Научные основы теории и расчета резинотросовой ленты конвейера с учетом его пространственной формы Бельмас, Иван Васильевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Ленточные конвейеры являются основой комплексов машин непрерывного и циклично-поточного действия карьеров и шахт. С увеличением производительности, глубин отработки месторождений достоинства ленточных конвейеров становятся все более очевидными, так как по простоте обслуживания и конструкции, производительности, эксплуатационным затратам относятся к наиболее эффективным средствам непрерывного транспорта. При этом с уве личением единичной мощности конвейеров значительно возрастает тре бование к прочности конвейерных лент, что обуславливает все более широкое использование реэинотросовых лент (РТЛ), особенно высокопрочных.

Вместе с тем показатели надежности работы мощных конвейерных установок, особенно эксплуатируемых в сложных условиях горного пр изводства, невелики. Аварийные простои из-за конвейерного транспо; достигают 50% общего времени простоя производства. Основными, причинами простоев конвейерных транспортеров являютоя разрушение лен и их стыковых соединений. При стоимости ленты, достигающей 70& стоимости конвейера, аварийный выход ленты и ее стыковых соединений из строя связан с потерей грузонесущей или тяговой способности из-за разрушения не всего, а отдельного учавтка резиномвталли-ческого сердечника РТЛ.

Основными причинами снижения тяговой способности РТЛ и раэру. шения ее резинометаллического сердечника являются: низкое качеогві РТЛ отечественного производства, нерациональный выбор геометричео< ких параметров переходных участков конвейера, обусловленный отсутствием в нормативных документах рекомендаций по выбору этих параметров с учетом механических характеристик РТЛ, отсутствие эффективных средств эксплуатационного контроля повреждений резинометаллического сердечника РТЛ, отсутствие методов диагностики влияния повреждений тросов на эксплуатационные свойства ленты, используемой в качестве тягово-несущего органа конвейера.

Применяемая в странах СНГ технология изготовления РТЛ не обв( почивает параллельность и прямолинейность укладки тросов и достаточную прочность связи тросов с резиной, которая в 1,5-2 раза шш чем в зарубежных аналогах. Дефекты укладки тросов приводят к пере-грузке одних (прямолинейных) за счет разгрузки других (криволинейных) тросов. Это снижает реальную агрегатную прочность ленты.Низкая прочность связи резины и тросов влияет на прочность стыковых

оовдинений (прочность стыковых: соединений отечественных В' о-прочных РТЛ составляет 40-60& прочности целой ленты). В Р реї на исполняет и роль антикоррозионного покрытия тросов. Разрыв < зи тросов и резины уменьшает этот защитный эффект.

Конвейеры, используемые в горнодобывающей промышленности,! правило, имеют различные участки, на которых конвейерный став і ет сложную форму. Такими участками являются участки лоткообраэс вания, искривления конвейерного става в вертикальной, либо в гс зонтальной плоскостях, переворачивания нижней ветви конвейера.! речисленные участки будем называть переходными. На переходных участках плоская лента пространственно деформируется, при этом происходит неравномерное удлинение (нагружение) тросов. Кроме т го, в конвейерной ленте только при ее деформировании на переход участках возникают значительные касательные напряжения в резино вой матрице. В результате в РТЛ, используемых на конвейерах со сложной геометрией конвейерного става, к основным напряжениям,з висящим от величины передаваемого тягового усилия, добавляются напряжения, обусловленные деформированием ленты на переходных у стках. При этом дополнительные усилия, передаваемые наиболее на груженными тросами, могут в несколько раз превосходить основные ограничивая возможность увеличения единичной мощности конвейера снижая срок службы РТЛ. Величины дополнительных, неучитываемых расчетах касательных напряжений в резине могут достигать 62$ п дела прочности связи тросов с резиной и являться одной из основ причин отслоения резины от тросов. Необходимость учета последки возрастает при использовании более прочных лент, так как прочно адгезии тросов и резины не возрастает пропорционально увеличени прочности лент от РТЛ-4000 до РТЛ-7000.

Отсутствие систем контроля и анализа влияния (диагностики) повреждений, методов восстановления тяговой способности (ремонті РТЛ. снижает надежность и безопасность эксплуатации реэинотросо-вых лент и делает задачу совершенствования условий эксплуатации РТЛ особенно актуальной для Украины, не имеющей на своей территі рий мощностей по их производству.

Исходя из изложенного, ^яработка основ теории расчета резі нотросовой ленты и ее стыковых соединений, учитывающей влияние пространственной формы пе годных участков конвейера и позволяющей расочитывать рационадйнмо значения геометрических параметрої этих участков, разработка способов контроля и диагностики coctoj ния, восстановления тяговой способности РТЛ с поврежденными в

- Г) -

процессе эксплуатации тросами является крупной научной проблемой связанной с созданием конвейера для тяжелых горногеологических условий эксплуатации со сложной геометрией конвейерного става и оборудованного высокопрочной резинотросовой лентой.

Диссертационная работа выполнена п соответствии с Постановлением № !)bb ГКІГГ СССР от 30.10.65 г. и общесоюзной научно-технической программой 0.09.01 по созданию комплекса циклично-поточной технологии для Крайнего Севера, "Плана-заказа на конструирование, изготовление, испытания образцов новых изделий организациями, предприятиями Минтяжмата СССР для угольной промышленности", подписанного в ІУ89 году.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и обосновании методов расчета РТЛ, геометрических параметров конвейера на переходных участках с учетом механических свойств РТЛ, рекомендаций и технических решений по увеличению эксплуатационной прочности, срока службы, безопасности эксплуатации стыковых соединений, высокопрочных резинотросовых лент конвейеров для тяжелых условий эксплуатации, со сложной геометрией конвейерного става.

Идея, диссертационной работы состоит в учете особенностей и закономерностей п распределении параметров напряженно-деформированного состояния ленты на переходных участках конвейера, связанных с приобретением ею сложной конфигурации, влияющих на ее прочностные и эксплуатационные свойства, и использовании свойств РТЛ допускать значительные относительные смещения тросов.

Методы исследования. Б теоретических исследованиях использовались положения и методы теории упругости, электрического моделирования, математической статистики, в экспериментальных - методы тензометрии, лабораторных исследований.

Научные положения, защищаемые,в.диссертации.

I. Напряженно-деформированное состояние РТЛ на переходных участках, на участках с начальными несовершенствами укладки тросов описывается геометрически нелинейной сдвиговой моделью, включающей и прилегающие участки длиной не менее чем в двадцать пять раз превышающей ширину ленты, а на участках лоткообраэования, искривления конвейерного става - сдвиговой моделью.

' Основными параметрами, характеризующими напряженное состояние РТЛ, являются экстремальные величины продольных усилий,передаваемых тросами, и касательных напряжений в резиновой матрице, действующих по поверхности склейки тросов и резины. Усилия, передаваемые тросами, касательные напряжения в резине неравномерно распределены в ленте. Основными факторами, влияющими на распреде-

_ 6 -

ление усилий, передаваемых тросами, и касательных напряжений, в< никащих в резиновой матрице, являются: характер распределения і величины сил сопротивления конвейерного става, геометрические п< раметры переходных участков конвейера, наличие в ленте повреждеї ных и искривленных в процессе ее изготовления тросов, СТЫКОВЫХ ( единений.

1. Тросы с начальной кривизной в ленте деформируются как в< локна с пониженной продольной жесткостью. Жесткость троса на учі стке искривления длиной менее 0,25 м пренебрежительно мала. PTJ с тросами, искривленными на длине менее 0,25 м, деформируется ю и РТЛ с тросами, повревденными на тех же участках. С увеличение] внешнего растягивающего усилия кривизна искривленных тросов умеї шается и неравномерность распределения усилий между тросами снижается.

2. При растяжении РТЛ с поврежденными тросами последние см: щаются относительно целых, что приводит к искривлению поперечны сечений РТЛ и образующих футеровки барабана конвейера. По искриї лениям.ее поперечных сечений или образующих упругой футеровки П] водного барабана можно судить о состоянии резиноматаллического сердечника ленты.

3. Теоретическая максимально возможная прочность стыкового соединения РТЛ определяется его конструкцией, зависящей от отної ния шага укладки ( t ) и диаметра тросов ( и ) в ленте, и соста ляет 67-90% агрегатной прочности РТЛ при t / О равном 1,2-2,' Реальная прочность соединения зависит от длины соединения и про¹ ности связи тросов с резиной.

4. Разработана математическая модель РТЛ, учитывающая взаиі нов влияние тросов в резиновой матрице, особенности деформирова ния ленты на переходных участках конвейера, влияние транспортир; мого материала, сил сопротивления ее движению, наличие в ленте повревденных и искривленных в процессе изготовления тросов,стык вых соединений, участков ленты, сопряженных с переходными, и от ражает основные факторы, в л*. < <ще на ее напряженно-деформирован ное состояние.

5. Геометрические ,> етры переходных участков конвейера, наличие в ленте поврежлеї ;ных тросов и стыковых соединений окаэы вает наиболее существеннее няияние на прочность РТЛ, снижая ее несколько (до пяти) раз по сравнению с расчетной прочностью лен ты. Совокупность разработанных мероприятий позволяет уменьшить (до 1,35-1,5 раза) негативное влияние указанных и других фактор

- 7 -на снижение прочности конвейерной ленты и повысить срок эксплуатации РТЛ не менее,чем в два раза.

Обоснованность и достоверность научных положений и розультато] Основнае научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений теории упругости.Достоверность результатов по; тверздается удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов,полученных как автором, так и другими исследователями (расхождение величин деформаций тросов не превышает 20$' отсутствием противоречий между известными и выявленными закономер ностями.

Научная новизна работы.

Г. Разработана, исследована и экспериментально прверена модель напряженно-деформированного состояния резинотросовой ленты как системы тросов, помещенных в упругую среду, пространственно деформируемых на конвейере, учитывающая влияние массы материала и ленты, сил сопротивления движению, наличие поврежденных и искривленных тросов, взаимодействие РТЛ и барабана.

2. Установлены закономерности распределения напряжений в РТЛ на переходных участках конвейера с учетом влияния сопряженных участков ленты, в том числе взаимодействующих с барабаном, сформул: рована и решена задача об устойчивости ленты на участке ее переворачивания.

3. Впервые обосновано и осуществлено аналитическое решение задачи о напряженно-деформированном состоянии РТЛ с произвольней расположением участков повреждений тросов, как многосвязного ани -зотропного тела,выявлены основные закономерности такого состояния.

'(. Показано,что повреждение части тросов РТЛ ведет к искрив -лению ее поперечных сечений на участке длиной превосходящей ширину ленты, а при огибании приводного барабана - к искривлению образующих его упругой футеровки. Обоснована возможность исполь зования упругих свойств футеровки барабана и РТЛ при создании не разрушающих методов контроля состояния тросовой основы ленты. Не следованы факторы,влияющие на напруження в дополнительном элемен те РТЛ - датчике контроля состояния тросовой основы ленты, раз работами основы его расчета.

5. Построен параметрический ряд конструкций стыковых соеди нений РТЛ, обеспечивающий возможность выбора соединения максималь ной прочности РТЛ различных конструкций.

Научное значение работы состоит в разработке основ теории расчета резинотросовой ленты как системы запрессованных в рези

новую матрицу тросов, нагруженных усилиями, обусловленными массами ленты и транспортируемого материала, деформируемых на переходных участках сложной формы, при наличии в ленте поврежденных тросов и тросов с начальными несовершенствами, стыковых соединений.

Практическое значение работы заключается в разработке технических решений, методик расчета и рекомендаций, направленных на увеличение эксплуатационной тяговой способности, срока службы безопасности эксплуатации РЩІ и их стыковых соединений на основе установления допустимых величин дефектов укладки тросов в ленте, обоснованного выбора геометрических параметров переходных участке ленточных конвейеров со сложной формой става, выбора из предпочтительного ряда конструкций и расчет стыковых соединений, обеспечивающих максимальную их прочность, разработки средств и методов неповреяуіающего постоянного эксплуатационного контроля и диагностики РТЛ, предотвращения аварийного разрезания и разрыва лент,рас чета РТЛ на прочность, устойчивость, долговечность с учетом ее свойств и конструкции конвейера.

Реализация результатов работы. Результаты исследований испол зованы ЙО "Азовмаш" при разработке технической документации на из готовление конвейеров с высокопрочной резинотросовой лентой РТЛ--7000 для тяжелых условий эксплуатации в составе комплекса оборуд вания циклично-поточной технологии для карьеров Крайнего Севера применительно к ГОКу "Удачный" НПО "Якуталмаз"; ПО НКМЗ при разра ботке технической документации на изготовление магистральных конвейеров КЛ-8000 и ленточных конвейеров роторного экскаватора ЭРП--6500; НИИМИ при разработке высокопрочной конвейерной ленты РТЛ--7000 (извещение 4.1.110-90 с;", изменении ТУ 38.4056722-88); ПО "Курскрезинотехника" при установлении агрегатной прочности и сове шеиствовании конструкцій: > таскаемых РТЛ; предприятием СевГОК при изготовлении стыковых сое/лнений высокопрочной РТЛ-6000 на основе импортного троса; при навесим и эксплуатации огнестойких резинотр совых канатов на скиповых подъемах шахт и рудников; СЗІМ при прое тировании и изготовлении конвейеров комплексов оборудования цикли но-поточных технологий, в том числе для Ковдорского ГШа.

Экономический эффект от использования результатов диссертаци на ПО "Азовмаш" составил 162 тыс.рублей. Ожидаемый годовой эффект за счет увеличения срока службы РТЛ в ценах 1990 года превышает 600 тыс.рублей. Осуществление непрерывного контроля РТЛ предотвра щает возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с разрывом или разрезанием резинотросовой ленты, повышает безопасно ее эксплуатации.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены, обсуждены и одобрены на международных конференциях (ПНР, 1989 г.; г.Гливиц, 1990 г.; г.Вроцлав), на Всесоюзных конференциях по проблемам прочности и долговечности стальных канатов (г. Одесса, 1981,1989 гг.), по проблемам подъемно-транспортной техники (г.Нижний Новгород, 1980 г.), по технологическим проблемам прочности несущих конструкций (г.Запорожье, 1991 г.), на республиканской конференции по технологии изготовления изделий из витого металлокорда (г.Севасто -поль, 1989 г.), научно-технических семинарах и совещаниях РПО "УКРруда" (г.Днепропетровск, 1978, 1981 гг.), техническом совете Сызранского завода тяжелого машиностроения (1991 г.), семинаре ИГТМ АН Украины (1992 г.) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано тридцать пять печатных работ, получено десять авторских свидетельств ,патент | . и решение о выдаче патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,шее ти разделов, заключения, списка литературы из 140 наименований, приложений, содержит 253 страницы машинописного текста, 12 таблиц, 96 рисунков.