автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета крутонаклонных конвейеров с перегородками

На правах рукописи

Баженов Александр Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КРУТОНАКЛОННЫХ КОНВЕЙЕРОВ С ПЕРЕГОРОДКАМИ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0050175.*'

' и 1..ШН ¿¡¿¡I

Сан кт-Петербург 2012

005017537

Диссертация выполнена в кафедре транспортно-технологических машин ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

доктор технических наук, профессор Черненко Владимир Дмитриевич

доктор технических наук, доцент Репин Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор Кузьмичев Виктор Алексеевич

(Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор);

кандидат технических наук, доцент Сапожников Александр Иванович

(Научно-техническая фирма «Специальное оборудование судов и глубоководная техника», главный конструктор)

ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится 25 мая 2012 г. в /5" час, на заседании диссертационного совета Д 212.223.02 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190103, Санкт-Петербург, Курляндская ул., д. 2/5, ауд. 340-К.

Факс (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, СПбГАСУ, диссертационный совет.

Автореферат разослан 2. Ч апреля 2012 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

С.А. Волков

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Значительный рост объемов гражданского и транспортного строительства, наблюдаемый в РФ за последнее десятилетие, невозможен без опережающих темпов развития производства строительных материалов и конструкций. Высокие темпы выпуска продукции призвана обеспечить модернизация промышленного оборудования этих производств, и, в первую очередь, технологического транспорта, основным из которых является конвейерный.

Перспективным направлением совершенствования конвейеров является создание крутонаклонных транспортирующих машин, у которых угол наклона потока материала превышает угол естественного откоса сыпучего груза за счет применения перегородок. Крутонаклонные конвейеры (КНК) обеспечивают высокую производительность транспортирования материалов при малых габаритах, что значительно сокращает производственные площади, улучшает экологичность производств, снижает энергопотребление.

Однако, широкому внедрению КНК препятствует отсутствие точных математических методов расчёта нагрузок на транспортирующие органы, выбора их оптимальных параметров.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета нагрузок на транспортирующие органы КНК, а также оптимизации основных геометрических параметров транспортирующих органов различной формы.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:

- разработки на основе теории предельного равновесия методов расчета распределения напряжений от сыпучего груза на рабочем полотне движущихся лент с перегородками;

- исследования влияния на распределение напряжений в сыпучем грузе массовых сил, установившемся работе конвейера;

- разработки методов расчета оптимальных конструктивных параметров конвейерных установок, исходя из условий наиболее эффективной их работы.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выбраны крутонаклонные конвейеры с перегородками, предназначенные для транспортировки сыпучих грузов.

Предметам исследования являются процессы взаимодействия транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров с перемещаемой сыпучей средой.

Научная новизна заключается в:

1. Разработке новых и совершенствовании существующих методов расчета:

а) распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров.

б) поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материал. Модифицирован метод линий уровня, в качестве ориентира предложено исполь-

зовать напряжение в грузе на ленте (ранее использовалось напряжение в точках, лежащих вдоль вертикальной линии, проведенной из точки, где толщина слоя груза равна нулю);

в) оптимальных геометрических параметров различных транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров с перегородками различных типов.

2. Результатах экспериментальных исследований давления на ленту и перегородку.

Практическая значимость результатов заключается в разработке инженерных методик расчета нагрузок и геометрических параметров КНК и подтверждается актами внедрения. Предложенная методика расчета конвейеров может быть реализована проектными институтами и конструкторскими бюро.

Результаты работы используются также при обучении студентов специальности «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», при изучении дисциплины «Машины непрерывного транспорта» в Горном университете г. Санкт-Петербурга.

Достоверность результатов исследований подтверждается их сравнением с результатами экспериментальных исследований, проведенных на опытно-промышленных установках в СЗТУ, ВНИИПТМАШе, УкрНИИпроекте и гарантируется математически строгими построениями.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новые методы расчета:

- распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров;

- поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала;

- оптимальных геометрических параметров различных транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров.

2. Результаты экспериментальных исследований по измерению давления на рабочий орган конвейера.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры, 3-х международных и пяти межвузовский конференциях.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах (из них 2 - из списка ВАКа, в том числе 1 статья без соавторов, и 3 -в международных сборниках, приравненных к журналам из списка ВАКа, в том числе 1 статья без соавторов).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Основное содержание работы изложено на 90 страницах, 28 рисунков.

Содержание работы, основные положения и результаты исследований, выноснмые на защиту

Во введении изложена актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные задачи исследования, раскрыта общая структура диссертационного исследования.

В первой главе показана область применения KHK, выполнен анализ их конструкций, транспортирующих органов, приведен анализ существующих методов расчета конвейеров с перегородками ленточно-цепньгх конвейеров и скребковых конвейеров и результаты экспериментальных исследований крутонаклонных конвейеров с перегородками. Наиболее точные результаты расчета параметров KHK дают решения методами механики сыпучих грузов. Приближенное решение многих задач механики сыпучей среды, применительно к расчену транспортирующих машин, дано Р.Л.Зенковым. Наиболее точный метод расчета нагрузок на KHK - метод последовательных приближений принадлежит Ю.А. Пертену, однако и в этом случае расхождение с результатами экспериментов достигает 20 %, что позволяет считать точность расчетов неудовлетворительной.

Глава заканчивается выводами, в которых кратко сформулировано состояние разработок и основные направления дальнейших исследований. Главное направление - разработка положений методики расчета KHK с перегородками, включающих методы расчета:

1) распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров;

2) поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала;

3) оптимальных геометрических параметров различных транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров.

Составлены компьютерные программы расчета KHK по разработанным методам.

Вторая глава посвящена разработке первых двух из указанных выше методов расчета, а именно распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров и поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала.

Новый расчета распределения давлений на полотне и перегородках движущихся был предложен В.Д. Черненко и получил название вариационного. В диссертации разработаны основные теоретические положения метода и выполнен расчет по специально разработанной компьютерной программе. Вариационный метод позволяет практически сразу получить результат вычисления, в отличие от метода последовательных приближений, при использовании которого осуществляются последовательные приближения до получения нужной точности.

Общим для вариационного метода и метода последовательных приближений, используемого ранее (Р.Л.Зенков, Ю.А. Пертен), является использование уравнений равновесия сыпучего груза, которые для плоского случая имеют вид

Зоч 8т

ху

дг

ху

да.

- = 1\,

(1)

дх ду л' дх ду у' где Р , Р - проекции массовых сил на оси координат. Присоединяя условие предельного равновесия

(ах - ау У + 4г2у = ып 2р{ах +ау+ 2Я)2 (2)

получаем статически определимую систему уравнений. Здесь г - угол внутреннего трения сыпучего материала, Я- временное сопротивление растяжению.

В результате введения функции напряжений Ф, получим, что уравнения равновесия тождественно удовлетворяются, а условие предельного равновесия примет вид

. д2Ф

д2Ф

А{х)—- + В(х)—= С(х) + Ц.Ф) дх2 ду2

где А(х), В(х), С(х) - переменные коэффициенты,

,\2

(3)

д2Ф

д1Ф

дх2 ду2

+ 4

д2Ф дхду

-бш 2 р

д2Ф

д2ФЛ

дх2 ду2

Таким образом, задача сводится к решению нелинейного дифференциального уравнения в частных производных с переменными коэффициентами. На данном этапе заканчивается сходство методов - вариационного и последовательных приближений.

Метод последовательных приближений заключается в решении уравнений (3) с применением метода итераций, который является приближенным и дает ощутимую погрешность, которая, в свою очередь, завит от субъективных факторов (выбор числа итераций).

При применении же вариационного метода решение находим в виде

Ф = Оср{х)4}) (4)

где ср(х) и \|/(у) ~ некоторые заранее выбранные функции, удовлетворяющие всем граничным условиям и отражающие действительное распределение функции напряжений в сыпучем теле.

Для того, чтобы функция Ф(д:,у) являлась точным решением уравнения предельного равновесия, необходимо, чтобы уравнение тождественно удовлетворялись при подстановке в него решения, а это требование равносильно требованию ортогональности по всем функциям системы (р(х) и \\1(у) (/=1,2,3...). Отсюда находим систему уравнений,

Я

,д2Ф

А(х)-—у + В(х) дх2

д2ф ду2

■С(х)~ЦФ)

Р,(х,у)с1х(1у =

= Я-4«

+ В(Х)-

V

(5)

/

— С(х) - L

vl(x,y)dxdy

v)

0=1 )

которая служит для определения неопределенных коэффициентов с . Интегрируя выражение (5) по площади S треугольника

h cos S (h cos S-x)ctgS

j jpm p{(y Dx + xPx + yPy+2н)+6 Dx- xPx + yPy ]c 3dxdy = 0 (6)

0 xtgS-x sin S

находим постоянную интегрирования D:

D

n ■ 14 г« г> /л ■ 4cos25 l „ .

Px— (sinp-l)cos<5-Pv—(l + sin p)---tfsinp

3 M2 sm¿> 10

х (2// eos <5(1 + sin p)) 1 (У^

Отсюда поле напряжений в сыпучем грузе

ах=хРх, ay=6Dx + yPX!

?ху р(ах+ау+нУ--{<Tx-<TyfY2 (8)

Распределение давления от сыпучего груза по перегородке и ленте находим по формулам Коши:

2 2 Рп = ах sin 5 + о у eos 8 + тху sin 25,

2 2

Рл= crocos S + сТу sin 5 + тху sin 25 (9)

Вариационный метод реализован в виде компьютерных программ, Алгоритм который представлен на рис. 1. Предлагаемый вариационный метод позволяет рассчитать нагрузку на рабочий орган, минуя расчёт напряженного состояния сыпучего материала в объеме. Результаты расчета нагрузок на ленту и перегородку (шаги 1...5) являются исходными для расчета напряженного состояния массива сыпучего груза (шаг 6).

Приведем результаты виртуального эксперимента, приведенного на кафедре транспортно-технологических систем СЗТУ.

Параметры обсчитываемого сыпучего тела на рабочем участке крутонаклонного ленточного конвейера с перегородками следующие: h = 30 см - высота перегородки, (5 = 45° - угол наклона конвейера, с - 0 - коэффициент сцепления, р = 30° - угол внутреннего трения, 5 = р - р, у = 1.48 т/м3 - объемная масса

груза, а = 5л/2 см, b = 15V2 см.

Рис. 1 Алгоритм к вариационному методу.

Программа расчета позволяет провести вычислительный эксперимент. Изменяя объемную массу от 0,98т/м3 до 1,98т/м3, находим распределение давлений от сыпучего груза по перегородке и ленте (рис. 2). Кривая 1 соответствует объемной массе у = 0.98 т/м3, кривая 2 - у = 1.48 т/м\ кривая 3 - у = 1.98 т/м3.

Новый метод расчета поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала представляет собой модификацию известного метода линий (В.Д. Черненко), который отличается от применяемого ранее тем, направление расчета идет не от поверхности материла в глубину, а от известных напряжений на ленте и перегородке. Данный метод обладает большей точностью.

Метод расчета поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала предусматривает разбивку исследуемой области сеткой, как показано на рис.2. По оси Ох узлы отстоят друг от друга на расстоянии И = Ах, а по

Рис. 2. Распределение давления сыпучего груза по ленте от объемной массы

оси Оу на расстоянии / = Ду. Точки, расположене на поверхностях ленты и перегородки, являются отправными для проведения расчета. Точные значения производных заменим их приближенными значениями через дискретные значения функций на конечных интервалах

дт _/ -1-1

да~х _

дх

да.

СГ--СГ

ху

Ах

Л

У ~ У

дх дт

' ху 1 ху Дх

ху

г'' -г'"-1

ху ' ху

ду Ау ' ду Ау

Верхний индекс определяет координаты узловой точки (в случае использования степени в выражении координаты берутся в скобки). Учитывая граничные условия на свободной поверхности сыпучего тела для точки 2, система примет вид

2 г2

_2 2

г ху ° у

И I '

(И)

Уравнения приводятся к рекуррентной форме и решаются в численном виде по специально разработанной компьютерной программе.

В третьей главе разработан метод расчета оптимальных геометрических параметров крутонаклонных конвейеров с перегородками различных типов.

Расчетная схема количества перемещаемого груза и сопротивлений определяется конструкцией транспортирующего органа (рис. 3).

7. ^Х

/

У

(°) (б) (в) Рис. 3. Схемы, поясняющие конструкцию ленточного конвейера с перегородками (а), с перегородками и продольными бортами (б) и с У-образной лентой (в)

Сначала рассмотрена плоская конвейерная лента с перегородками. С помощью метода множителей Лагранжа разработана методика расчета оптимальных геометрических параметров конвейерной ленты с перегородками в зависимости от требуемой производительности и условий работы.

Затем рассмотрена плоская лента с вертикальными бортами и перегородками. Предложены итерационные циклы расчета оптимальных параметров в зависимости от расстояния между перегородками. Если в рассматриваемой конструкции, какие-либо ее геометрические параметры заданы, то в соответствующих условиях минимума функции погонной массы и итерационных циклах их следует принимать за постоянные величины.

Далее приведен расчет К-образной конвейерной ленты. Приведены итерационные циклы для нахождения оптимальных значений геометрических параметров, когда свободная поверхность сыпучего груза ограничена плоскостью.

Для конвейера с перегородками, если считать, что сыпучий груз сверху ограничен плоскостью, наклоненной под углом р к плоскости конвейерной ленты, оптимальные геометрические параметры конвейерной ленты будут определяться по формулам

1

12

В =

в

ЗООуу/с

о 9

6.x ] 4х,/%<5

в\ в{1Ер

; )

в,

л=-

2гЛ +Упкп^Р-л

2

tgS

\упК^Рв \

(12)

^2

В{

V V

9 (рЗ

ЗбОО^лг 4 11 1

Оптимальные размеры конвейерной ленты с продольными бортами, у которой размер бортов задан конструктивно, находятся из следующих формул

х = -

<я| 2-си%р + гь\---—

1 3 ) 36ООуук

Г,Л/ + 2г"кп Ь + ЛхI ~а<%р + 2Ь \-xtgS

Зхс1£Р

4гЛ

Если конструктивно задана ширина ленты, то для случая Н- ра2< х < + ^

оптимальные размеры ленты будут

(2 О

х =-а —(^¿р + гЬ--——у\>к

а 1^3 3600

^ - УпК

2 а

3 Л 3 3600/1» к-

а = -

/Л + + +

V 3 )4У А

4 ' ' п п

\

1 при * < Я - ра^

а| - а1ер + 2Ь |----

1 3 У ЗбОО^лг

А = -

V л

А

+ аЬ- xtgS----

3 7200^

»1, 2 ^ 2

г2 3

'ЯР

Для Г-образной ленты оптимальные параметры будут

2 с

а = агс1£--3 -

в а2 ■ о

бш 2а + ах соз

ЗбООуулг 2

соб 2а

Л =-2--2 (16)

2 _ 2 ■ г (А 1§23

хаъоъ2а+х амп^о- - —-—

V3/ бш а

_ 2улИл+Ах соб ащ8

Ахьтга-^^-ьтга х

ГПИП _ л-в--5;п 2а _ х2

X

2 3600уук 2

2 Ха со% а1%8

В работе обсчитывался наклонный конвейер с плоской лентой и перегородками, конвейер с продольными бортами и конвейер с К-образным сечением.

Результаты вычислительного эксперимента на компьютере, когда в программы обеспечиваемых конвейеров вводилась одна и та же исходная информация, приведены в таблице.

Таблица 1

Оптимальные параметры конвейерных лепт различных сечений

0=200т/ч; Ь=50м; у=1.48т/м3; р=45°; у=1.5м/с; р=32°

х, м В, м ЛГ, кВт Лпео, м \У„, дан /!„, м

1 2 3 4 5 6 7

0,24 0,8 26,7 0,085 1927 -

1 1 0,56 0,4 26,1 0,2 1507 0,15

0,69 0,8 26,5 0,23 1752 0,18

По результатам эксперимента видно, что оптимальным вариантом из рассмотренных конструкций конвейерных лент по мощности двигателя является конвейер с вертикальными продольными бортами.

Для конвейера с погруженными скребками распределенная нагрузка складывается из распределенной нагрузки на нижнее, верхнее дно и стенки прямоугольного короба. Суммарная распределенная нагрузка для вертикально-крутонаклонного участка находится по формуле

Чгр=Чд.в- + с1д.н. + 2<1ст (17)

где

J В I ,

1дм. = 7 ЯpdM.dxdy = Ву\3Anl + |cos/? 00 ^ 2

h

2 I

qcm=-j | /foe. + рд н. = 3yA„

Ih

hO

~2

\Bl ( h 4s. = 7 Jhe dxdy = Br\ 3Anl - -cos/?

00 v 2

В четвертой и пятой главах диссертации приведены соответственно результаты расчетов конвейеров и экспериментальных исследований давления движущегося сыпучего груза на рабочее полотно конвейера.

Результаты испытаний и расчетов приведены в таблицах. Снимались показания датчиков давления, закрепленных на ленте и перегородке конвейера. Результаты замеров сравнивались с данными теоретических вычислений, полученных различными методами: старым (последовательных приближений) й новым (вариационным).

Таблица 2

Давление на полотно конвейера

Размер частиц Угол естественного откоса Угол наклона ленты Плотность Эксперимент, давление. Па Давление старый метод. Па Давление новый метод, Па

40 3,4 г/см1 1300 1800/38 1500/15

2 35 50 3,4 г/см' 1090 1600/46 1400/28

Гравии 60 3,4 г/см3 850 1000/17 1000/17

40 3,2 г/см5 1220 1500/22 1300/6

20 40 50 3,2 г/см' 1020 1300/27 1100/7

60 3,2 г/см' 800 1000/25 900/12

40 2,4 г/см3 910 1000/9 1000/9

2 35 50 2,4 г/см3 770 900/16 800/3

Щебень 60 2,4 г/см3 600 700/16 700/16

40 2,2 г/см3 840 1000/19 1200/42

20 40 50 2,2 г/см3 700 800/14 750/7

60 2,2 г/см3 550 700/27 600/9

Песок 40 1,6 г/см3 880 1000/13 900/2

1 25...30 50 1,6 г/см3 730 900/23 800/9

60 1,6 г/см1 575 800/39 600/4

Таблица 3

Давление на перегородки

Рзмер частиц Угол естественного откоса Угол наклона ленты Плотность Эксперимент, давление, Па Давление, старый метод. Па Давление, новый метод, Па

Гравий 2 35 40 3,4 г/см5 1090 1200/10 1100/1

50 3,4 г/см3 1300 1600/23 1550 19

60 3,4 г/см3 1550 1800/16 1650/6

20 40 40 3,2 г/см3 1020 1100/7 1050/2

50 3,2 г/см3 1220 1300/6 1250/2

60 3,2 г/см3 1500 1700/13 1600/6

Щебень 2 35 40 2,4 г/см3 770 900/16 800/3

50 2,4 г/см3 910 1100/20 1000/9

60 2,4 г/см3 1000 1200/20 1100/10

20 40 40 2,2 г/см3 700 900/28 800/14

50 2,2 г/см3 840 1000/19 900/7

60 2,2 г/см3 1000 1200/20 1100/10

Песок 1 25..30 40 1,6 г/см3 730 900/23 800/9

50 1,6 г/см3 880 1000/13 900/2

60 1,6 г/см' 100 1200/20 1200/20

1400 и 1200 -1000 -800 -600 -400 -200 -0 -0

- ♦ - Гранитная кроика метод последовательных приближений —9 - Гранитная кроика вариационный метод

--Гранитная кроика эксперимент

- - - Песчано-гранитная смесь метод последовательных приближений —Ж - Песчано-гранитная смесь вариационный метод

—•— Песчано-гранитная смесь эксперимент

- -г - Песок метод последовательных приближений -— Песок вариационный метод

——— Песок эксперимент

Рис. 4. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований. Зависимость давления, Па, от угла наклона ленты,0

В числителе приведены значения давления на полотно и ленту, а в знаменателе - процентное расхождение с экспериментальными исследованиям. Результаты экспериментального исследования показали, что новый вариационный метод расчета давления на перегородку и ленту позволяет достичь большей точности расчетов (погрешность составляет 4..10 %), т. е. точность повышается примерно в два раза по сравнению со старым методом

Незначительное расхождение между экспериментальными и теоретическими результатами позволяет рекомендовать разработанную методику расчета конвейеров для практического использования.

Заключение

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1.Использование математического аппарата механики сплошной среды применительно к сыпучим грузам позволило добиться значительного сокращения разрыва между теоретическими и экспериментальными результатами, наблюдающегося при использовании теории сыпучих грузов, основанной на гипотезе сыпучего тела.

2. При рассмотрении задач механики сыпучих грузов предлагается использование функции напряжений при решении уравнений предельного равновесия и движения методом последовательных приближений, т.е. задача сведена к нелинейному дифференциальному условию предельного равновесия, решение которого основано на последовательной линеаризации решений, получаемых методом разделения переменных или в рядах.

3.Разработан вариационный метод решения нелинейных дифференциальных уравнений предельного равновесия сыпучих грузов для плоского случая. На частном примере показана сходимость решений уравнений предельного равновесия методом последовательных приближений и дано сравнение с результатами вариационного метода, причем установлено, что каждое последующее приближение дает поправку на порядок меньшую предыдущей и результат расчета постепенно приближается к результату, полученному вариационным методом.

4.Разработаны аналитические методы расчета по теории предельного равновесия давления сыпучего груза на перегородки и ленту с учетом динамических сил, возникающих в процессе движения при открытой поверхности сыпучего груза и при перемещении сыпучего груза в замкнутом коробе. При исследовании распределения давления от сыпучего груза по перегородке и ленте предложен вариационный метод решения дифференциального уравнения предельного равновесия.

5.Разработан численный метод расчета распределения напряжений по перегородке и ленте крутонаклонных конвейеров.

6. С помощью метода множителей Лагранжа разработана методика расчета оптимальных геометрических параметров ленты с перегородками в зависимости от требуемой производительности и условий работы.

7.Применение разработанной теории к расчету крутонаклонных конвейеров позволило создать новые методы расчета, где в процессе итерационного обсчета на компьютере практически учтены все условия работы конвейера.

8. Расчет конвейеров на компьютере позволяет с помощью условных операторов и операторов перехода изыскать оптимальные конструктивные параметры, исходя из условий наиболее эффективной работы конвейерных установок. Кроме того, расчет на компьютере дает возможность при варьировании исходной информации провести вычислительный эксперимент с целью оптимального выбора технических характеристик.

Публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Баженов A.A. Определение оптимальных геометрических параметров плоской конвейерной ленты с перегородками / А.А.Баженов // Промышленное и гражданское строительство, 2012. - № 5. - 0,3 п.л.

2.Баженов A.A. Расчет поля напряжений в сыпучем грузе на рабочем полотне крутонаклонного конвейера с перегородками / В.Н. Смирнов, A.A. Баженов, Т.В. Сапунова // Научно-технические ведомости, СПбГПУ, - СПб, 2010. №3.-С 107-111.-0,3 п.л.

Публикации докладов на международных конференциях:

3.Баженов A.A. Расчет давления от сыпучего груза по перегородке и ленте наклонных конвейеров с перегородками / В.Д. Черненко, A.A. Баженов // XXXIX неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Инженерные науки. - СПб, 2010. С. 235-237, 0,2 п.л.

4.Баженов А. А. Расчёт по нелинейной теории конвейерных лент с поперечными перегородками / В.Д. Черненко A.A. Баженов // Современные проблемы техносферы и подготовки научных кадров. Сборник трудов III Международного семинара в г. Табарка (Тунис). Донецк - С 242-246 - 0,3 п.л

5. Баженов A.A. Расчёт желобчатых конвейерных лент по нелинейной теории. / A.A. Баженов // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте'2011. Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции Т. 1 Транспорт - Одесса. Черномо-рье, 2011 -0,3 п.л.

Прочие публикации:

6.Баженов A.A. Определение поля напряжений в сыпучем грузе на рабочем полотне ленточно-цепных конвейеров / A.A. Баженов // Проблемы маши-

новедения и машиностроения. Межвузовский сб.СЗТУ. - 2008. - Вып.39. С 196-199-0,2 пл..

7.Баженов A.A. Исследование распределения напряжений в сыпучем грузе на рабочем участке скребковых конвейеров / A.A. Баженов //Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. СЗТУ. - 2008. - Вып. 39. С. 186-189- 0,3 п.л..

8.Баженов A.A. Расчет оптимальных геометрических параметров плоской ленты с перегородками / A.A. Баженов //Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб.СЗТУ. - 2008. - Вып. 39.С. 190-192. - 0,2 п.л..

9.Баженов A.A. Определение давления от сыпучего груза на перегородку и ленту крутонаклонного конвейера с перегородками / A.A. Баженов //Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб.СЗТУ. - 2008. -Вып. 39. -С. 193-195 - 0,2 п.л..

10. Баженов A.A. Разработка методов расчета давлений от сыпучего груза по перегородке и ленте крутонаклонного конвейера с перегородками / В.Д. Черненко, A.A. Баженов // Сб.н.-пр.ст., «Проблемы теории и практики автомобильного транспорта», СЗТУ. - 2009. - Вып.2 - С. 96-101 0,4 п.л.

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 20.04.12. Формат 60><84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 120 экз. Заказ 46. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

61 12-5/2966

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

На правах рукописи

Баженов Александр Александрович

Г

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КРУТОНАКЛОННЫХ КОНВЕЙЕРОВ С ПЕРЕГОРОДКАМИ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор

Репин Сергей Васильевич

Санкт-Петербург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................................................................4

1. Актуальность проблемы и анализ отечественной и иностранной литературы........................................................................................................................................8

1.1 Принцип действия и конструктивные особенности конвейеров с перегородками.......................................................................................................................8

1.2. Анализ условий предельного равновесия сыпучих

грузов..............................................................................................................................................13

1.3. Обзор и анализ существующих методов расчета крутонаклонных конвейеров с перегородками..........................................................................................23

1.4. Выводы по главе............................................................................................................28

2. Напряженное состояние сыпучих грузов___________________________________29

2.1. Описание модели для исследования равновесия

и движения сыпучих грузов............................................................................................29

2.2. Приближенные аналитические методы расчета

плоских задач..........................................................................................................................30

2.3. Исследование сходимости метода последовательных приближений.............................................................................................................................33

2.4. Определение распределения напряжений от сыпучего груза на рабочие органы крутонаклонных конвейеров....................................................36

2.5. Расчет поля напряжений в сыпучем грузе на рабочем участке крутонаклонных конвейеров..........................................................................................41

2.6. Исследование по определению закономерности давления сыпучего груза по перегородке и ленте крутонаклонных конвейеров..................................................................................................................................48

2.7. Выводы по главе...........................................................................................................54

3. Оптимизация геометрических параметров рабочего полотна крутонаклонных конвейеров с перегородками---------------------------------------55

3.1. Плоская конвейерная лента с

перегородками..........................................................................................................................55

3.2. Плоская лента с вертикальными бортами и

перегородками..........................................................................................................................59

3.3. Расчет У-образной конвейерной

ленты...............................................................................................................................................66

3.4. Выводы по лаве..............................................................................................................68

4. Особенности конструирования и тягового расчета конвейеров с перегородками------------------------------------------------------------------------------------------------~~70

4.1. Тяговый расчет конвейеров с перегородками.........................................70

4.2. Конструкция и принцип действия ленточно-цепных конвейеров..................................................................................................................................75

4.3. Тяговый расчет наклонных ленточно-цепных конвейеров.............78

4.4. Выводы по главе............................................................................................................83

5. Экспериментальные исследования и проверка теоретических расчетов.------------------------------——-----------------------------------------------------------»...«-.84

5.1 Описание эксперимента............................................................................................84

5.2. Выводы по главе...........................................................................................................87

Заключение.......................................................................................................................................89

Список использованных источников..............................................................................91

ВВЕДЕНИЕ

Развитие строительной отрасли обуславливает непрерывное увеличение массовых грузопотоков в различных отраслях промышленности. Одним из наиболее прогрессивных видов транспорта сыпучих грузов, способных обеспечить высокую производительность труда и снижение себестоимости продукции при больших грузопотоках, является конвейерный транспорт. Применение крутонаклонных транспортирующих машин (КТМ), у которых угол наклона превышает угол естественного откоса сыпучего груза за счет применения перегородок, является перспективным направлением в развитии конвейерного транспорта, т.к. обеспечивает высокую производительность при малых габаритах. Основное предназначение крутонаклонных конвейеров - транспортирование сыпучих грузов при значительных углах наклона конвейера (превышающими угол естественного откоса груза в движении). Основные отрасли применение - строительство, добывающая промышленность. Основной недостаток КТМ - относительно сложная конструкция, высокая стоимость.

Диссертация посвящена теоретическому обобщению и решению крупной научной проблемы в области крутонаклонных конвейеров с перегородками, имеющей важное народнохозяйственное значение. Решение проблемы заключалось в развитии методов расчета конвейеров, основанных на рассмотрении напряженно-деформированного состояния сыпучих грузов по теории предельного равновесия Кулона-Мора.

Разработанные общие методы решения задач механики сыпучих грузов имеют большое практическое значение, поскольку могут быть применены к расчету всевозможных крутонаклонных транспортирующих машин. При расчете крутонаклонных конвейеров для транспортирования сыпучих грузов основное внимание уделяется вопросам устойчивого равновесия сыпучего груза на рабочем полотне и распределения давления от груза на рабочие органы. Существующие методы расчета распределения давления от сыпучего груза по перегородке крутонаклонных конвейеров носят чисто эмпирический

характер или базируются на гипотезе сыпучего тела и не учитывают свойства грузов, динамику процесса транспортирования, характер взаимодействия груза с лентой, желобчатость, жесткость ленты и ряд других факторов. Определение закона распределения давления сыпучего груза на ленту также основывается в большинстве случаев на теории сыпучего тела и не учитывает в достаточной степени физико-механические свойства сыпучих грузов.

Следует подчеркнуть, что погрешность между теорией, основанной на гипотезе сыпучего тела, и экспериментальными исследованиями может достичь 300 процентов. Это объясняется тем, что в основу методов расчета, основанных на гипотезе сыпучего тела, положены уравнения равновесия статики недеформированного тела, т.е. сыпучее тело в расчетной схеме рассматривается как абсолютно жесткое тело, а уже затем методику расчета начинают корректировать производными коэффициентами, такими, как коэффициент подвижности, бокового давления, гидравлический радиус и др.

Ценность гипотезы о соответствии связно-сыпучей среды жестко-пластическому телу проверялась сравнением экспериментальных исследований [117] с некоторыми теоретическими результатами [114]. Проведенные исследования показали, что погрешность составляет 30-40 процентов. Практикой же определения физико-механических свойств установлено, что точность нахождения объемной массы [26] не выходи т за пределы 0,05т/м3, а угла внутреннего трения Г-2°. При такой степени точности определения объемной массы и угла внутреннего трения отклонения вычисленных величин могут достигать 40 процентов. Отсюда видно, что использование в расчетах математического аппарата теории пластичности применительно к сыпучим грузам наиболее эффективно, так как имеет один порядок с погрешностью определения физико-механических свойств.

Целыо данной работы являлось создание уточненных методов расчета различных типов крутонаклонных конвейеров, основанных на рассмотрении напряженного состояния сыпучих грузов с позиций

теории предельного равновесия.

Для решения обозначенной научно-технической проблемы были определены следующие основные задачи исследований:

1) проведение анализа перспективных методов расчета, определение возможности их использования;

2) усовершенствование общей теории расчета конвейеров с перегородками;

3) исследование возможности применения;

4) разработка вариационных и численных методов расчета по теории предельного равновесия для определения закона распределения давления сыпучего груза на рабочее полотно конвейера;

5) исследование влияния на распределение напряжений в сыпучем грузе массовых сил, возникающих в момент пуска и при движении груза по роликоопорам;

6) оптимизация расчетных параметров конвейерных установок;

7) создание универсальных программ для ПК с целыо реализации их при расчете и конструировании крутонаклонных конвейеров конструкторскими бюро и проектными институтами.

По результатам исследований, выполненных и представленных в диссертации, на защиту выносятся положения, обладающие научной новизной:

1. Теоретические исследования по определению закона распределения давления сыпучего груза на полотно и перегородки крутонаклонных конвейеров с учетом динамики движения, физико-механических свойств сыпучего груза, условий транспортирования.

2. Метод расчета оптимальных геометрических параметров

ленты.

3. Метод расчета крутонаклонных конвейеров с использованием универсальных программ для ПК.

Совокупность представленных к защите положений следует квалифицировать как решение научной задачи, заключающейся в раскрытии сложных процессов, сопровождающих работу крутонаклонных конвейеров с перегородками, совершенствовании динамических и математических моделей по определению нагрузок сыпучего груза на ленту и перегородки и использовании полученных результатов для создания более совершенного транспортирующего оборудования, имеющего важное народнохозяйственное значение.

Достоверность научных положений и выводы по работе базируются на накопленном опыте теоретических исследований, проектировании и реального воплощения в узлах и механизмах крутонаклонных конвейеров с перегородками; использовании опробированных численных методов, теории упругости и пластичности, методов механики сплошной и сыпучей среды; математического программирования; необходимым объемом существующих экспериментальных данных, полученных предшественниками на стендах и полупромышленных установках, в производственных условиях.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные методы расчета распределения давления сыпучего груза на ленту и перегородки крутонаклонных ленточных конвейеров обеспечивают возможность инженеру производить расчет узлов механизмов с учетом их реального нагружения, указывают пути снижения нагрузок, оптимизации и повышения эффективности транспортирующих машин.

Основное содержание диссертации отражено в восьми печатных работах. Отдельные разделы работы докладывались на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах, приняты рядом научно-исследовательских институтов в качестве рабочих методик.

Работа выполнена на кафедре транспортно-технологических машин Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного 2012 г.

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ И АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Принцип действия и конструктивные особенности конвейеров с перегородками

Ленточные конвейеры с перегородками характеризуются сильным разнообразием конструкций. При нетяжелых условиях работы перегородки до 10см высотой изготовляются из резины и присоединяются к ленте отливкой заодно с верхней обкладкой или с помощью самовулканизирующегося клея. При высокой производительности транспортирования сыпучих грузов, содержащих крупные куски, под большим углом наклона необходимы создающие подпр перегородки большой высоты из стали, пластмассы и т.д., укрепляемые на резиновых привулканизированных элементах.

Использование конвейеров с лентами, оснащенными перегородками и бортами, позволяет увеличить производительность и угол наклона конвейера за счет увеличения площади поперечного сечения транспортируемого груза.

На рис.1 показан ленточный конвейер для подачи сыпучих грузов при наклоне до 60° и более. Рабочая поверхность ленты I конвейера снабжена привулканизированными поперечными ребрами из резины 2. Каждое ребро состоит из двух равных частей, между которыми в центре ленты имеет зазор. Каждая половинка ребра крепится к краю ленты. Участок ребра, расположенный ближе к оси ленты, представляет собой консоль и имеет два скоса. При переходе ленты с нижней плоской ветви на верхнюю желобчатую внутренние края половинок ребер смыкаются, перекрывая одна другую и ложась нижними скосами на ленту. Кромки этих скосов покрыты мягкой резиной, что обеспечивает хорошее сцепление консольных частей ребер с лентой. Нижняя ветвь ленты опирается на трехдисковые прямые роликоопоры 3 боковыми кромками и центральной частью.

3-—

Рис.1. Ленточный конвейер с перегородками

В крутонаклонном конвейере для мелкокусковых грузов верхние роликоопоры состоят из двух роликов I, установленных под углом один к другому и образующих V -образный желоб для грузонесущей верхней ветви конвейерной ленты (рис.2), эта лента имеет ребра треугольной формы 2, каждое из которых состоит из двух половин, размещенных поперек ленты симметрично относительно ее центральной оси. На верхней ветви обе половины ребра сходятся, образуя ребро и карманы для транспортирования материала под большими углами наклона. На нижней ветви конвейера половины ребер расходятся, образуя зазор для пропускания центральных поддерживающих роликов 3. Вследствие этого при прохождении ленты по верхней ветви между половинами ребер образуются отверстия, для закрывания которых на ленте у каждого ребра предусмотрен резиновый шарик 4, свободно подвешенный на отрезке нити. На нижней ветви шарики свободно провисают под действием своей тяжести в сторону от центра ленты и освобождают место для поддерживающих центральных дисковых роликов.

На рис.3 показан ленточный конвейер с корытообразным профилем установки роликоопор на рабочей ветви конвейера и укрепленными через шаг на ленте I поперечными трехстворчатыми перегородками 2. Створки перекрывают внахлест друг друга и предотвращают ссыпание материала при наклонном транспортировании. Продольные края ленты имеют жесткие утолщения 3, которые на холостой ветви взаимодействуют с парой поддерживающих горизонтальных роликов 4 и парой торцевых роликов 5, сохраняющих корытообразную форму ленты с приподнятыми над уровнем роликов перегородками.

Рис.3. Ленточный конвейер с перегородками

Характерной особенностью ленточного конвейера (рис.4) является

то, что лента представляет собой разрезную резиновую трубу со

10

стыком, проходящим по всей длине трубы. К наружной поверхности трубы I, со стороны, противоположной стыку, крепится полоса с внешней зубчатой поверхностью 2. С полосой входят в зацепление звездочки 3, поддерживающие ленту на восходящей ветви конвейера.

Рис.4. Трубчатый ленточный конвейер с перегородками

Для большей сохранности зубчатой полосы она армируется металлической полоской, выполненной с отверстиями, в которые входят зубья звездочки. В крайних точках лента набегает на ролики, стык трубы при прохождении через ролики раскрывается, и лента огибает ролики, принимая плоскую форму. С внутренней стороны труба укреплена пластинами 4, установленными с определенным интервалом по всей длине ленты. Длина резиновой ленты-трубы может быть 100 и более метров. Конвейер может быть выполнен с любым углом наклона в горизонтальной или вертикальной плоскостях.

Лента конвейера на рис.4 снабжена поперечными стержнями, концы которых соединены с помощью кронштейнов с осями ходовых роликов перегородок. Поперечные перегородки I и оси ходовых роликов 2 шарнирно смонтированы на загнутых концах поперечных

стержней 3 с помощью кронштейнов 4. В описываемом конвейере стержни завулканизированы в ленте 5. Возможно использование двух обычных лент, соединенных способом горячей вулканизации, между которыми с определенным шагом расположены стержни. Перегородки, имея в плане и -образную форму, лежат на ленте, образуя отдельные замкнутые коробы, удерживающие груз от прямого и бокового скатываний.

Рис.5 Ленточный конвейер с и - образными перегородками

Ходовые ролики 2 подвижны на верхней ветви по направляющим 6 и на нижней 7. На нижней ветви перегородки свободно висят на шарнирах. Для уменьшения поперечной жесткости рессор и предохранения ленты от расслоения на верхней ветви установлены плоские роликовы