автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование метода определения нагрузок и снижения металлоемкости цепных конвейеров

На правах рукописи

Никитин Сергей Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК И СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ ЦЕПНЫХ КОНВЕЙЕРОВ

Специальность: 05.05.04 «Дорожные, строительные машины и подъемно - транспортные машины»

- 8 ЛЕН 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2011

005003924

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Смирнов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пертен Юрий Александрович

доктор технических наук, профессор Каразии Владимир Игоревич

Ведущая организация:

ООО «Ижора - Мехаиомоитаж»,

г. Санкт-Петербург, пр. Стачек, 47

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.24 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, корп.1, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан « ¿У » I 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат технических наук, доцент

Бортяков Д. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В машиностроении и многих других отраслях промышленности с массовым и крупносерийным производством широко применяются цепные конвейеры. Ответственность данного типа машин обуславливает высокие требования к надежности и экономичности при эксплуатации, которые напрямую связаны с конструктивными особенностями машин, методами прочностного и усталостного расчета, а главное, с достоверным определением действующих нагрузок.

Увеличение интенсивности грузопереработки на предприятиях требует повышения производительности транспортирующих машин, что обеспечивается увеличением количества груза на единице длины трассы или скоростей транспортирования, что ведет к значительному увеличению металлоемкости машины.

Поэтому встает вопрос о достоверности определения нагрузок на узлы и механизмы конвейеров, что позволит исключить повышение запаса прочности конструкции и приведет к снижению металлоемкости.

Важнейшей проблемой теории цепных конвейеров является определение усилий, вызванных кинематикой зацепления привода с шарниром тяговой цепи. Данной проблемой занимались многие известные ученые - Ганфштенгель Г.Г., Долголенко A.A., Штокман И.Г и целый ряд других ученых. Но использование созданных ими методик не позволяет достоверно определять нагрузки, которые могут отличаться от действительных в несколько раз.

В последнее время разработаны динамические модели, которые применены к расчету нагрузок, возникающих в первой полуволне упругих колебаний. В то же время изучению волновых процессов, таких как явление интерференции волн, до настоящего времени не было уделено должного внимания.

Необходимость более точного определения динамических усилий при учете влияния волновых процессов и создания более точного алгоритма их определения вызвали потребность в разработке новой обобщенной модели динамических явлений и ее реализации в виде программного продукта.

Цель диссертации - создание универсальной комплексной модели динамических процессов в цепных конвейерах, позволяющей достоверно определять дополнительную составляющую нагрузок в узлах и механизмах машин, тем самым предотвращая завышения запаса их прочности, повышая надежность и эффективность.

Задачи исследований сводятся к следующим положениям:

1. Проанализировать известные методы расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах, определить возможность их использования и степень приближения к реальным условиям.

2. Разработать комплексную динамическую и математическую модель с учетом основных факторов, влияющих на колебательный процесс всей совокупности цепных как одноприводных, так и многоприводных конвейеров.

3. Разработать алгоритм решения математических уравнений комплексной модели, позволяющий с большой степенью достоверности определять основные параметры динамического процесса и отвечающий современным возможностям вычислительных машин.

4. Оценить достоверность методик определения упруго-вязких характеристик элементов цепных конвейеров сравнением их с данными существующих экспериментальных исследований и создать алгоритм их теоретического определения.

5. Оценить влияние конструктивных параметров машин на динамические нагрузки и ее собственные частоты.

6. Осуществить проверку степени приближения теоретических решений к действительным процессам в конвейерах с цепным тяговым органом.

На защиту выносятся следующие результаты исследований, полученные лично автором и обладающие научной новизной:

1. Обоснование необходимости совершенствования методики определения динамических нагрузок в цепных конвейерах, опирающейся на анализе известных работ и проблем проектирования машин данного класса.

2. Комплексный подход к созданию динамических и математических моделей рабочих процессов конвейеров с цепным тяговым органом и алгоритма их реализации.

3. Результаты исследований по определению упругих параметров цепных тяговых органов конвейеров с использованием метода конечных элементов.

4. Результаты исследований по учету внутреннего трения в тяговом органе.

5. Результаты исследований волновых процессов в цепных конвейерах, включая явления интерференции.

Совокупность представленных к защите положений следует квалифицировать как решение научной задачи, включающей в себя совершенствование методики определения динамических нагрузок с учетом сложных волновых процессов в элементах машин, что позволит создавать более совершенные транспортные комплексы.

Методы исследования. Теоретические положения работы базируются на известных положениях теории колебаний, математической физики и динамики машин; использовании надежных численных методов, программного обеспечения и достоверных данных экспериментальных исследований, опыта проектирования, и эксплуатации транспортирующих машин.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенный метод позволяет:

- получить достоверные данные о нагруженности узлов и механизмов цепных конвейеров и производить проектировочные расчеты с их использованием;

- определять пути снижения динамических нагрузок, оценить возможность возникновения резонансных явлений, и тем самым повысить эффективность и надежность машин, снизив их общую металлоемкость.

Реализация результатов работы. Основная часть исследований, представленных в настоящей диссертации, выполнена в рамках госбюджетных работ и творческом сотрудничестве с ООО «Ижора - Механомонтаж» г. Санкт-Петербург.

Методические основы и программное обеспечение используются в курсах «Машины непрерывного транспорта», «Специальные машины в логистических

системах», а также в дипломном проектировании выполнении магистерских работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовских научных конференциях в СПбГПУ (2008 - 2011 г.г.) и научно-технических семинарах кафедры "Транспортные и технологические системы" СПбГПУ (2008 - 2011 г.г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 печатных работах, включая 1 работу в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 262 страницах машинописного текста, включает 108 рисунков и 31 таблицу, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников 122 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении поставлены основные вопросы конструирования цепных конвейеров отражающие актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследования, выделены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан вывод о необходимости более точного определения динамических нагрузок в узлах и механизмах цепных конвейеров.

В направлении расчета динамической составляющей, вызванной кинематикой зацепления ведущего шарнира тягового органа с приводным элементом, широко известны работы профессоров Ганфштенгеля Г.Г., Долголенко A.A., Шток-мана И.Г. Однако, предложенные ими зависимости, применимы лишь к конвейерам небольших длин, и непозволительно используются в реальных условиях проектирования.

Работы Глущенко И.П., Головкина Г.Я., Воробьева Н.В. , Гончара М.П, Ро-зенблюма Е.М., Дьячкова В.К., Жулина Н.М., Чевтаева А.Г., Ивашкова И.И., Евграфова В.А., Пертена Ю.А., Черненко В.Д., Чугреева Л.И., а также публикации зарубежных авторов представляют несомненный интерес, но затрагивают в большинстве своем либо частные вопросы, касающиеся определения параметров колебательного процесса конкретных типов цепных конвейеров, либо исследуют динамику цепных передач.

Обобщая опыт многих, в том числе и собственных исследований, институт ВНИИПТМАШ предложил на базе работ Ганфштенгеля Г.Г., Долголенко A.A., Штокмана И.Г. полуэмпирическую зависимость для определения максимального динамического усилия в цепи. Эта методика, как правило, дает значительное завышение величин нагрузок и не учитывает многие факторы колебательного процесса.

Школа, основанная профессором Смирновым В.Н., предложила методику создания динамических и математических моделей на базе дискретизации системы с распределенными параметрами. Однако, степень дискретизации и интервал моделируемого промежутка времени в представленных ими исследованиях был недостаточным для учета в полной мере процессов распро-

странения упругих волн, исследования резонанса и явления интерференции волн.

Эти же недостатки не позволяют достоверно оценить динамические процессы, протекающие в тяговых органах многоприводных конвейеров.

Актуальность рассматриваемых проблем обусловила цель, задачи, содержание исследований и структуру работы в целом.

Во второй главе предложена методика комплексного подхода к построению моделей цепных конвейеров, которая позволяет собирать их из взаимодействующих друг с другом модулей, имеющих различное физическое и математическое наполнение.

Для выполнения трудоемких вычислений был разработан программный продукт. В его состав вошли следующие модули: «тяговый орган», «звездочный привод», «гусеничный привод», «отклоняющее устройство», «натяжное устройство», «грузовые единицы».

Модуль «тяговый орган» является связующим между всеми остальными, которые делятся на ведущие, способные создавать требуемое воздействие, и ведомые, являющиеся динамической нагрузкой.

Подвижные части конвейера могут быть представлены моделью эквивалентного упруго-вязкого стержня с распределенными параметрами, что наиболее актуально, либо дискретной системой с сосредоточенными массами, которая должным образом исследована в ранних работах по данной тематике.

Модель тягового органа строится в относительных координатах, выделяя только динамическую добавку. Поэтому из уравнений движения исключаются члены, связанные со статическим нагружением элементов.

Представляя тяговый орган моделью эквивалентного упруго-вязкого стержня, движение упругой волны будет определяться волновым уравнением вида: д2и 2дги ц¥ д3и Ги,х)

-= У--Н —---' //)

811 дх2 р^ дх2д( р/7 1 у

Скорость распространения упругой волны в тяговом органе у определяется по формуле:

у рр V ™о '

где Ец - модуль упругости цепи; »¡0 = рИ - параметр, характеризующий загрузку конвейера, кг/м. Коэффициенты р, Р соответственно имеют смысл плотности материала и площади сечения стержня.

Член /(/, х) определяет действие приложенных внешних нагрузок, коэффициент т] определяет уровень поглощаемой системой энергии и имеет размерность коэффициента динамической вязкости, кг • лГ1 ■ с~'.

При /(!, х) = О и г/ = 0 легко определить собственные частоты Я для стержней из одного или нескольких участков, моделирующих загрузку конвейера:

, л-v-i

А =- - при равномерной загрузке,

L

с i \ / >1 \ /

Iя , 1 ■ л г 1 Га . ^ .Га

v2-cos —•£, ■sin —L2 +v,-cos —¿2 -sin — ) ) lv2 J ^V,

- при неравномерной загрузке с двумя участками,

(Л г)( (Л Г).(А ,) ,(ЛТ v2 -eos —L, ■ v3 -cos—L2 sin —¿3 \ + v2 -sin —L

'V

= 0

v3-cosí — -L2 Isinl — l + v,-sinf — -L, Icosf— -L, | +

I U J U J lv2 2 J [v3 3JJ

+V,

- при неравномерной загрузке с тремя участками,

В частотных уравнениях L, I,, Ьг, Z3, v, v,, v2, v3 - соответственно длины участков и скорости распространения упругой волны.

Задача о колебаниях в цепном конвейере более сложна и требует использования надежных численных методов и вычислительных ресурсов ЭВМ.

¿"г

//л,л. //_ //_, н.. II. ¡и..

f* г) С* г 1 ' L

sin —ц • v2 -COS —¿2 COS

J J Уъ

-■L} -v3 -sin

А

--L, Sin

Vv3

-lA\ = O.

Рис. 1. Динамической модель тягового органа с сосредоточенными параметрами в сопряжении с приводом и натяжным устройством

При решении уравнения (1) используют метод конечных разностей. При этом упруго-вязкий стержень разбивают на необходимое количество узлов с шагом Ах по координате (рис. 1).

Используя неявно-явную схему Кранка-Николсона получаем систему алгебраических уравнений:

д2и„,

аI2

= 0,5

,2 ^ ^„,.,4,

дх2

рРт 8х2д1

+ 0,5

у2 М..Н , Ч?т

дх2 ря;, дх2дI

У/?;,/

г л'

= 0,5

дх'

рр, дх2ёI

2 ^ эа1/,.н

V,- -г— + •

а^2

¿ы.. Я'

В

= 0,5

2 <5 ^ ПР„

аг2 р/="„ &га/

+ 0,5'

(.2 е2и*..н , ^,./4 "" дх2 рР„ дх2д!

рК

Производные вида 8 ии. д являются конечноразностными разложением дх2

ями для каждого узла. Индекс г указывает на координату расположения узла вдоль стержня / = {т...п}, при этом узлы с номерами тип являются граничными с другими объектами комплексной модели. Индекс / указывает на итерацию по времени.

Для определения перемещений узлов и \ на искомом временном уровне ]+1 необходимо иметь начальные и и¡ , и граничные иоп, и022 условия (рис. 1).

Для решения системы (3) наиболее эффективным считается использование метода прогонки, являющегося частным случаем метода Гаусса.

После расчета функции перемещений {/,■ • на всем временном участке определение динамических усилий в цепи осуществляется по формуле:

Дх

■рм -и,)

Динамические усилия, действующие на связанные с тяговым органом объекты, с учетом неравномерности разбиения стержня на концах участков определяем согласно соотношениям:

Рои Лит-ит+х)^--иоп |,

(4)

ЕР„

Ах

Ро22=~г1-\и022 -ип_х-(ип-ип_])

Ах-,

Ах

(5)

В относительной системе координат движение шарнира цепи набегающего на приводную звездочку, подчиняется следующей зависимости:

Уш (/) = V • соз((У • / - к / г)-^3 Ю 2 • в1п( тг / г),

к

(б)

где V - скорость движения цепи, К} - радиус делительной окружности приводной звездочки, со - угловая частота вращения.

При нечетном числе зубьев г движения набегающего и сбегающего звеньев цепи происходят с разностью фазы л

Для набегающего шарнира при гусеничном приводе обобщенный закон движения имеет вид:

1

сов2 [а - <р „(/)]

-V

1-

(Я + е)-(1ё[а]-а)

'п з

I

пз

при / < /а;

при <1<1т.

(7)

где (а=а/о) - время контакта кулака приводной гусеницы и шарнира тяговой цепи; 1П) = 1П1 / V - период перезацепления; а - начальный угол зацепления, принимается а =5° -15°; 1ПЗ - шаг кулачков цепи гусеничного привода; со = V /(/? + е) - угловая скорость вращения звездочек привода; Л - радиус делительной окружности приводной звездочки; е - расстояние между плоскостью зацепления кулачков и осью гусеничной цепи привода.

Отклонения перемещений выходных узлов от законов (6) и (7) обусловлены влиянием динамических характеристик приводов, включенных в их модели согласно схемам рис. 2.

Модель звездочного привода (рис. 2, а) описывается следующей системой уравнений:

Мпг ' - ~Спр " ХПР - ЬПР ■ ХПР + РПР, + Рпрг

{/ЗВ+МЦ ■Й32\{ф1 -ф)=(Р1г-Р2т)Я3-С<р-{<р,-<р)-Ь,„ -ф).

•¡пр ■ Ф = Р ■ '2 'Ф + Су ■ (<р, - <р)+ Ьу ■ (ф, -ф)

а) б)

Рис. 2. Динамические модели а) звездочного и б) гусеничного приводов Для гусеничного привода (рис. 2, б) система уравнений примет вид:

М

ПР ЛПР

- Спр ' хпр ЬПР ■ хПР + Р,;

(2 Jзв+Jк)■(ф^-ф)=РТ •(Я + е)-Сч,-(Ч>1 -<р)-Ъ9 -(р,-ф);.

-1 прив ■ Ф = Р '<1 ■ Ф + Ц, ' {ч> 1 - V)'+ ¿V ■ (ф, - ф )

Параметры, входящие в системы, имеют следующий физический смысл: МПР - масса привода; м ц - масса цепи, лежащей на приводной звездочке;

^прив " момент инерции привода, приведенный к выходному валу; ./зв - момент инерции приводной звездочки; - суммарный момент звездочек привода и приводной цепи; СПР и ЬПР - параметры жесткости и демпфирования рамы привода; Ср и Ъ9 - параметры жесткости и демпфирования элементов привода на кручение; /3 - параметр, характеризующий жесткость механической характеристики двигателя; г - передаточное число механизма.

Усилия РПР1, РПР2 и Р], определяемые по соотношениям (5) и (6), действуют со стороны тяговой цепи на приводную звездочку и кулак гусеничного привода соответственно. Ри, Р2т и Рт их составляющие, действующие касательно звездочкам.

Решение систем уравнений, описывающих сосредоточенные устройства, осуществляется методом Рунге-Кутга 4-го порядка.

Динамическая модель натяжного устройства (рис. 3, я) описывается системой:

Vну + Мц-Л2}ф = (Р,-Р2)-Я;

' мну ' Х/1У =Ц+Р2 + Сг -{хг- хиу) + ЬПР ■ (хг - хиу) + 1ГГР; (8)

Мг-хг =Сг-(хну-хг)+ЬПр-(хну-хг),

где <р - относительный угол поворота звездочки; хну - перемещение рамы натяжного устройства; хг - перемещение груза натяжного устройства; 3¡¡у -момент инерции вращающихся элементов натяжного устройства; Мц - масса тягового органа, вращающаяся совместно с отклоняющей звездочкой; М ну - масса элементов натяжного устройства, совершающих продольные колебания; м г -масса натяжного груза; сг и Ьг - параметры жесткости и демпфирования рамы устройства, натяжной пружины либо элемента подвески груза в зависимости от

Рис. 3. Динамические модели а) натяжного и б) отклоняющего устройств, грузовых единиц в) с упругой подвеской г) с подвеской е виде маятника 10

типа натяжного устройства; WTP- сила сухого трения, действующая на раму устройства.

Колебания отклоняющего устройства (рис. 3, б) могут быть представлены первым уравнением системы (8), учитывая момент инерции ее вращающихся частей Joy.

Усилия Р, и р2 определяются соотношениями (4) и (5).

Выражения для определения координат выходных узлов примут вид:

ину1 =к-<р+*НУ ; U'Hy2=R-<p-xHy.

При моделировании загруженности цепного конвейера пользуемся допущением, считая подвеску, толкатели, иные грузозахватные элементы абсолютно жесткими. В этом случае вся масса груза Мг и иного навесного оборудования Мт считаются распределенными по загруженному участку трассы: qr = (Мг+Мт)-кг/1п

?

где 1П - шаг установки грузов на конвейере, к г - коэффициент участия груза в динамическом процессе, часто принимаемый равным кг = 1.

Допущение об абсолютной жесткости крепления груза относительно цепи справедливо для пластинчатых, тележечных конвейеров, а также там, где жесткость грузонесущих органов достаточно велика.

Для уточнения динамической модели конвейера возможно введение в нее грузовых единиц как сосредоточенных объектов (рис. 3, в, г).

В этом случае модель с упругой подвеской, в общем случае, описывается системой:

jmT ■ хт= (lJrF -хт)-ст + (urE-xT)-bT +(хг -хГ)-сГ+(хГ ~xT)-br \аг-хг=(хп ~хг)-с,- I {х„ ~xr)-br

?

где UrE - перемещение узла модели тягового элемента, связанного с грузовой единицей; тт = Мт ■ cos(/3) - часть массы тележки и подвески, действующая перпендикулярно участку трассы; сг, Ьт, сг, Ьг - упруго-вязкие параметры толкателя и подвески груза; аг - инерциальный коэффициент, зависящий от параметров подвески и наклона трассы.

Для модели с подвеской в виде физического маятника справедливы выражения:

(mT +mr)-xT+ тг •1-ф = (иГЕ ~xr)-cT+(urE-хт)-Ьт {pifl2 + Jr)-<p + mr -1-хт= ~mr-g-l-<p-MT где Jг - момент инерции груза относительно собственной оси; Мт - момент от сил трения в шарнире подвески.

Каждое из сосредоточенных устройств в составе полной модели, построенной по комплексной схеме, обменивается взаимодействиями с упруго-вязким стержнем, связывающим их в единую систему (рис. 4).

Рпдф~Рпп Мх)\ )Цп ЖЯ" ртч

Рис. 4. Обобщенная схема комплексной модели

Организация такой системы требует четкого определения входных и выходных воздействий, и распределения ресурсов ЭВМ между модулями.

Программная реализация комплексной модели позволяет в кратчайшие сроки создать модель проектируемого устройства и определить величины динамических усилий с достаточной степенью точности. Кроме этого существует возможность исследовать модель на предмет уменьшения динамической добавки, либо недопущения резонансных явлений.

Третья глава посвящена оценке упруго-вязких параметров элементов цепных конвейеров.

В условиях дефицита времени и ресурсов натурное определение основных характеристик системы, содержащихся в моделях, неприемлемо. Поэтому актуальным становится вопрос их определения иными методами.

Для определения обобщенного модуля упругости Н0 , т.е. жесткость одного метра тягового органа, предложены два метода: исследование конечно-элементной модели цепи, или использование простейшей расчетной модели.

Сравнение результатов расчета для цепей типа Р2 по конечно-элементной модели с данными натурных экспериментов показало отклонения, не превышающие 15%.

Так, при растягивающих усилиях, находящихся в пределах рабочих для 1 данного типа цепей, погонная жесткость составляет: 1,61 • 107 Н/м - для моделей цепей Р2-100; 3,Ы07Н/м - для модели цепи Р2-160-290; 5,04-107 Н/м - для Р2-160-400.

Однако факт существования зоны с меньшей жесткостью (рис. 5) при низких усилиях растяжения, исследование конечно-элементных моделей не показа-

I

Аналитическое выражение для определения жесткости одного метра разборной цепи имеет вид:

_ 6 • Е ■ л ■ I ■ ¿/34 • ■ Г2

где , , /[ и ¡2 площади поперечного сечения и длины наружной пластины и внутреннего звена соответственно; - диаметр оси; /3 - длина оси цепи.

Коэффициенты суммарного влияния изгибных и контактных деформаций элементов разборной цепи были определены по расчетам конечно-элементных моделей: К\ = 1,31; К2 = 2,93; = 2,35. При этом отклонение расчетного значения погонной жесткости по аналитической зависимости также не превышает : 15%.

, Для определения обобщенного коэффициента внутреннего трения т~)Р в тя-

1 говом органе, предложено использовать зависимость вида:

2-я-со

позволяющую вводить в модель сопротивление, независящее от циклической частоты внешних возмущений со при поглощении энергии на уровне заданного ко-1 эффициентом у/ значения, что было подтверждено рядом численных экспериментов.

Сосредоточенные объекты, такие как привод, отклоняющее и натяжное устройства, способны кроме поглощения энергии системы вызывать эффекты ее перераспределения между ветвями тягового органа.

Проведенные численные эксперименты говорят об их сильном влиянии, что свидетельствует о сложности динамических процессов, протекающих в узлах ' цепных конвейеров. I

I

) 13

I

а) б)

Рис. 5. Графики зависимости удлинения одного метра цепи (А1) от натяжения (8) а) при натурном эксперименте, б) при расчете по конечно-элементной модели

зоэсс 25000 2000С 150СС

юсес 5000 с

-5С03

о- д-ко - А - я-ке<яр

0,0000 0.0005 0,0010 0,0015 0.0020 0.0025

Удлинение 1 м цепи, м

Р2-1О0-16О —18—Р 2-100-220

Р2-160-290 Р 2-16 0-400

Удлманга»« 1м цепя Д1, м

--е~«мвэч»

45600 40000

1

«Г 3500Й £

5 30000 >•

* 25000 ?

2 20000 О

5 15000

ы 10000 а.

5000

Четвертая глава посвящена исследованию динамики одноприводных и многоприводных конвейеров и экспериментальной проверке расчетных данных.

Исследования показали, что результаты использования известных аналитических зависимостей, при определении максимальных динамических усилий в цепи конвейера, отличаются от полученных расчетом по полной динамической модели в среднем на 40-800%.

Исследования опровергают результаты расчета динамических усилий по соотношениям Ганфштенгеля или Долголенко и другим известным моделям цепных конвейеров. Возникающее максимальное динамическое усилие не пропорционально массе движущихся частей. В некоторых случаях при одинаковой скорости и длине трассы усилие в незагруженном конвейере может превосходить усилия при загруженной трассе.

Расчеты по динамической модели, кроме максимальной и минимальной величин динамических усилий в цепи, позволяют определять примерные координаты их возникновения, переменные составляющие нагрузок, передаваемых на раму привода, грузовую связь в натяжном устройстве, проследить изменение скорости вращения приводного вала при учете жесткости механической характеристики.

г =10 г=13

в ДИН, Н Я ДИН,Н

0,167 0,33 0,521 0,75 1

га НГ 88 Г V, м/с

б)

Рис. 6. Гистограммы максимальных динамических усилий цепных конвейеров со звездочным приводом рассчитанных по а) упрощенной и б) полной моделям при различном числе зубьев

приводной звездочки Длина трассы Ь = 242 м. НГ - ненагруженный, Г - нагруженный

Наглядным является сравнение величин нагрузок определенных по упрощенной модели с полной (рис. 6). При малых скоростях транспортирования (V = 0,167 м/с) расчетные нагрузки близки. С увеличением скоростей в полных моделях они уменьшаются, что говорит о возрастании влияния сосредоточенных

1500

1000

500 о

0,167 0,33 0,521 0,75 1

мнг ж г V, м/с

а)

а дин. н 3000 2500 2000

устройств, однако в некоторых случаях волновые процессы настолько интенсивны, что приводит к значительному увеличению искомых параметров (рис. 6, б (V = 1 м/с)).

Удобство использования гусеничного привода заключается в том, что его можно установить на любом прямолинейном участке трассы, а выбор наиболее оптимального места позволяет значительно уменьшить статические нагрузки. Однако динамическая составляющая в значительной степени зависит от кинематических параметров зацепления и может оказаться значительной.

Учет в модели отдельных грузовых единиц влияет на максимальные динамические нагрузки при высоких скоростях. Так для модели с длиной трассы 242 м, при 0,521 и 1 м/с, снижение составило 45 - 55%. При скорости 1 м/с в модели с длиной цепи И 00 м снижение составило около 6%. На малых скоростях результаты неоднозначные, при этом результирующие нагрузки могут быть как меньше, так и больше определенных без учета отдельных грузов.

Данные выводы относятся лишь к ряду частных экспериментов. Результаты могут кардинально меняться в зависимости от параметров моделируемой системы.

Задача исследования динамики многоприводных конвейеров с цепным тяговым огранном не менее актуальна.

заоэ

2ЫН!

2ШЯ 1530 1®3 5®

Ч,Ш! I я) 6 » к

Ь=450 м

г)

Рис. 7. Схемы загрузки трассы многоприводных конвейеров (а), (б), (в) и гистограммы максимальных динамических усилий в тяговом органе при различных схемах загрузки (г)

г =10 м» шу г =13

В этом направлении проводились исследования влияния на величину максимальных усилий схемы загрузки трассы конвейера (рис. 7, а, б, в) и несинхронности зацепления приводов с шарниром тяговой цепи.

Гистограммы результатов расчетов показывают, что при высоких скоростях (1,2 м/с) влияние схемы загрузки трассы значительно, и отличие величин усилий может достигать 75%. На низких скоростях отличия составляют менее 15% (рис.7, г).

Несинхронность зацепления приводами тяговой цепи обусловлена как упругостью тягового органа, так и взаимным расположением приводов вдоль трассы. По результатам исследования на моделях с равномерной загрузкой (рис. 7, а) несинхронность зацепления привода №2, относительно двух остальных, может привести к увеличению максимальных динамических усилий на величину составляющую до 50% (рис. 8).

При проектировании новых машин следует учитывать все возможности несинхронной работы приводов, проводя соответствующие расчеты. ядин,н в дин, и

----------2000 т---

2500 2000 1500

..«•--»--*.........................................................

1080

Ш

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 С,6 0,8 1

—•—У=0,167 У=9,521 —*—¥=1 - • -\'-2 —•—у=0,167 ••■■»••• У=0.521 —У=1 - » -У=2

Ь = 450 м г = 10 1 = 450 жг = 13

Рис. 8. Графики зависимости максимальных динамических усилий в трехприводном конвейере от несинхронности зацепления приводов

Возникновение резонансных явлений в реальных машинах ведет к значительному повышению действующей динамической нагрузки, изменению нормального режима работы ее узлов, а, следовательно, к более быстрому их изнашиванию и поломке. Расчет по динамическим моделям так же позволяет выявить возможность возникновения подобных явлений.

Процесс резонанса в тяговом органе возникает при совпадении частоты возмущений, вызываемых кинематикой зацепления привода, с собственными частотами, которые обычно определяются по соотношению (2).

Кинематическому возмущению подвергаются звенья цепи как сбегающей, так и набегающей на приводное устройство. При этом образуются две движущиеся навстречу друг другу волны деформации.

В звездочном приводе с четным числом зубьев звенья набегающей и сбегающей цепей движутся в одной фазе, а образующиеся волны деформаций имеют разный знак. Это приводит к тому, что резонанс в тяговом органе возникает только при совпадении частоты возмущений с собственными с нечетными номе-

рами / (по формуле 2). В приводах со звездочкой с нечетным числом зубьев обратная ситуация. Данный факт упускается в литературе, посвященной данной тематике.

В моделях с гусеничным приводом, из-за допущения, что шарнир цепи взаимодействует только с одним кулаком, должны реализовываться нечетные собственные частоты.

Резонанс в тяговом органе - волновой процесс, а реальные машины представляют собой сложные системы, состоящие не только из тягового органа. Действие других элементов может оказывать сильное влияние на перераспределение волн деформации, изменяя значения собственных частот обычно в меньшую сторону, снижая при этом скорость роста динамических нагрузок. Аналитически рассчитать собственные частоты для такой системы невозможно, что говорит о необходимости использования комплексной модели.

Проведение экспериментальных исследований цепного конвейера в условиях производства связано с целым рядом трудностей. На кафедре транспортных и технологических систем СПбГПУ был создан специальный исследовательский комплекс.

Он включал в себя промышленный двухприводной грузонесущий конвейер (ГНК) длиной 48,6 м с тяговой двухшарнирной цепью.

Замер напряжений, а, следовательно, и натяжений в тяговой цепи осуществляется методом электротензометрирования.

По данным записанных осциллограмм, можно определить максимальный размах динамических усилий в тяговой цепи. Для стендового конвейера, при работе от одного привода, он составил - 730 Н, от двух приводов - 530 Н.

Расчет по динамической модели показал максимальный размах динамических нагрузок в 768 Н и 542 Н соответственно. Таким образом, отклонение рассчитанных величин не превышает 10% от данных натурного эксперимента, что свидетельствует о достоверности получаемых результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Главным итогом диссертационного исследования является более совершенный метод определения динамических нагрузок в тяговом органе цепных конвейеров, построенный на принципе совмещения моделей различных узлов в единую систему. Это позволяет решать проблемы, связанные с определением нагрузок при расчете и конструировании элементов конвейера. Также возможно обосновать повышение скорости транспортирования и производительности при снижении динамической составляющей, тем самым расширив вклад в совершенствование транспортно-технологического оборудования, используемого в условиях массового и крупносерийного производства.

Цель работы была достигнута выполнением комплекса задач, включающих в себя:

1) анализ известных методов расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах, определение возможности их использования и степени приближения к реальным условиям;

2) разработку комплексной динамической и математической модели с учетом основных факторов, влияющих на колебательный процесс всей совокупности цепных как одноприводных, так и многоприводных конвейеров;

3) разработку алгоритма решения математических уравнений комплексной модели, отвечающего современным возможностям вычислительных машин;

4) оценку достоверности методик определения упруго-вязких характеристик элементов цепных конвейеров;

5) оценку динамических нагрузок возникающих при рабочих процессах цепных конвейеров, а также в резонансных режимах;

6) проверку степени приближения теоретических решений к действительным процессам в конвейерах с цепным тяговым органом.

Исследования могут быть использованы для всей гаммы машин непрерывного транспорта с цепным тяговым органом.

Полученные результаты позволяют достоверно определять усилия в тяговом органе цепного конвейера, а следовательно, повышать надежность машин и сокращать приведенные затраты на транспортирование груза.

Совокупность основных результатов работы может быть представлена в форме следующих кратких выводов:

1. Анализ существующего состояния исследований по данной проблеме позволил сделать вывод о необходимости совершенствования метода расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах.

2. Разработаны принципы создания комплексной модели цепных конвейеров, состоящей из системы объединенных кинематико-силовым взаимодействием друг с другом моделей отдельных устройств. Модель тягового органа принята системой с распределенными параметрами и описывается уравнением в частных производных. Звездочный и гусеничный привода, отклоняющее, натяжное устройства, грузовые единицы представляются сосредоточенными моделями и описываются системами дифференциальных уравнений.

3. Разработана универсальная программа, позволяющая создавать модели цепных конвейеров по комплексному методу. При решении уравнения тягового органа используется конечноразностный метод построенный по неявно-явной схеме Кранка-Николсона. Уравнения описывающие сосредоточенные устройства решаются методом Рунге-Кутта 4-го порядка.

4. Усовершенствованы методы определения упруго-вязких параметров элементов цепных конвейеров. Это позволило учесть нелинейную зависимость между нагрузкой и деформацией тяговой цепи, рассеивание энергии упругих колебаний и тем самым более точно определить динамические нагрузки и другие параметры рабочих процессов конвейера.

5. Совокупность результатов исследований динамических моделей конвейеров привела к выводу о том, что полную картину динамических процессов возможно определить только путем расчета по предложенной полной динамической модели.

Влияние неравномерности загрузки трассы конвейера, несинхронности зацепления приводов, числа зубьев приводной звездочки на динамические нагрузки неоднозначно.

6. Существующие экспериментальные исследования подтвердили достоверность результатов, получаемых при использовании полных динамических моделей.

В целом результаты исследований позволяют осуществлять расчет цепных конвейеров с учетом их реального нагружения, определять пути снижения нагрузок и повышения эффективности транспортирующих машин.

В работе доказана перспективность данного направления научных исследований, что позволяет прогнозировать дальнейшее расширение сферы его применения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В рецензируемых журналах, входящих в реестр ВАК РФ:

1. Смирнов В.Н., Никитин C.B. Логистическая модель для исследования волновых процессов // Научно технические ведомости СПбГПУ. - 2010. № 3: Наука и образование. - Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ. -2010. С. 78-85

в других изданиях:

2. Никитин C.B., Смирнов В.Н. Исследование волновых процессов в лестничном полотне эскалатора // Материалы Всероссийской межвузовской научно технической конференции студентов и аспирантов. - Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ. - 2007. С. 56-57

3. Никитин C.B., Смирнов В.Н. Комплексная модель динамических процессов в цепном конвейере // Материалы Всероссийской межвузовской научно технической конференции студентов и аспирантов. - Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ. - 2008. С.86-87

4. Никитин C.B. Особенности динамических моделей конвейеров с цепным тяговым органом // Материалы Всероссийской межвузовской научно технической конференции студентов и аспирантов. - Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ. - 2008. С. 148-150

5. Никитин C.B., Смирнов В.Н. Пути снижения нагрузок и металлоемкости конвейеров // Материалы Всероссийской межвузовской научно технической конференции студентов и аспирантов 24-29 ноября. - Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ. - 2008. С. 163-164

6. Никитин C.B. Особенности динамических моделей конвейеров с цепным тяговым органом // Всероссийская межвузовская научная конференция студентов и аспирантов 24-29 ноября 2008. Материалы лучших докладов. -Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ. - 2008. С. 89-91

7. Смирнов В.Н., Никитин C.B. Методические проблемы изучения динамики конвейеров в курсе "Машины непрерывного транспорта" // Машиностроение в условиях инновационного развития экономики. Сборник тезисов и докладов научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ. - 2009. С.76-83

Подписано в печать 11.11.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8323Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение.

1. Актуальность проблемы определения динамических нагрузок в цепных конвейерах.

1.1. Анализ нагрузок в элементах цепных конвейеров

1.2. Обзор работ по исследованию динамических процессов в цепных конвейерах

1.3. Постановка цели и задач работы.

2. Комплексная модель конвейеров с цепным тяговым органом

2.1. Принцип модульности в комплексной модели.

2.2. Модель тягового органа.

2.3. Численный метод решения уравнения динамики тягового органа.

2.4. Кинематика и динамика звездочного и гусеничного приводов

2.5. Модели натяжного и отклоняющего устройств.

2.6 Моделирование нагрузки цепных конвейеров.

2.7. Алгоритм функционирования комплексной модели.

2.8. Выводы по главе.

3 Определение упруго-вязких параметров элементов цепных конвейеров.

3.1 Определение упругих параметров тягового органа.

3.1.1. Стендовое определение жесткости разборных цепей.

3.1.2. Расчетное определение жесткости разборных цепей.

3.1.3. Расчетное определение жесткости пластинчатых цепей типа М224, МС224 и твухшарнирной цепи Д

3.2. Определение вязких параметров элементов цепных конвейеров

3.2.1. Характеристика сил трения в механических системах

3.2.2. Внутреннее трение в тяговой цепи.

3.2.3. Исследование поглощения энергии в области сопряжения груженой и порожней ветвей трассы.

3.3. Исследование поглощения энергии на сосредоточенных устройствах.

3.3.1. Анализ данных численных экспериментов.

3.3.2. Определение упругих параметров модели привода.

3.4. Выводы по главе.

4. Исследование динамических процессов в цепных конвейерах и практическая реализация работы

4.1. Исследование динамических нагрузок в моделях с одним приводом.

4.1.1. Исследование усилий в конвейерах со звездочным приводом по упрощенной динамической модели.

4.1.2. Исследование нагрузок в конвейерах со звездочным приводом при помощи комплексной модели.

4.1.3. Исследование нагрузок в конвейерах с гусеничным приводом.

4.1.4. Исследование нагрузок в моделях конвейеров с учетом отдельных грузовых единиц.

4.2. Исследование динамики многоприводных конвейеров.

4.3. Моделирование резонансных процессов.

4.4. Обоснование достоверности комплексной модели на основе стендовых испытаний.

4.5. Выводы по главе.

В машиностроении и многих других отраслях промышленности с массовым и крупносерийным производством широко применяются цепные конвейеры [67, 72, 73, 78, 79]: Ответственность данного* типа машин обуславливает высокие требования к надежности и экономичности' при эксплуатации [14, 36, 44, 52, 53, 61, 69, 74], которые напрямую связаны с конструктивными особенностями машин, методами прочностного и усталостного расчета, а главное, с достоверным определением действующих нагрузок.

Увеличение интенсивности грузопереработки на предприятиях требует повышения^ производительности транспортирующих машин, что обеспечивается увеличением количества груза на единице длины трассы или скоростей транспортирования.

Первая возможность связана со значительным повышением статической нагруженности конвейера, высокой металлоемкостью; ходовой и опорных частей; высокими приведенными затратами на перевозку груза. Проектировщики чаще всего проблему повышения производительности решают именно таким образом. Чтобы снизить металлоемкость конвейеров можно идти: несколькими путями: повышать? скорость транспортирования, привод устанавливать в месте трассы; когда, минимальное усилие в тяговом органе будет наименьшим,- конвейеры большой длины делать многоприводными.

Вместе с тем важнейшей задачей является достоверное определение нагрузок на узлы и механизмы конвейеров, что так же приведет к снижению металлоемкости.

Скорости транспортирования в цёпных конвейерах обычно связаны с технологическим процессом, условиями загрузки и разгрузки, характеристиками грузов и не превышает одного-двух метров в секунду. Увеличение скорости неизбежно ведет и к повышению динамических нагрузок различной природы. Это нагрузки, возникающие в моменты пуска и торможения, нагрузки вызванные кинематикой зацепления, нагрузки, возникающие при различных сопутствующих процессах, таких как разгрузка или загрузка, стопорение или зацепление тележек с грузом.

Важнейшей проблемой теории цепных конвейеров является определение усилий, вызванных кинематикой зацепления привода с шарниром тяговой цепи. Данной проблемой занимались многие известные ученые - Ганфштенгель Г.Г., Долголенко A.A., Штокман И.Г и целый ряд других ученых. Но использование созданных ими методик не позволяет достоверно определять нагрузки, которые могут отличаться от действительных в несколько раз.

В последнее время разработаны динамические модели, которые применены к расчету дополнительных нагрузок, возникающих в первой полуволне упругих колебаний. В то же время изучению волновых процессов, таких как явление интерференции волн, до настоящего времени не было уделено должного внимания.

Широкое^ применение в промышленности многоприводных систем обусловлено рядом преимуществ [106, 118, 120, 121]. Динамика таких комплексов рассмотрена в ряде работ последних лет [76, 77]. Не смотря на это, данная проблема требует дополнительных исследований.

Необходимость более точного определения динамических усилий при учете влияния- волновых процессов и создания более точного алгоритма их определения вызвали потребность в разработке новой обобщенной модели динамических явлений и ее реализации в виде программного продукта.

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

1. Проанализировать известные методы расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах, определить возможность их использования и степень приближения к реальным условиям.

2. Разработать комплексную динамическую и математическую модель с учетом основных факторов, влияющих на колебательный процесс всей совокупности цепных как одноприводных, так и многоприводных конвейеров.

3. Разработать алгоритм решения математических уравнений комплексной модели, позволяющий с большой степенью достоверности определять основные параметры динамического процесса и отвечающий современным возможностям вычислительных машин.

4. Оценить достоверность методик определения упруго-вязких характеристик элементов цепных конвейеров сравнением их с данными существующих экспериментальных исследований и создать алгоритм их теоретического определения.

5. Оценить влияние конструктивных параметровг машин-на динамические нагрузки и ее собственные частоты.

6. Осуществить проверку степени приближения теоретических решений к действительным процессам в конвейерах с цепным тяговым органом.

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

1. Обоснование необходимости совершенствования методики определения динамических нагрузок в цепных, конвейерах, опирающейся на анализе известных работ и проблем проектирования машин данного класса.

2. Комплексный подход к созданию динамических и математических моделей рабочих процессов конвейеров с цепным тяговым органом, и алгоритма их реализации.

3. Результаты исследований по определению упругих параметров цепных тяговых органов конвейеров с использованием метода конечных элементов.

4. Результаты исследований по учету внутреннего трения в тяговом органе.

5. Результаты исследований волновых процессов в цепных конвейерах, включая явления интерференции.

Совокупность представленных к защите положений следует квалифицировать как решение научной задачи, заключающейся в раскрытии сложных динамических процессов, сопровождающих работу цепных конвейеров, совершенствовании динамических и математических моделей по определению нагрузок и использовании полученных результатов для создания более совершенного транспортирующего оборудования, имеющего важное народно хозяйственное значение.

Достоверность научных положений и выводы по работе базируются на накопленном опыте теоретических исследований, проектирования и реального воплощения в узлах и механизмах цепных конвейеров; использовании апробированных методов вычислительной математики, теории колебаний и динамики машин; математического программирования; необходимым объемом существующих экспериментальных данных, полученных предшественниками на стендах и полупромышленных установках, в производственных условиях.

На практике, использование предлагаемого метода требует применения специального программного обеспечения, но позволяет рассчитывать узлы и механизмы машин с учетом более точных данных об их действительном нагружении, а так же оценить возможности снижения нагрузок и металлоемкости путем изменения конструктивных и эксплуатационных параметров машины.

Основное содержание диссертации отражено в десяти печатных работах. Отдельные разделы работы докладывались на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах.

Работа выполнена на кафедре транспортных и технологических систем Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в 2009-2011 г.г.

4.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. При моделировании конвейерных систем учтены дополнительные факторы, в полной мере отражающие реальные процессы в машинах, что позволяет:

- оценить несостоятельность предложенных ранее методик расчета динамических нагрузок вызванных кинематикой зацепления привода;

- более точно определять динамические нагрузки в тяговом элементе конвейера и его элементах в установившемся режиме работы;

- определять изменения, в конструкции машин, позволяющие снизить дополнительные усилия. ,

2. Анализ результатов расчетов по полным моделям конвейеров позволил сделать следующие выводы:

- аналитические методы определения динамической добавки часто дают значительно завышенное значение искомого параметра, которое прямо пропорционально нагруженности конвейера. Это показали еще исследования [76, 77, 81];

- дискретные модели, созданные профессором В.Н. Смирновым, использовались для определения максимальных динамических нагрузок вызванных кинематикой зацепления только в первой полуволне зацепления. Дискретность модели при этом была достаточно мала. Это не позволило оценить влияние процессов сопровождающих распространение упругих волн в тяговом органе, таких как явления интерференции и резонанса. Поэтому эти результаты нельзя сравнивать с данными полученными в данной диссертации;

- устойчивость используемого метода конечных разностей для решения основного уравнения динамики тягового органа не означает, что невозможна неустойчивость системы в целом. Это явление наблюдается в нескольких моделях коротких конвейеров, что, возможно, свидетельствует о возникновении резонансных явлений в одном из механизмов;

- учет отдельных грузовых единиц в системе снижает результирующие динамические нагрузки в среднем на 5-50% в зависимости от скорости транспортирования и длины трассы конвейера и параметров грузовых единиц;

- исследование динамических процессов в многоприводных системах показало, несостоятельность утверждений о том, что неравномерность нагрузки участков трассы и несинхронность работы приводов непременно ведут к повышению динамической добавки [77].

3. Моделирование резонансных процессов позволило сделать следующие выводы:

- выражения 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 позволяют достоверно определить собственные частоты тягового органа конвейера, но не учитывают влияния остальных механизмов машины, поэтому они применимы только для грубой оценки спектра;

- к резонансу в цепи приводят кинематические возмущения совпадающие по частоте с собственными, при этом для четного числа зубьев1 необходимо их совпадение с нечетными номерами собственных частот, для нечетного числа зубьев звездочки - с четными;

- введение в систему дополнительных динамических параметров устройств может значительно изменить состояние системы, сместив резонансную частоту и снизив интенсивность нарастания нагрузки. Исключением считается случай, когда сосредоточенное устройство располагается в области минимальных динамических возмущений и не оказывает значительного влияния на систему.

8. Совокупность исследований приводит к выводу о том, что не существует замкнутой аналитической зависимости между параметрами, вводимыми в модель, и получаемыми результатами. Поэтому, для получения более достоверных результатов необходим расчет для каждой возможной ситуации изменения динамических составляющих системы.

9. Сравнение результатов моделирования с данными стендовых испытаний показали достоверность определения искомых параметров при помощи комплексных моделей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом диссертационного исследования является метод определения динамических нагрузок в тяговом органе цепных конвейеров построенный на принципе совмещения моделей различных узлов в? единую систему. Это» позволяет решать проблемы связанные с определением нагрузок при расчете и конструировании элементов конвейера. Также возможно-обосновать повышение скорости транспортирования и производительность при снижении динамической составляющей, тем самым-расширив внести вклад в совершенствование транспортно-технологического оборудования, используемого в условиях массового и крупносерийного производства.

Цель работы была-достигнута выполнением комплекса задач, включающих в себя:

1)? анализ известных методов расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах, определение возможности их использования и степени' приближения к реальным условиям;

2) разработку комплексной динамической и математической модель, с учетом основных факторов, влияющих на колебательный- процесс всей совокупности цепных как одноприводных, так и многоприводных конвейеров;

3) разработку алгоритма'решения математических уравнений комплексной" модели, отвечающего современным возможностям вычислительных машин;

4) оценку достоверности методик определения упруго-вязких характеристик элементов щепных конвейеров;

5) оценку динамических нагрузок возникающих при рабочих процессах цепных конвейеров, а также в резонансных режимах;

6) проверку степени приближения теоретических решений к действительным процессам в конвейерах с цепным тяговым органом.

Исследования могут быть использованы для всей гаммы машин непрерывного транспорта с цепным тяговым opгaнoм¿

Полученные результаты позволяют достоверно определять усилия в тяговом органе цепного конвейера, а следовательно, повышать надежность машин и сокращать приведенные затраты на транспортирование груза.

Совокупность основных результатов работы может быть представлена в форме следующих кратких выводов:

1. Анализ существующего состояния исследований-по данной проблеме позволил сделать вывод о необходимости совершенствования метода расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах.

2. Разработаны принципы создания комплексной модели цепных конвейеров состоящей из системы объединенных кинематико-силовым взаимодействием друг с другом моделей отдельных устройств. Модель тягового органа принята системой с распределенными параметрами и описывается уравнением в частных производных. Звездочный и гусеничный привода, отклоняющее, натяжное устройства, грузовые единицы представляются сосредоточенными моделями и описываются системами дифференциальных уравнений.

3. Разработана универсальная программа, позволяющая создавать модели цепных конвейеров по комплексному методу. При решении уравнения тягового органа используется конечноразностный метод построенный по неявно-явной схеме Кранка-Николсона. Уравнения описывающие сосредоточенные устройства решаются методом Рунге-Кутта 4-го порядка.

4. Усовершенствованы методы определения упруго-вязких параметров элементов цепных конвейеров. Это позволило учесть нелинейную зависимость между нагрузкой и деформацией тяговой цепи, рассеивание энергии упругих колебаний и тем самым более точно определить динамические нагрузки и другие параметры рабочих процессов конвейера.

5. Совокупность результатов исследований динамических моделей конвейеров привела к выводу о том, что полной картины о возможных динамических процессах возможно добиться только путем расчета по предложенным моделям. Умозаключения о влиянии, повышающем динамическое усилие, несинхронности зацепления приводов, неравномерности загрузки не состоятельны. Влияние параметров кинематики зацепления, например увеличение числа зубьев приводной звездочки для уменьшения динамической составляющей, так же не состоятельно. Особенно в случае близости частоты возмущений к собственной частоте системы.

6. Существующие экспериментальные исследования подтвердили достоверность результатов получаемых при использовании моделей построенных по комплексному методу.

В целом результаты исследований позволяют осуществлять расчет цепных конвейеров с учетом их реального нагружения, определять пути снижения нагрузок и повышения эффективности транспортирующих машин.

В работе доказана перспективность данного направления научных исследований, что позволяет прогнозировать дальнейшее расширение сферы его применения.

1. Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В. Решение задач вычислительной математики в пакетах Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 9. М.: НТ Пресс,2006.

2. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1969.-288 с.

3. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1975. -720 с.

4. Бабаков И.М. Теория колебаний. М: Наука, 1968. - 560 с.

5. Бабаков И.М. Теория колебаний. М: Наука, 1968. — 560 с.

6. Бабич В.М., Капилевич М.Б., Михлин С.Г. Линейные уравнения математической физики. М.: Наука, 1964. 368с.

7. Бессонов А.П. Основы динамики механизмов с переменной массой звеньев. М.: Наука, 1967. - 278 с.

8. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1972. -416 с.

9. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний

10. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1980.-408 с.

11. Бишоп Р. Колебания. М.: Наука, 1979. - 160 с.

12. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах, т.6. Защита от вибрации и ударов. /Под ред. Фролова К.В. 1981. - 456 с.

13. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1971.-512 с.

14. М.Волчкевич Л.И., Ковалев М.П., Кузнецов М.М. Комплексная автоматизация производства. -М.: Машиностроение, 1983. 269 с.

15. Ганиев В.Ф., Кононенко В.О. Колебания твердых тел. — М.: Наука, 1976.-432 с.

16. Ганфштенгель Г.Г. Механизация транспорта массовых грузов, т.1, ОНТИ ККТП, 1949 г. - 293 с.

17. П.Ганфштенгель Г.Г. Механизация транспорта массовых грузов, т.1, ОНТИ-ККТП, 1949.-293 с.

18. Глущенко И.П. Исследование динамических явлений в цепных транспортерах //Вестник машиностроения. 1954, №6. — с. 7 - 12.

19. Головнин Г.Я. Динамика канатов и цепей. — М.: Металлургиздат, 1962. 124 с.

20. Головнин Г.Я. Определение динамических усилий в цепных контурах. //Вестник машиностроения. — 1959, №3. — с. 25 — 28.

21. Гомма Э.Ф. Исследование динамики некоторых характерных рабочих процессов подвесных толкающих конвейеров. /Материалы семинара. — ЛДНТП, 1972.-с. 87-95.

22. Гончар М.П. Исследование работы цепного пульсирующего конвейера. Днепропетровск.: ДМетИ, 1958. — 16 с.

23. Давыдов Б.Л., Скородумов Б.А. Статика и динамика машин. -М.:.Мащиностроение, 1967. 43 Г с.

24. Долголенко A.A. Динамические усилия в замкнутых тяговых органах подъемно-транспортных машин. //Сборник: Новая подъемно-транспортная техника. -М.: Машгиз, 1949. №14. с. 169 181

25. Долголенко A.A. Машины непрерывного транспорта. Л.: Речной транспорт, 1959. - 404 с.

26. Долголенко A.A. Портовые и судовые подъемно-транспортные машины. М.: Транспорт, 1975. - 312 с.

27. Дьячков В.К. Влияние эксплуатационных факторов! на величину коэффициента сопротивления движению ходовой части конвейера. /Материалы семинара. ЛДНТП, 1972. - с.70 - 77.

28. Дьячков В.К. Выбор запасов прочности тяговой цепи конвейера со сложной трассой //Труды ВНИИПТМАШ, 1969, вып.2 (89).-с. 68 92.

29. Дьячков В.К. Подвесные конвейеры. — М.: Машиностроение, 1976. -320 с.

30. Дьячков В.К. Расчет криволинейного конвейера //Механизация и автоматизация производства. — 1980, №4. — с. 26 — 28.

31. Дьячков В.К. Характеристики параметров динамики конвейеров со сложной трассой. ВНИИПТМАШ, Сб. научных трудов №3. М., 1976. -с. 50-57.

32. Дьячков В.К., Науйокайтис З.И. Новый метод определения коэффициентов местных сопротивлений на трассе конвейера. //Механизация и автоматизация производства. 1971, №10. - с. 43 - 46.

33. Дьячков В.К., Рикман М.А. Подвесные толкающие конвейеры с автоматическим адресованием. — М.: Машиностроение, 1964. — 247 с.

34. Евграфов В.А., Миненко А.К. Портовые машины непрерывного транспорта. Л.: ЛИВТ,,1981. - 104 с.

35. Евграфов В.А., Радев Р.П. Неравномерность движения цепи на криволинейной направляющей в гусеничном приводе конвейера. — ЛДНТП, 1972.-с. 81-86.

36. Егоров В.А., Лузанов В.Д., Щербаков С.М. Транспортно-накопительные системы для ГПС- Л.: Машиностроение, 1989 294 с.

37. Ерофеев В.И., Кажаев В.В., Семерикова Н.П. Волны в стержнях. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 207с.

38. Жулин Н.М. Расчет динамических нагрузок в цепных конвейерах при различных типах привода //Труды ЛИВТ, 1974, вып. 149. с. 74 — 80.39.3енков Р.Л., Ивашков И.И., Колобов Л.Н. Машины непрерывного транспорта. -М.: Машиностроение, 1987. -432 с.

39. Ивашков И.И. Исследования работы тяговых пластинчатых цепей. — М.: ВНИИПТМАШ, 1958. 90 с.

40. Казак С.А. Динамика мостовых кранов. -М.: Машиностроение, 1968. -472 с.

41. Карманов В.Г. Математическое программирование. М:. Наука, 1986. - 288 с.

42. Коловский М.З. Динамика машин.- JL: Машиностроение, 1989. 263 с.

43. Коновалов B.C. Организация, механизация и экономика заводского транспорта. М.: Машиностроение, 1980. - 312 с.

44. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения. М.: Машгиз, 1962. - 420 с.

45. Кристенсен Р. Введение в теорию вязкоупругости. — М.: Мир, 1974. — 338 с.

46. Маланин Д. О., Смирнов В. Н. Исследование волновых процессов в тяговом органе цепного конвейера. /Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. с. 32 - 33.

47. Маланин Д. О., Смирнов В. Н. Исследование нагрузок в тяговых органах многопри-водных цепных конвейеров. /Материалы' межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2003. с. 71-72.

48. Маланин Д. О., Смирнов В. Н. Особенности математических моделей для определе-ния динамических нагрузок в тяговой цепи многоприводного конвейера. /Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002. -с. 61- 68.

49. Маланин Д. О., Смирнов В. Н. Разработка математической модели для определения динамических нагрузок в тяговой цепи подвесного толкающего конвейера. /Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. с. 54 - 55.

50. Маликов О Б. Проектирование автоматизированных складов штучных грузов. Л.: Машиностроение, 1981. - 240 с.

51. Маликов О.Б. Склады. гибких, автоматических производств. — Л.: Машиностроение, 1986. 187 с.

52. Машины непрерывного транспорта / Под ред. Плавинского В;И. М.: Машиностроение, 1969. — 718 с.

53. Мсркин Д.Р: Введение в теорию устойчивости движения. М: Наука, 1971.-312 с.

54. Михин Н.М. О зависимости коэффициента трения от нагрузки при упругом1 контакте. В кн.: Контактное взаимодействие твердых тел. М- Наука, 1971. - с. 141 - 145.

55. Мур Д; Основы и применения трибоники. Л.: Мир, 1978. - 488 с.

56. Науйокайтис; З.И. Машинный расчет подвесного конвейера //Механизация и автоматизация производства. 1980, №1. - 23 с.

57. Орлов А.Н. Основы теории динамического расчета грузподъемных кранов с пространственными канатными подвесами груза. Автореферат докторской диссертации: Л., 1993. 30'с.

58. Орлов А.Н., Головачев В.Н. Нагрузки металлической конструкции крана при ее свободных колебаниях с грузом и управляемыми демпфирующими устройствами. //Труды СПбГТУ. 1993, №445. -с. 94- 104; . ; . , .

59. Орлов И.В. Основные направления механизации и автоматизации в автомобильной промышленности //Механизация и автоматизация производства.- 1976, №7. -с. 4- 7.

60. Пановко Я.Т. Основы прикладной теории колебаний и удара. Изд. 3-е, дош и переработ. Л.: Машиностроение, 1976. 320с.

61. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. -М.: Физматгиз, 1960. 193 с.

62. Пертен Ю.А. Зарубежные конструкции вертикальных конвейеров для штучных грузов. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1974, №30. - 53 с.171

63. Пертен Ю.А. Конвейерные системы. Часть I: Справ. СПб.: НПО «Профессионал», - 2008. - 588 с.

64. Пертен Ю.А. Конвейерные системы. Часть II: Справ. СПб.: НПО «Профессионал», - 2008. - 508 с.

65. Пертен Ю.А. Крутонаклонные конвейеры. Л.: Машиностроение, 1977.-216 с.

66. Пертен Ю.А. Наклонные конвейеры. М.-Л.: Машиностроение, 1966. -142 с.

67. Пертен Ю.А. Теоретические основы конвейеров с тяговыми элементами. — Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1981. — 275 с.

68. Семенов М.В. Кинематические и динамические расчеты исполнительных механизмов. — Л.: Машиностроение, 1974. —432 с.

69. Сергеев С.И. Демпфирование механических колебаний. — М.: Физматгиз, 1959. 408 с.

70. Скорописов Ю.И. Автоматизированное управление грузопотоками. — Л.: Машиностроение, 1984. 176 с.

71. Скорописов Ю.И. Опыт создания автоматизированных системи *управления конвейерно-складских комплексов. Л.: ЛДНТП, 1980. 36 с.

72. Скорописов Ю.И., Вильчевский Н.О., Цыбульский А.Т. Конвейерный транспорт и системы управления грузопотоками ПО «Кировский-завод». Л.: ЛДНТП, 1978. - 36 с.

73. Сливина H.A., Плис А.И. Mathcad: математический практикум для экономистов и инженеров. М: Финансы и статистика, 1999.-656с.

74. Смирнов В.Н. Научные основы расчета и конструирования подвесных толкающих конвейеров. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук: СПб., 2001.-299 с.

75. Смирнов В.Н. Подвесные конвейеры. Теория расчета, прогнозирование тенденций развития. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2006.S172

76. Смирнов В.Н., Мазо Б.И. Некоторые критерии по выбору транспортирующих устройств в условиях автоматизированного производства. /Материалы семинара: Современное подъемно-транспортное оборудование. ЛДНТП, 1990. - с. 27 - 31.

77. Смирнов В.Н., Мазо Б.И. Проблемы современного этапа использования транспортирующих машин в автоматизированном производстве. Сборник: Расчет и конструирование подъемно-транспортных машин. -Тула: ТПИ, 1989. с. 18 - 22.

78. Смирнов В.Н., Маланин Д.О. Исследование динамических нагрузок в тяговой цепи многоприводных конвейеров. Сборник. Труды Санкт-Петербургской инженерной академии. Отделение: Транспорт, вып. IV. СПб.: СПбГПУ, 2003. - с. 22 - 34. '

79. Смирнов В.Н., Маланин Д.О. Исследование динамических нагрузок в тяговом органе цепных конвейеров. Юбилейный сборник научных трудов. Строительные и дорожные машины, вып. 2. Хабаровск: ХГТУ, 2002. - с. 23 - 30.

80. Смирнов В.Н., Маланин Д.О. Моделирование процесса подхвата толкателем цепи тележечного сцепа подвесного толкающего конвейера. Сборник, научных трудов: Оптимизация транспортных машин. Ульяновск: УГТУ, 2003. - с. 50 - 55.

81. Сорокин Е.С. К теории внутреннего трения при колебаниях упругих систем. М.: Госстройиздат, 1960. — 215 с.

82. Спиваковский А.О. Многоприводные конвейеры. М.: Углетехиздат, 1959.-280 с.

83. Спиваковский А.О., Дьячков В.К. Транспортирующие машины. М.: Машиностроение, 1983. -487 с.

84. Тимошенко С.П. О вынужденных колебаниях призматических стержней. // Известия Киевского политехнического института: 1909, Книга 4.-с. 201-252.

85. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М.: Наука, 1975. - 704 с.

86. Филиппов А.Т. Многоликий солитон. М.: Наука, 1990. 287с.

87. Формалев В.Ф., Ревизников Д. Л. Численные методы. -М. :ФИЗМАТЛИТ, 2004.

88. Халфман Р.Л. Динамика (перевод с английского Космодемьянского В.А.). М.: Наука, 1972. - 567 с.

89. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах. М.: Мир, 1968. -432 с.

90. Чевтаев А.Г. Скорость распространения упругой волны в цепном тяговом органе. //Труды ЛИВТ. 1973, вып. 141. - с. 135 - 141.

91. Черненко В.Д. Теория и расчет крутонаклонных конвейеров.-Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1985. 292 с.

92. Чугреев Л.И. Динамика конвейера с цепным тяговым органом. М. «Недра», 1976,- 160с.

93. Шеффлер М., Пайер Г., Курт Ф. Основы расчета и конструирования подъемно-транспортных машин: Сокр. пер. с нем. М.: Машиностроение, 1980. - 255 с.

94. Штокман И.Г. Динамика тяговых цепей рудничных конвейеров. М.: Углетехиздат, 1959. - 290 с.

95. Штокман И.Г. Динамические нагрузки в цепных тяговых органах рудничных конвейеров. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. — ДГИ. 1956.-289 с.

96. Штокман И.Г. Динамические нагрузки в цепных тяговых органах рудничных конвейеров. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук.-ЛГИ, 1956.-31 с.

97. Штокман И.Г. Методика приближенного расчета динамических нагрузок цепных тяговых органов конвейеров. //Труды Донецкого политехнического института, том 59, вып.11. — 1962. — с. 45 — 64.

98. Штокман И.Г. Природа и скорость распространения упругой волны статических деформаций в тяговых органах конвейеров. В кн.: Шахтный и карьерный транспорт. М.: Недра, 1974, вып. 1. с. 143 -147.

99. Штокман И.Г., Мурзин В. А., Полуянский С. А. Экспериментальное определение скорости распространения упругой волны в конвейерных цепях. //Вестник машиностроения. 1954, №2. -с. 26 - 27.

100. Яблонский A.A. Курс теоретической механики. Часть III. Динамика. М.: Высшая школа, 1971. - 487 с.

101. Яблонский A.A., Норейко С.С. Курс теории колебаний. М.: Высшая школа, 1975. - 248 с.

102. Cersa N.V. SA, Vanmeenen Freddy, Filiiger Ansein. Conveyor for use in the automotive industry. Пат. 6241082 США, МПК7 B61 В 3/00. №09/340744; Заявл. 28.06.1999; Опубл. 05.06.2001; НПК 198/845.

103. Desilets D. Anti back - up device for work carriers on power — and free conveyor systems. Patent USA № 3.759.189., sept. 1973.

104. Dobrucki Wladislaw, Swiatoniowski Andrzej. Teoretyczna i experymentalna analiza obciazen dynamicznych w przesuwaczach lancuchowych. Hutnik, 1983, 50, №10, s. 368 372.

105. Dolipski Marian. Schwinungen in Kettenkratzerforderern mit Kopf-und Heckantrieb. Fordern und heben, 1984, 34, №10, s. 751 754.

106. Frost H, Durch Vieleck angetriebene langgliedrige Forderketten. Freiberger Forschungsheft A 167, 1960. s. 28 - 47.

107. Funke H., Uber die dinamische Beanspruchung von Forderbandanlagen beim Anfahren und Stillsetzen. Braun Kohle, 1974, №3. - s. 53-57.

108. Haase R. Accumulating conveyor system. Patent USA № 3.503.337, March 1970.

109. Kwon Y.S., Park C.J., Park S.R. Dynamic characteristics analysis of an escalator. Elevators, 1998. 27, №5, p. 48 - 52.

110. Lempio G. Power and free conveyor. Patent USA № 3. 559.585., Feb. 1971.

111. Mc Caul E. Overhead Power and free conveyer system. Patent USA №3.948.186., 1976.

112. Pajer G., Kuhnt H., Kurth F., Stetigförderer veb verlag technik, Berlin, 1976. -s. 456.

113. Power und fre-Systeme. Fordern und heben, 2002. 52 №11, s. 722 -724

114. Power und fre-Systeme. Fordern und heben, 2002. 52 №11, s. 722 -724

115. Prozessautomatisierung per Power und Free. Fordern und heben, 2002. 52 №3, s. 117- 118

116. Prozessautomatisierung per Power und Free. Fordern und heben, 2002. 52 №3, s. 117-118121. ' Wielen, kettingen en matten. Vlees en snack, 200. 26, №3, s. 10-12.

117. Wood J.P. Tagoet d/entrainement par systeme convoyeur, a accumulation de porteurs de charges. Патент Франции № 74.42377, Dec. 1974.