверсой ходовой опоры конвейера последняя испытывает сложное напряженное состоя1ше, фиксируемые величины напряжений рассчитывались по 4-й теории прочности (эквивалентные напряжения по Ван Мизесу).

По результатам расчета этого шага исследования построены итоговые зависимости (рис. 2).

- №сса, кг

в— Контактные

- Энергия

800 900 1000 Размер кусков, мм

Рис. 2. Графики изменения контактных и общих изгибных динамических напряжений в траверсе ходовой опоры, массы и энергии падения кусков груза от их размеров

Также были построены и другие зависимости, показывающие характер изменения величин максимальных динамических напряжений, деформаций ленты и прогибов траверсы от изменения размера куска.

Кривые напряжений (рис. 2) имеют определяющее значение и показывают вероятную область применения ленточно-тележечного конвейера но условию загрузки

крупнокусковой горкой массы по длине става без установки дополнительных амортизирующих элементов, т. е. показывают, при каком заданном гранулометрическом составе можно обеспечить нормальную работу конвейера с помощью только подбора материала траверсы (его гтт).

Скорость груза при решении задач третьего шага состоит из двух составляющих: вертикальной - от скорости падения куска ( =2,8 м/с) и горизонтальной - от скорости движения ленты конвейера ( «1 м/с).

При таком представлении скорости падення груза возможны разные варианты его падения на траверсу. На базе трех наиболее критических вариантов строилось дальнейшее исследование на данном шаге. Вариант а - падение куска вертикально вниз на середину траверсы (аналогичен модели, рассмотренной на предыдущем шаге). Вариант б (падение перед траверсой) - вектор скорости куска направлен на ближний угол траверсы. Вариант в (падение на середину траверсы) - вектор скорости куска направлен на середину верхней грани траверсы. Вариант г (падение за траверсой) -вектор скорости куска направлен на дальний угол траверсы. Кроме того, рассмотрен вариант вертикального падения куска груза с местным выступом (рис. 3).

Новой составляющей, введенной в модель, является сферический резиновый амортизатор, закрепленный непосредственно на траверсе и выполняющий роль амортизирующего элемента "первой" ступени. Материал этого амортизатора изотропный - резина (£„.„= 10 МПа, /лач - 0,49, = 0,3).

VI

и

С1

резндавыи амортизатор "первой" СТ}ТКНИ

Рис. 3. Объемная модель для исследования удара куска груза с местным выступом по ходовой опоре, оборудованной сферическим резиновым амортизатором

Полученные результаты на данном шаге исследования (таблица 4) позволили определить базовый вариант для дальнейшего исследования - вертикальное падение куска, т. е. без учета скорости ленты. За счет полученных коэффициентов снижения и увеличения напряжений и деформаций упругой системы конвейера в зависимости от разных вариантов падения куска груза на траверсу с учетом скорости ленты можно после рассмотрения только базового варианта сразу перейти к любому критическому варианту падения куска.

Таблица 4

Исследуемый вариант падения груза Перемещения балки, м (хб) Напряжения, МПа Деформ. в ленте (£д.К011Т.)

контакта, в балке (сгб.копт.) в балке общие (Об.оВщ.) в ленте (Фл.конт)

Без учета скорости ленты (вертикальный) 0,0126 718,2 668,1 7,59 0,420

Падение куска перед опорой 0,0145 793,2 816,4 7,96 0,440

Падение куска на середину опоры 0,0129 735,9 687,1 7,71 0,423

Падение куска за опорой 0,0124 688,9 672,4 7,43 0,410

Падение куска с местным выступом 0,0118 660,4 614,5 17,5 0,942

Установлено, что максимальные величины напряжений, действующих в траверсе ходовой опоры конвейера, даже при самой благоприятной схеме нагружения имеют значения, превышающие предел текучести для некоторых конструкционных сталей. Кроме того, при падении куска с выступом па траверсу ходовой опоры основное влияние на пробой ленты оказывает не форма пика выступа, а его общая высота по отношению к телу куска груза. Поэтому при ударе крупного куска с местным выступом по траверсе, которая оборудована только амортизирующими элементами "первой" ступени, обязательно произойдет пробой ленты конвейера, в то время как траверса ходовой опоры может остаться без повреждений при соответствующем подборе материала для ее изготовления. На основании этого был сделан вывод о необходимости установки амортизирующих элементов "второй" ступени под направляющими ходовых опор в местах загрузки.

Для решения задач четвертого шага рассматривалась конструкция промежуточного загрузочного пункта ленточно-тележечного конвейера с амортизирующими элементами "второй" ступени (рис. 4).

А-Л

Рис. 4, Конструкция промежуточного загрузочного пункта ленточно-тележечного конвейера с амортизирующими элементами "второй" ступени (для конвейера КЛТ-120): 1 - траверса ходовой опоры; 2 - амортизирующий элемент; 3 - амортизированные направляющие тележек; 4 - лента

В предложенной конструкции под направляющими конвейера устанавливаются упруго-вязкие амортизирующие элементы (вторая ступень амортизации). Исходя из условий работы промышленных аналогов ленточно-тележечного конвейера можпо сформулировать следующие требования, которым должна удовлетворять конструкция загрузочного пункта:

- амортизаторы второй ступени должны поглощать максимальное количество кинетической энергии при минимальных динамических напряжениях, возникающих в траверсе ходовой опоры, и наименьшей величине их прогиба;

- к моменту подхода следующей ходовой опоры амортизирующие направляющие должны быть в исходном состоянии (т. е. не иметь никакого прогиба), причем возвращение направляющих в исходное состояние должно происходить без дополнительных резких ударов;

- амортизаторы погрузочного пункта должны включаться в работу только при падении относительно больших кусков, величина кинетической энергии которых требует дополнительного рассеивания.

При переходе к расчету конструкции загрузочного пункта с амортизирующими элементами "второй" ступени для определения оптимальных значений их жесткости и демпфирования составлена расчетная схема, приведенная на рис. 5.

Рис. 5. Расчетная схема промежуточного загрузочного пункта

Исходя из того, что за все время соударения (примерно 0,1 - 0,2 с) ленточный, тележечно-цеиной контуры, а также груз движутся без проскальзывания, при построении этой модели было принято допущение, согласно которому их можно рассматривать совместно как единый стержень с соответствующими механическими характеристиками (грузонесущий контур конвейера). Вертикальному перемещению тележки, на которую упал кусок, кроме амортизаторов "второй" ступени будут препятствовать начальное статическое натяжение в грузонесущем контуре (Бст) и динамическое натяжение, обусловленное продольными волнами упругой деформации

ЫФ-

Из теории гибких нитей известно, что при малых прогибах под действием сосредоточенной силы Р, приложенной в середине пролета длиной Ь (равной удвоенному шагу между траверсами), отношение этой силы к прогибу можно выразить как:

Р ?. ^

/ ь

где Ск - коэффициент жесткости условной вертикальной пружины, моделирующей влияние начального натяжения грузонесущего контура конвейера на вертикальное перемещение тележки под действием куска груза.

Используя метод суперпозиции волн, влшише динамических натяжений в грузонесущем контуре, обусловленных продольными волнами упругой деформации при ударе, моделируется с помощью введения в расчетную схему двух горизонтальных элементов демпфирования рф и и горизонтальных динамических внешних сил и

Элементы демпфирован™ Др и р„ор моделируют прямые волны упругой

деформации на основании известного из теории продольных колебаний стержней положения, что

а

где -Щ- р = 2 (Н-с/м) - волновое сопротивление распространению упругой волны

д* г / ч

в твердом теле; — (м/с) - скорость относительного смещения сечения грузонесущего а

контура конвейера. Волновое сопротивление (имеющее размерность демпфирования) определялось как величина коэффициента вязкого демпфирования, приведенного к продольной оси конвейера:

Др = • р, ; (12)

л1Е„е,ч -Рг > (13)

где Еобщ, р) и р2 - приведенные жесткость ленточного и тележечно-цепного контура и их линейная плотность на груженом и порожнем участках соответственно:

Есбщ = 2ЕЦ + Е, ; (14)

р, = 2р„ + рл + ргр, (15)

р2^2рч + р„ (16) Еч и Ел - продольные жесткости цепей и ленты конвейера; рч, р, и р,р - линейные массы цепей, ленты и груза.

Горизонтальные силы и моделируют отраженные и преломленные волны от границ груженой и порожней ветвей грузонесущего контура. Функции изменения этих сил во времени (0 и $д2 (ф задавались исходя из того, что в начальный период волнового процесса они равны нулю. С некоторым запаздыванием во времени (которое определяется после построения сетки волнового процесса) приходящие к загрузочному пункту отраженные и преломленные волны (их текущие значения) повторяют прямые волны с учетом коэффициентов отражения и преломления. Поэтому в программе предусматривалась запись значений динамических сил в горизонтальных демпфирующих элементах (запись усилий от прямых волн), которые использовались в дельнейшем для задания (I) и 0).

В расчетную схему (рис. 5) введены также статические внешние силы, моделирующие усилие начальной затяжки амортизаторов (/•"„), которое было принято на уровне силы тяжести тел, участвующих в колебательном процессе системы, что, как показали исследования, необходимо для обеспечения нормальной работы всего загрузочного пункта.

Для определения оптимальных значений область варьирования параметров упруго-вязких амортизирующих элементов (т. е. значения коэффициентов жесткости и демпфирования) была ограничена с одной стороны минимально допустимым значением

коэффициента жесткости С„„„ и соответствующим ему значением критического коэффициента демпфирования Д,,„. Значение СМ1„ определялось исходя из выражения:

2-Т

Ст1„ (17)

X

у.талг

т. е. из условия поглощения всей кинетической энергии падения куска груза (Тта х 4 кДж) только жесткостными элементами без учета демпфирующих элементов. При этом условии величина прогиба амортизаторов (условный прогиб амортизаторов) принимается, исходя из конструктивных размеров поперечного сечения ленточно-тележечного конвейера, равной ху, тал = 200 мм, при котором грузовая и порожняя ветви не касаются друг друга при поступательном перемещении подвижной направляющей грузовой ветви под действием падающего куска груза.

Критическая величина коэффициента демпфирования, при которой будет только одно полуколебание системы, определялась как

где Мойщ - общая масса тел, участвующих в колебательном процессе.

Мобщ=Мк + Мт + 2-Мпр, (19)

Мк , Мт и Мщ, - массы соответственно куска груза, траверсы ходовой опоры и участка лепты между траверсами, опорных роликов и приведенная масса амортизирующих направляющих.

С другой стороны область варьирования параметров ограничивалась максимальными значениями коэффициентов демпфирования и жесткости амортизаторов "второй" ступени, которые определялись при минимальном значении их хода, т. е. примерно равным величине прогиба балки при ударе без амортизаторов "второй" ступени {ху.тт = 25 мм).

Определение оптимальных значений параметров амортизирующих опор пункта загрузки ленточно-тележечного конвейера проводилось на основании исследований поглощающих аппаратов ударно-сцепных устройств вагонов.

Как известно, определяющим критерием в оценке качества поглощающего аппарата является коэффициент полноты силовой характеристики (Я), который показывает, во сколько раз площадь дашюй характеристики отличается от площади прямоугольника со сторонами, равными наибольшим значениям хода амортизаторов и силы сжатия аппарата:

X

|Р(х,х)ск

Я = ---= - , (20)

г * X г ' X

шах тих тах тих

где Э - энергоемкость аппарата; Р(х,х) - силовая характеристика. Чем больше значения этого коэффициента, тем больше энергии способен поглотить аппарат, а следовательно, тем ниже будут максимальные усилия при равных наибольших энергиях удара и одинаковом заданном ходе.

Силовая характеристика в процессе восстановления аппарата (обратный ход) позволяет оценить величину коэффициеота необратимого поглощения энергии rj, определяемого выраженным в процентах отношением необратимо поглощенной энергии АЭ к энергии Э, воспринятой при прямом ходе. Количество необратимо поглощенной энергии влияет на характер движения всей исследуемой системы при ударе куска груза по траверсе ходовой опоры конвейера, определяя, произойдет ли отрыв куска при восстановлении амортизаторов или нет.

Область значений условного хода амортизаторов (ху т - 25 - 200 мм) была разбита дискретно на несколько частей и но каждому дискретному значению было рассчитано значение критического коэффициента демпфирования и проведены необходимые расчеты МКЭ объемной модели соударяющихся тел (рис. 3), объединенной с моделью загрузочного устройства (рис. 5), по двум вариантам для каждого значения хуам: при ^ал1= 0 и Д,.

Результаты моделирования показали, что наиболее благоприятные значения жесткости амортизаторов, с точки зрения наименьших величин динамических напряжений в траверсе ходовой опоры и хода амортизаторов, наблюдаются при значениях, соответствующих ху ам = 60 - 80 мм с учетом усилия начальной затяжки амортизаторов. При х>,а„>80 мм не наблюдалось существенного снижения динамических напряжений.

Далее определялись оптимальные значения коэффициента демпфирования для получения максимальной эффективности поглощающего аппарата амортизирующих опор конвейера второй ступени. В теории колебаний механических систем с демпфированием считается, что при значениях р > ДР система является передемпфированной. Поэтому в данном случае представляется маловероятным нахождение оптимальных значений Д в этой области. Исходя из этого, варьируемые значения коэффициентов демпфирования были приняты в интервале Д = 0 - Др.

Полученный интервал значений Д был дискретно разбит на несколько частей, и рассчитаны значения коэффициентов относительного демпфирования (Д / ДД По каждому значению коэффициента относительного демпфирования рассчитывалась модель МКЭ и по результатам расчета строились функции силовой характеристики амортизаторов "второй" ступени. Полученные после обработки всего массива решений основные показатели, необходимые для определения оптимального значения коэффициентов демпфирования, сведены в таблицу 5, по которой построены графики рис. 6-8.

Отношение №Р Напряжен, в балке, МПа Прогиб аморт., мм Суммарн. реакция аморт., H Энергия, воспр. при прямом ходе, Дж Энергия, сообвд. при обратном ходе, Дж Общая площадь Ртах "Хтах) Дж Полнота характ. П Коэф. поглощ. энергии, %

0 137,40 41,10 33 532 785,80 763,80 1 378,17 0,57 2,80

0,20 154,80 33,90 30 390 818,80 667,80 1 030,22 0,79 18,44

0,40 195,40 28,50 33 482 832,60 558,00 954,24 0,87 32,98

0,60 187,90 24,40 36 769 772,50 533,10 897,16 0,86 30,99

0,80 186,90 23,00 42 647 805,80 457,90 980,88 0,82 43,17

1,00 199,00 20,20 46 836 745,40 376,60 946,09 0,79 49,48

Характер изменения функции зависимости коэффициента полноты силовой характеристики от относительного демпфирования (рис. 6) однозначно указывает на то, что наибольшие значения по оси ординат зафиксированы при р!ргр = 0,4 - 0,8.

§ 0,80

г;

§ . 0,60

О И

1& а«

о х

^ О.25

■9-

& 0,00

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 09 1 1,1 Оша-ие [У(!ф

Рис. 6. Зависимость изменения коэффициента полноты силовой характеристики от коэффициента относительного демпфирования

Функция зависимости коэффициента поглощения энергии от величины относительного демпфирования (рис. 7) свидетельствует о том, что максимальные значения коэффициента поглощения имеют место при = 0,8 - 1,0. Однако в шггервале значений 0,6 - 0,8 также имеем довольно высокий коэффициент поглощения (//=30-40%).

и—== 1--' -- --

—

. _ -- —

-

----

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 09 1 1, Оша-ns Min

J____ 1

----- 1 1

---

--

„—

-- -------- --

<-

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Отношение ¡У$хр

Рис. 7. Зависимость изменения коэффициента поглощения энергии от коэффициента относительного демпфирования

Важнейшим показателем, по которому следует выбирать оптимальное значение демпфирования, является зависимость величины динамических напряжений в траверсе ходовой опоры от величины относительного демпфирования (рис. 8).

200 00

175,00

с

5 150,00

с СО 125,00

Ю ш 100,00

я

X 75,00

I 50,00

сх

(6 25,00

Г

0,00

: О"' --- ---------

^ I -----

" ! I ( ---------

I -

---- ---- |

!

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,3 1 Отношение р/(3кр

Рис. 8. Зависимость величины динамических напряжений в траверсе от величины относительного демпфирования

Характер этой кривой свидетельствует о том, что минимальные динамические напряжения, возникающие в траверсе при ударе куска груза, обнаруживаются в двух областях значений ¡Иркр =0-0,2 и 0,6 - 0,8. Однако и в других областях коэффициентов относительного демпфирования имеем напряжения, значительно сниженные (более чем в 10 раз) по сравнению с изгибными напряжениями, полученными при рассмотрении линейной балочной модели на начальном этапе исследования.

На основании анализа всех полученных зависимостей можно сделать вывод, что наиболее предпочтительные значения коэффициента относительного демпфирования находятся в интервале Рфкр ~ 0,6 - 0,8.

Таким образом, при помощи полученных результатов есть возможность спроектировать поглощающий аппарат "второй" ступени, который в совокупности с амортизаторами "первой" ступени позволяет добиться значительного снижения как местных, так и общих динамических напряжений и деформаций в траверсе и ленте: при изготовлении траверсы ходовой опоры из стали Ст 3 получаем необходимую величину коэффициента запаса по пределу текучести и также необходимую величину

коэффициента запаса по критическим напряжениям сжатия ленты. Кроме того, при полученных характеристиках поглощающего аппарата удовлетворяются требования, предъявляемые к промежуточному загрузочному пункту ленточно-тележечного конвейера, т. е. данная амортизирующая система возвращается в исходное положение плавно, без резких ударов, обеспечивая при этом полное время полуколебания системы намного меньшее, чем время подхода следующей траверсы, что гарантирует готовность амортизаторов к новому удару; благодаря определенному усилию начальной затяжки амортизаторов достигается эффект выключения амортизаторов "второй" ступени для мелких кусков грузопотока и их работы только при падении больших кусков.

Была также установлена степень влияния волновых процессов в грузонесущем контуре ленточно-тележечного конвейера на удар куска груза по траверсе ходовой опоры. Для этого была выбрана расчетная модель с оптимальными значениями Сю, р1ркр и начальной затяжкой, а затем из нее были удалены внешние силы Бщ и $¿2, моделирующие действие отраженных и преломленных волн в замкнутом грузонесущем контуре; после этого из модели были вообще удалены элементы демпфирования (горизонтальные элементы Дш;, и Д,р) и жесткости (вертикальные элементы С*), отражающие воздействие на удар прямых волн продольных деформаций и усилий. Полученные результаты показали, что учет как прямых, так отраженных и преломленных волн не оказывает значительного влияния на динамическое взаимодействие куска груза и ходовой опоры конвейера при его длине 50 • 100 м. Следовательно, в инженерных расчетах процесса загрузки ленточно-тележечного конвейера в пунктах, расположенных на линейной части его става, вполне допустимо не учитывать влияние грузонесущего контура на характер соударения кусков груза с ходовыми опорами при длинах конвейеров более 50 м, прогибе амортизаторов до 25 - 30 мм и шаге установки ходовых опор от 1,4 м и выше.

Таким образом, на основании исследований доказана работоспособность промежуточного загрузочного пункта ленточно-тележечного конвейера и предложена методика расчета основных параметров амортизирующей системы ходовых опор, согласно которой коэффициент готовности конвейера по условию загрузки крупнокускового грузопотока может быть доведен до необходимой величины при помощи введения в конструкцию промежуточного загрузочного пункта конвейера дополнительных амортизирующих элементов в зависимости от характеристик грузопотока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований дано решение актуальной научной задачи разработки амортизирующей системы в условиях загрузки ленточно-тележечного конвейера на линейной части его става крупнокусковым грузопотоком, которая в течение многих лет сдерживала его широкое применение в горнодобывающей промышленности.

Выполненные в работе исследования позволили сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Основной причиной выхода из строя ходовых опор промышленных образцов ленточно-тележечного конвейера является значительное превосходство величины общих изгибных динамических напряжений в траверсах, возникающих при ударах крунных кусков, по сравнению с пределами текучести основных типов конструкционных сталей, применяемых в машиностроении для подобных изделий.

2. Изменение размеров и формы поперечного сечения траверсы ходовой опоры ленточно-тележечного конвейера не дает заметного снижения пика общих динамических напряжений без резкого увеличения массы траверсы. Однако незначительное усиление ее средней части может быть рекомендовано для рассеивания динамических напряжений по всей траверсе.

3. При выполнении конструкции ленточно-тележечного конвейера без установки амортизирующих элементов его область применения по крупности загружаемых кусков груза рекомендуется определять в соответствии с полученной зависимостью величин местных (локализованных вблизи от места соударения) и общих изгибных динамических напряжений и деформаций в траверсе ходовой опоры от массы загружаемых кусков груза с учетом их размеров и упругих свойств.

4. Введение в конструкцию ходовой опоры ленточно-тележечного конвейера только амортизирующих элементов "первой" ступени, устанавливаемых на траверсу под лептой для улучшения условий контактного взаимодействия в системе груз - лента -траверса (смятения ударов), ограничивает допустимую величину энергии падения куска груза до 1 кДяс.

5. Форма контактной поверхности куска оказывает значительное влияние только на напряжения в ленте при ударе, и не существенно влияет на напряжения в траверсе.

6. При энергии падения куска груза до 3-4кДж необходимо вводить в конструкцию конвейера, кроме амортизирующих элементов "первой" ступени, амортизирующие устройства "второй" ступени (поглощающий аппарат), устанавливаемых под направляющими конвейера в промежуточном загрузочном пункте. Характеристики поглощающего аппарата при значениях жесткости элементов, соответствующих величине их условного хода ху ы = 60 - 80 мм, с учетом усилия начальной затяжки, равного силе тяжести всех тел, участвующих в колебательном процессе, и значениях коэффициента демпфирования элементов, соответствующих РФкр = 0,6 - 0,8, обеспечивают допустимые динамические напряжения и деформации в ленте и траверсе, а также устойчивый характер колебаний без дополнительных резких ударов при возврате системы в исходное состояние.

7. Для исследования процесса соударения куска груза с ходовой опорой ленточно-тележечного конвейера при его загрузке в промежуточном пункте допускается не учитывать влияние ленточного и тележечно-цепного контуров конвейера при

максимальном прогибе амортизаторов до 25 - 30 мм, расстоянии между ходовыми опорами не менее 1,4 м и длиной конвейера более 50 м.

8. Основные параметры амортизирующей системы ходовых опор рекомендуется определять по разработанной методике, исходя из заданного значения коэффициента готовности конвейера при известных характеристиках крушюкускового грузопотока, подлежащего транспортированию.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Стремилов A.B., Запенин И.В. Усовершенствование конструкции ленточно-тележечного конвейера для транспортировки крупнокусковых грузов. - М.: ГиАБ, МГГУ, 2000, №1, семинар №7, с. 56-59.

2. Стремилов A.B., Мартыненко Ю.Р. MSC/NASTRAN for Windows 4.0. Основы практической работы. Динамика. Учебно-методическое пособие. - The MacNeal-Shwendler Corporation GmbH, Москва, 2000.

3. Стремилов А. В. Определение параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров для крупнокусковых скальных грузов. -М.: ГиАБ, МГГУ, 2000, №11, Деп. рук. № 404.

Подписано в печать 17. 11. 2000. Формат 60x90/ 16 Объем 1 пен. л. Тираж 100 экз. Заказ №

Ленинский пр., 6.

Типография МГГУ.

Введение.

ГЛАВА 1. Краткое описание результатов применения промышленных образцов ленточно-тележечного конвейера и определение цели исследования.

1.1. Особенности конструкции ленточно-тележечного конвейера.

1. 2. Анализ опыта эксплуатации промышленных образцов ленточно-тележечного конвейера

1.2. 1. Испытания ленточно-тележечного конвейера на руднике

Аксай".;.

1. 2. 2. Испытания ленточно-тележечного конвейера в условиях подземных разработок на Юкспорском руднике производственного объединения "Апатит".

1. 2. 3. Применение ленточно-тележечного конвейера в условиях открытых разработок на руднике "Жанатас" производственного объединения "Каратау".

1. 2. 4. Перспективы применения специальных типов ленточных конвейеров для подземной добычи крепких руд.

1.3. Выводы, идея работы и научные положения.

ГЛАВА 2. Обзор и анализ исследований по ленточно-тележечному конвейеру, возможных методов решения задачи и описание исходных данных.

2. 1. Обзор экспериментальных и теоретических исследований ленточно-тележечного конвейера.

2. 2. Краткое описание теорий и методов, позволяющих решать задачу о соударении и колебаниях упругих тел.

2. 2. 1. Элементарная методика расчета соударения падающего тела и упругой системы, основанная на теории Кокса, и метод Сен-Венана.

2. 2. 2. Теория соударений Герца (Штаермана).

2. 2. 3. Теория соударения балки и падающего груза С. П. Тимошенко.

2. 2. 4. Метод конечных элементов

2.3. Основные данные по характеристикам крупнокусковых грузов и конвейерных лент.

2. 3. 1. Основные характеристики крупнокусковых грузопотоков и отдельных кусков груза

2. 3. 2. Характеристики конвейерных лент.

2. 4. Выводы по главе и постановка задач исследования.

ГЛАВА 3. Определение параметров амортизирующей системы ходовых опор.

3.1. Определение общих напряжений и прогибов траверс ходовых опор и рациональной формы и размеров их сечений

3. 2. Определение величин местных и общих напряжений и деформаций в траверсе ходовой опоры в зависимости от массы загружаемых кусков груза.

3. 3. Определение величин местных и общих напряжений и деформаций в траверсе с амортизирующими элементами "первой" ступени и конвейерной ленте в зависимости от места падения кусков груза.

3. 4. Исследование влияния волновых процессов в грузонесущем контуре на удар и определение параметров амортизирующих элементов "второй" ступени.

3.4. 1. Обоснование расчетной модели и ее характеристик.

3. 4. 1. 1. Вариант конструкции промежуточного загрузочного пункта и его расчетная модель.

3.4.1.2. Расчет приведенных масс модели.

3. 4. 1. 3. Моделирование волновых процессов в грузонесущем контуре.

3.4. 1.4. Моделирование амортизирующих элементов "второй" ступени.

3. 4. 2. Определение оптимальных параметров амортизирующих элементов "второй" ступени.

3.5. Выводы по главе и предложения по усовершенствованию конструкции промежуточного загрузочного пункта ленточнотележечного конвейера.

ГЛАВА 4. Методика определения основных параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров. 4. 1. Методика ориентировочного расчета основных параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров.

4. 2. Выводы по главе.

В горнодобывающей промышленности в связи с непрерывным увеличением масштабов производства и вовлечением в разработку более бедных полезных ископаемых постоянно растут объемы перемещаемой горной массы. Основные объемы перевозок горной массы выполняются с помощью автомобильного и железнодорожного транспорта. На этих работах занято значительное количество обслуживающего персонала (водителей, машинистов, дорожных и путевых рабочих, рабочих по ремонту), а также транспортных средств, потребность в которых удовлетворяется далеко не полностью. Кроме того, тенденция развития горнодобывающей промышленности показывает увеличение доли транспортных расходов в общих затратах на добычу полезного ископаемого.

Указанные обстоятельства вынуждают горнодобывающие предприятия внедрять более производительные, более экономичные, более экологичные, снижающие трудозатраты и энергоемкость виды транспорта [8, 25, 36, 43, 58, 62]. Одним из таких видов является конвейерный транспорт.

Конвейеры принадлежат к транспортным машинам непрерывного действия, что предопределяет их возможную высокую производительность, автоматизацию конвейерных линий, транспортирование грузов под большими углами наклона к горизонту и, как следствие, уменьшение длины транспортных магистралей по сравнению с автомобильным и железнодорожным транспортом. Поэтому конвейерный транспорт применяется в горнодобывающей промышленности как отдельно, так и в составе с другими видами транспорта, в частности автомобильным. Однако в обычном исполнении ленточные конвейеры плохо приспособлены для перемещения тяжелых крупнокусковых грузов. Поэтому доля конвейерного транспорта в общем объеме перевозок все еще невелика и не превышает 5-7 % [69, 51, 82].

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение конвейеров в горнодобывающей промышленности, является необходимость подготовки горной массы к транспортированию по гранулометрическому составу независимо от последующей технологии ее переработки. Практикой установлено, что на ленточных конвейерах традиционной конструкции (со стационарными роликоопорами) возможно транспортировать грузы, включающих куски размером до 400-500 мм [69, 25, 36]. Так как , гранулометрический состав горных пород, образующийся после буровзрывных работ, содержит от 15 до 30 % кусков размером более 500 мм, то применение ленточных конвейеров в таких условиях предопределяет необходимость предварительного дробления.

Проблема использования конвейеров для транспортирования крупнокусковых скальных пород и руд при открытых и подземных горных разработках решается в двух направлениях. Первое из них основано на перемещении дробленой горной массы от забоя до поверхности при помощи ленточных конвейеров традиционной конструкции с некоторыми усовершенствованиями. Однако технико-экономический анализ показывает, что это направление эффективно только при транспортировании полезных ископаемых, которые в процессе дальнейшей обработки проходят несколько стадий дробления.

Второе направление заключается в использовании конвейеров специальных типов, обеспечивающих транспортирование рядовой взорванной горной породы из забоя на поверхность и в отвалы практически без ограничения, связанного с наличием весьма крупных кусков.

Для транспорта особо крупнокусковой горной массы (куски с размерами в одном измерении до 1000-1200 мм и массой до 2 т) создан специальный ленточно-тележечный конвейер (КЛТ) на ходовых опорах, принципиальная схема которого предложена в 1964 году чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковским (авторское свидетельство № 166272, "Бюллетень изобретений", 1964, № 21). Впервые конструкция такого конвейера разработана и испытана институтом Гипроникель в 1974 году. Основное отличие конвейера типа КЛТ от обычного ленточного заключается в замене линейных стационарных роликоопор грузовой ветви ходовыми опорами, представляющими собой тележки с дугообразными траверсами, которые соединены цепями. Тяговым и грузонесущим элементом остается конвейерная лента, которая под действием сил трения приводит в движение ходовые тележки. Совместное движение ленты и тележек, на которые она опирается, обеспечивает движение ленты с грузом без ворошения, что увеличивает срок службы ленты и других элементов конвейера при транспортировании крупнокусковой горной массы.

4. 2. Выводы по главе

1. Предложена инженерная методика определения основных параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров, позволяющая аналитически оценить значения динамических напряжений в траверсе в зависимости от формы кумулятивной кривой крупнокускового грузопотока и характеристик материала траверсы.

2. На примере использования предлагаемой методики определены основные показатели, характеризующие работу ленточно-тележечного конвейера, оборудованного амортизирующими устройствами, необходимость установки которых была доказана в проведенном исследовании. Доказано, что такой конвейер может обеспечить заданный коэффициент готовности (например, равный 0,95), с необходимым коэффициентом запаса по несущей способности наиболее нагруженного его опорного элемента (траверсы).

3. При определении по предлагаемой методике коэффициента готовности промышленного аналога ленточно-тележечного конвейера КЛТ-120 получено довольно низкое его значение, свидетельствующее о значительных недостатках конструкции. Это обстоятельство подтверждается массовым выходом из строя траверс ходовых опор при работе конвейера.

Заключение

В результате проведенных исследований дано решение актуальной научной задачи разработки амортизирующей системы в условиях загрузки ленточно-тележечного конвейера на линейной части его става крупнокусковым грузопотоком, которая в течение многих лет сдерживала его широкое применение в горнодобывающей промышленности.

Полученные в работе результаты позволили сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Основной причиной выхода из строя ходовых опор промышленных образцов ленточно-тележечного конвейера является значительное превосходство величины общих изгибных динамических напряжений в траверсах, возникающих при ударах крупных кусков, по сравнению с пределами текучести основных типов конструкционных сталей, применяемых в машиностроении для подобных изделий.

2. Изменение размеров и формы поперечного сечения траверсы ходовой опоры ленточно-тележечного конвейера не дает заметного снижения пика общих динамических напряжений без резкого увеличения массы траверсы. Однако незначительное усиление ее средней части может быть рекомендовано для рассеивания динамических напряжений по всей траверсе.

3. При выполнении конструкции ленточно-тележечного конвейера без установки амортизирующих элементов его область применения по крупности загружаемых кусков груза рекомендуется определять в соответствии с полученной зависимостью величин местных (локализованных вблизи от места соударения) и общих изгибных динамических напряжений и деформаций в траверсе ходовой опоры от массы загружаемых кусков груза с учетом их размеров и упругих свойств.

4. Введение в конструкцию ходовой опоры ленточно-тележечного конвейера только амортизирующих элементов "первой" ступени, устанавливаемых на траверсу под лентой для улучшения условий контактного взаимодействия в системе груз - лента - траверса (смягчения ударов), ограничивает допустимую величину энергии падения куска груза до 1 кДж.

5. Форма контактной поверхности куска оказывает значительное влияние только на напряжения в ленте при ударе, и не существенно влияет на напряжения в траверсе.

6. При энергии падения куска груза до 3 - 4 кДж необходимо вводить в конструкцию конвейера, кроме амортизирующих элементов "первой" ступени, амортизирующие устройства "второй" ступени (поглощающий аппарат), устанавливаемых под направляющими конвейера в промежуточном загрузочном пункте. Характеристики поглощающего аппарата при значениях жесткости элементов, соответствующих величине их условного хода Ху ам = 60 — 80 мм, с учетом усилия начальной затяжки, равного силе тяжести всех тел, участвующих в колебательном процессе, и значениях коэффициента демпфирования элементов, соответствующих (3/(3кр = 0,6 - 0,8, обеспечивают допустимые динамические напряжения и деформации в ленте и траверсе, а также устойчивый характер колебаний без дополнительных ударов при возврате системы в исходно , состояние.

7. Для исследования процесса соударения куска груза с ходовой опорой ленточно-тележечного конвейера при его загрузке в промежуточном пункте допускается не учитывать влияние ленточного и тележечно-цепного контуров конвейера при максимально : прогибе амортизаторов до 25 - 30 мм, расстоянии между ходовыми опорами ]! менее 1,4 м и длиной конвейера более 50 м.

8. Основные параметры амортизирующей системы ходовых опор рекомендуется определять :.ю разработанной методике, исходя из заданного значения коэффициента го и гшости конвейера при известных характеристиках крупнокускового грузопоток , подлежащего транспортированию.

1. MSC/NASTRAN for Windows, Analysis Examples Manual. The MacNeal-Schwendler Corporation, November 1998.

2. MSC/NASTRAN for Windows, Modeling Examples Manual. The MacNeal-Schwendler Corporation, October 1998.

3. MSC/NASTRAN for Windows, Quick Start Guide. The MacNeal-Schwendler Corporation, February 1995.

4. MSC/NASTRAN, Nonlinear Analysis. The MacNeal-Schwendler Corporation, November 1994.

5. The MSC/NASTRAN CD Encyclopedia V70.5. The MacNeal-Schwendler Corporation, May 1998.

6. Новая техника и технология для рудников цветной металлургии. Сборник научных трудов, Ленинград, 1990.

7. Транспорт на горных предприятиях., под ред. Б. А. Кузнецова Москва.: "Недра", 1969,

8. Шахтный и карьерный транспорт. Выпуск 3, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского, Москва, "Недра", 1977.

9. Шахтный и карьерный транспорт. Выпуск 4, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского, Москва, "Недра", 1978.

10. Шахтный и карьерный транспорт. Выпуск 6, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского, Москва, "Недра", 1980.

11. Шахтный и карьерный транспорт. Выпуск 8, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского, Москва, "Недра", 1982.

12. Александров В. М., Ромалис Б. Л. Контактные задачи в машиностроении.

13. Москвва, "Машиностроение", 1986.

14. Андреев А. В., Шешко Е. Е. Транспортные машины и комплексы для открытой добычи полезных ископаемых. Москва, "Недра", 1970

15. Андреев Е.С., Перов В.А., Зверевич В.В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. Москва.: "Недра", 1966.

16. Барон Л.И. Кусковатость и методы ее измерения. Издательство АН СССР, Москва, 1960.

17. Бате К.,/Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Москва, Стройиздат, 1982.

18. Бондарев B.C. Исследование воздействия динамических нагрузок на ленту и роликоопоры конвейера при транспортировке тяжелых крупнокусковых грузов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, МГИ, Москва, 1963.

19. Вершинский С. В., Данилов В. Н., Челноков И. И. Динамика вагона. Москва, "Транспорт", 1972

20. Владимиров В. С. Уравнения математической физики. Москва, "Наука", 1967.

21. Волотковский B.C., Нохрин Е.Г. Герасимова М.Ф. Износ и долговечность конвейерных лент. Москва, "Недра", 1976.

22. Гончаревич И.Ф., Дъяков В.А. Транспортные машины и комплексы непрерывного действия для скаль.; мх грузов. Москва, "Недра", 1989.

23. Дьячков В. К. Машины непрерьп о транспорта. Москва, "Машгиз", 1961.1. Л

24. Определение параметров амортизируют^;1. КруПНО

25. Жантурин М. Ж. Определенл допустимой скорости движения лентыконвейера на ходовых опорах. Ш . иый и карьерный транспорт. Выпуск 8, подред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиг. вского, Москва, "Недра", 1983.

26. Жантурин М. Ж., Новиков В.!: Условие безударного перехода ходовых тележек на нижние направляющ, к ¡енточного конвейера на ходовых опорах.

27. Шахтный и карьерный транспор; ^ ыпуск 8, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О.

28. Спиваковского, Москва, "Недра". i S3.

29. Запенин И. В., Кулешов В.Г., Л: мин В.А. Ленточный конвейер на ходовыхопорах для криволинейных в пане шахтных выработок. Шахтный икарьерный транспорт. Выпуск i, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О.

30. Спиваковского, Москва, "Недра". 1 75.

31. Зенков Р.Л. Механика насыпных ;, юв. Москва, "Недра", 1966.

32. Ивашев-Мусатов О.С. Теория >ятностей и математическая статистика. Москва, "Наука", 1979.

33. Каварма И.И., Боровко A.B. Ko;v::. л<сы поточного транспорта для подземнойразработки крепких руд. Москва .сдра", 1986.

34. Кальницкий Я.Б. Развитие тр; орта на подземных рудниках цветнойметаллургии. Шахтный и карьер м! транспорт. Выпуск 6, под ред. чл.-кор.

35. АН СССР А.О. Спиваковского, Д. ва, "Недра", 1980.

36. Капустин A.B. Взаимодействие нты с цепным контуром в ленточномконвейере на ходовых опорах. Ш лый и карьерный транспорт. Выпуск 1, подред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спив: зского, Москва, "Недра", 1975.

37. Капустин A.B. Производительно ¡енточного конвейера на ходовых опорах.

38. Шахтный и карьерный транспор ,. дпуск 1, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О.

39. Спиваковского, Москва, "Недра", /5.

40. Кащеев И. И. Исследование жозных режимов мощных ленточныхконвейеров на открытых горь разработках. Диссертация на соисканиеученой степени кандидата наук, ¡\ , 1968.

41. Кудрявцев В.А., Демидович Б.11. паткий курс высшей математики. "Наука",

42. Определение параметров амортизируюткрупл.1. Москва. 1989.

43. Ленинград, "Химия", 1987. . Макаров В.М. Конвейерно-отвальный комплекс для транспортирования иукладки в отвал скальной горной массы. Горный журнал, 1978, N 2. . Манзон Б.М. Maple V Power Edition. Информационно-издательский дом

44. Научный отчет на тему "Создание новых типов конвейеров для транспортирования крупнокусковых грузов для рудников комбината Апатит". Шифр ПР-7-1, МГИ, 1975г.

45. Новиков Е.Е., Смирнов В.К. Теория ленточных конвейеров длякрупно кусковых горных пород. Киев, "Наукова думка", 1983.

46. Орлов П. И., Основы конструирования. Кн. 1, Москва, "Машиностроение",1. Диссерта ция на тему:

47. Определение параметров амортизирующей системы ходовых опор ленточно-тележечных конвейеров длякрупнокусковых скальных грузов."1977.

48. Патрон В. 3., Морозов Е. М. Механика упругопластического разрушения.

49. Радкевич Я.М., Пухов Ю.С., Оценка уровня качества ленточного конвейера на , ходовых опорах. Шахтный и карьерный транспорт. Выпуск 4, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского, Москва, "Недра", 1978.

50. Спиваковский А. О., Ржевский В. В, Васильев М. В. И др. Поточная технология открытой разработки скальных пород. Москва, "Недра", 1970. Спиваковский А.О., Дъяков В.А., Пухов Ю.С. Ленточно-тележечный конвейер. Учебное пособие, МГУ, Москва, 1977.

51. Спиваковский А.О., Пухов Ю.С., Дьяков В.А. и др. Совершенствованиеконструкции ленточного конвейера на ходовых опорах. Шахтный и карьерный транспорт. Выпуск 1, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского, Москва, "Недра", 1975.

52. Тетерев Э.Н. Исследование схемы и параметров тягово-несущей системы ленточного конвейера на ходовых опорах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, МГИ, Москва, 1973.

53. Федотов Ю.П. Обеспечение надежности и выбор размеров поперечного сечения траверсы ортового ленточного конвейера на ходовых опорах. Шахтный и карьерный транспорт. Выпуск 5, под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского, Москва, "Недра", 1980.

54. Феодосьев В. И., Сопротивление материалов. Москва, "Наука", 1964

55. Филиппов А.П. Колебания механических систем. Киев, "Наукова думка", 1965.

56. Филиппов А.П., Кохманюк С.С., Янютин Е.Г. Деформирование элементов конструкций под действием ударных и импульсных нагрузок. Киев, "Наукова думка", 1978.

57. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Вероятностные методы расчетатранспортирующих машин. Москва, "Машиностроение", 1983.

58. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Элементы статистической динамикитранспортных машин. Учебное пособие, МГИ, Москва, 1970.

59. Шибалов С.Ф. Исследование ленточно-канатного конвейера длякрупнокусковых скальных грузов. Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наук, МГИ, Москва, 1978.