Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1 Выбор конструктивных параметров роликов и роликоопор ленточных конвейеров 9
1.2 Влияние параметров роликоопоры на производительность конвейера 19
1.3 Методы расчета статических и динамических нагрузок на ролики 22
1.4 Методы расчета подшипников конвейерных роликов 35
1.5 Направление и задачи научного исследования 43
Глава 2. Установление рациональной геометрической формы роликоопор линейных секций 45
2.1 Определение геометрической формы роликоопоры линейных секций, обеспечивающей максимальную площадь поперечного сечения груза на ленте 45
2.2 Определение геометрической формы роликоопоры линейных секций, обеспечивающей равные нагрузки на подшипники средних и боковых роликов 56
Глава 3. Анализ влияния геометрических параметров роликоопор на эксплуатационные характеристики подшипников 65
3.1 Анализ эксплуатационных требования к подшипникам конвейерных роликов 65
3.2 Анализ эффективности выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов 75
3.3 Анализ использования резерва динамической грузоподъемности подшипников роликов 87
Глава 4. Определение общего коэффициента сопротивления движения ленты на роликоопоре с укороченным средним роликом 95
4.1 Исследование отдельных составляющих общего коэффициента сопротивления движению ленты на конвейере, оборудованном роликоопорами с укороченным средним роликом 95
4.2 Разработка цифровой модели пролета линейной секции ленточного конвейера 98
4.3 Определение коэффициентов сопротивления движению от деформирования груза и ленты для двух типов роликоопор 106
Заключение 114
Список использованной литературы 116
Приложение 125
- Влияние параметров роликоопоры на производительность конвейера
- Определение геометрической формы роликоопоры линейных секций, обеспечивающей равные нагрузки на подшипники средних и боковых роликов
- Анализ эффективности выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов
- Разработка цифровой модели пролета линейной секции ленточного конвейера
Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время в связи с интенсификацией горных работ и применением передовых технологий добычи полезного ископаемого возникает необходимость повышения производительности ленточных конвейеров горных предприятий. При добыче угля подземным способом эта проблема возникает при переходе на технологию «шахта -лава», когда резко возрастают нагрузки на очистной забой и единственно возможным способом транспортирования полезного ископаемого от забоя до поверхности являются высокопроизводительные ленточные конвейеры. При открытой добыче полезного ископаемого с применением выемочно-погрузочных машин непрерывного действия используются ленточные конвейеры, производительность которых может достигать 10000 м3/ч при ширине ленты 3 м и более.
Как правило, практически по всей длине ленточного конвейера ленту поддерживают линейные роликоопоры, которые на грузовой ветви состоят из 3-х одинаковых по длине и диаметру роликов с углом установки боковых роликов 30 или 36. Ролики являются наиболее массовыми элементами ленточного конвейера с различным конструктивным исполнением в зависимости от крупности транспортируемого груза, его насыпной плотности, ширины и скорости движения конвейерной ленты.
Основными недостатками трехроликовой роликоопоры с одинаковой длиной роликов являются неравномерная нагрузка, приходящаяся на средний и боковые ролики, а также недоиспользование ленты по производительности. Так на трехроликовой опоре при роликах равной длины нагрузка, приходящаяся на средний ролик, составляет около 70% от суммарной погонной нагрузки от транспортируемого груза, ленты и веса вращающихся частей роликоопор. При этом на боковые ролики приходится 30%, поэтому нагрузка на подшшшики среднего ролика примерно в 2,5 раза больше, чем на подшипники боковых роликов.
При увеличении ширины ленты нагрузки на подшипники роликов возрастают, особенно на подшипники средних роликов, что приводит к их более частым отказам и снижению общей надежности ленточных конвейеров. Уменьшить нагрузки на средний ролик можно путём изменения геометрической формы роликоопоры. Наряду со снижением нагрузок на подшипники среднего ролика и повышением их долговечности изменение геометрической формы роликоопоры позволяет несколько увеличить производительность конвейера при той же ширине ленты и её скорости.
Такое положение имеет место практически на всех ленточных конвейерах, работающих на горных предприятиях России, ближнего и дальнего зарубежья, а также на горных предприятиях Исламской Республики Иран.
Таким образом, выбор рациональных параметров роликоопор линейных секций мощных ленточных конвейеров (ширина ленты более 1400 мм) за счёт изменения геометрической формы роликоопоры для выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов линейной части конвейеров горных предприятий, является актуальной научной задачей.
Целью работы являются обоснование рациональных параметров роликоопор линейных секций мощных ленточных конвейеров горных предприятий, при которых выравниваются нагрузки на подшипники среднего и боковых роликов, и повышается их долговечность, а также оценка изменения величины общего коэффициента сопротивления движению ленточного конвейера, оснащённого роликами разной длины.
Идея работы состоит в том, чтобы за счёт варьирования геометрическими размерами среднего и боковых роликов обеспечить выравнивание нагрузок на их подшипники, возникающие от движения насыпного груза в пролете между роликоопорами.
Научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:
- математическая модель для определения нагрузок на ролики разной
длины, входящие в линейную опору ленточного конвейера, отличающаяся
тем, что позволяет определить силы, действующие на подшипники роликов
от веса транспортируемого груза в его активной и пассивной фазах, а также
ленты и вращающихся частей роликов при движении ленты по
роликоопорам;
аналитические зависимости для определения оптимального соотношения между длиной среднего и боковых роликов, при которых достигается выравнивание нагрузок на подшипники, отличающиеся тем, что в них учитываются угол естественного откоса, угол внутреннего трения груза на движущейся ленте, угол наклона боковых роликов, позволяющие увеличить долговечность подшшшиков, для получения зависимости необходимой динамической грузоподъемности подшипников роликов от их геометрических размеров;
- цифровая модель роликоопоры с находящейся на ней лентой с грузом,
позволяющая оценить изменение общего коэффициента сопротивления
движению ленты на линейных роликоопорах при варьировании
соотношениями между длинами среднего и боковых роликов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждаются корректным использованием
математического анализа, теории машин и механизмов, теории сыпучей среды, а также экспериментальными исследованиями деформированного состояния ленты с грузом, расположенной на линейных роликоопорах с роликами разной длины при её нагружении, вьшолненными на ЭВМ в пакете программ ANSYS методом конечных элементов. Сходимость экспериментальных и теоретических зависимостей при определении коэффициента сопротивления движению обеспечивается при уровне значимости относительной ошибки 0,10 составляет 95%.
Новизна исследований заключается в установлении зависимостей для определения соотношения между длиной среднего и боковых роликов, обеспечивающих максимальную площадь поперечного сечения груза на движущейся ленте; в разработке математической модели для определения сил, действующих на подшипники роликов с целью выравнивания нагрузок на них и увеличения долговечности в зависимости от напряжённого состояния транспортируемого груза в пролете между роликоопорами; в составлении цифровой модели пролета линейной части конвейера и получении на её основе математической модели, описывающей изменение общего коэффициента сопротивления движению ленты по роликоопорам при варьировании соотношениями между длиной среднего и боковых роликов.
Научное значение имеют зависимости для определения оптимального соотношения между длиной среднего и боковых роликов, математическая модель нагрузок на ролики трехроликовой опоры, позволяющая определить оптимальную их форму, при которой достигается выравнивание нагрузок на подшипники роликов, а также цифровая модель для ЭВМ для установления зависимостей общего коэффициента сопротивления движению ленты по роликоопорам от изменения их геометрической формы.
Практическое значение исследований заключается в разработке методики расчёта рациональных геометрических параметров роликоопор линейных секций грузовой ветви мощных ленточных конвейеров, рекомендаций по определению нагрузок на подшипники роликов, что позволяет осуществить выбор подшипников, обеспечивающих заданную долговечность, и обосновании коэффициента сопротивления движению ленты по роликоопорам с роликами разной длины.
Реализация выводов и рекомендаций работы. «Методика расчета
рациональных параметров роликоопор линейных секций грузовой ветви
мощных ленточных конвейеров» и рекомендации по определеншо нагрузок
на подшипники роликов, позволяющие выбрать подшипники с заданной
долговечностью и обосновать коэффициент сопротивления движению ленты
по роликам разной длины, приняты ОАО «Объединенные машиностроительные технологии».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы получили одобрение на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка - 2008-2009 г.» и семинарах кафедры «Горная механика и транспорт» МЕТУ (2008-2009 г.)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы три научные работы, в том числе, 2 статьи в журналах входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из 93 наименований и включает 39 рисунков, 12 таблиц и приложения.
Влияние параметров роликоопоры на производительность конвейера
Теоретическая объемная производительность (приемная способность) ленточного конвейера равна [65, 66]: V = 3600Fv„ ,м3/час, (1.1) где F — поперечное сечение слоя груза располагаемое на ленте, м . Поперечное сечение слоя груза, располагаемое на ленте зависит от: типа роликоопоры, угла наклона боковых роликов р и соотношения длин среднего и боковых роликов ьСр и Lfi, ширины ленты В и ширины, занимаемой располагаемой на ней грузом («рабочей» ширины ленты и ), угла естественного откоса груза на движущейся ленте о, гранулометрического состава груза и угла наклона конвейера к горизонту. Точное определение площади сечения груза на ленте, а значит и производительности конвейера позволяет правильно выбрать ширину и скорость движения ленты, а также и избежать необоснованных экономических потерь. Анализ литературных источников и норм расчета, применяемых в различных странах и различными фирмами, показывает, что нет единого подхода к определению рабочей ширины ленты и формы поверхности насыпного груза располагаемого на ней. Это приводит к значительным расхождениям в расчетах площади поперечного сечения груза располагаемого ленте, что составляет 15-20%. Для определения рабочей ширины ленты наиболее распространены следующие формулы: где В - ширина ленты, и - рабочая ширина ленты, на которой располагается груз. Сравнение показывает, что формула (1.3) дает более высокие значения производительности для узких лент шириной до 500 мм. и заниженные для более широких лент. Большая, чем определенная по формуле (1.2), рабочая ширина ленты нецелесообразна, так как ведет к увеличению просыпей груза. Различные нормы расчета существуют в определении формы поверхности груза: ее принимают либо в виде параболы, либо в виде треугольника с углами при основании, равными углу естественного откоса груза в движении =15-20 ( иногда =0,35 0 или9\ =0,5 Р0 ) (рис 1.4, а, б). В рекомендациях некоторых фирм форма поверхности груза располагаемого на ленте принята в виде сегмента окружности (рис 1.4, в). Принятые формы сечения груза систематизированы в таблице 1.4. Там же дана расчетная производительность конвейера при В = 1400мм. и/3 = 20. Многочисленными экспериментальными исследованиями подтверждено, что форма верхней части груза имеет вид, близкий к параболическому сегменту с углом при основании, равным углу естественного откоса груза. Но для удобства расчетов рекомендуют принимать ее условно в виде равного по площади треугольника с некоторым расчетным углом при основании Р\ = (0,5 - 0,55) % В работах [65, 66] приведена формула для расчета площади поперечного сечения груза на ленте для трехроликовой роликоопоры при произвольном соотношении длин роликов: Там же указано, что наибольшая площадь сечения груза получается при Р = 40-50 и 0= 0,333 (средний ролик при этом имеет меньшую длину, чем боковые).
Определение геометрической формы роликоопоры линейных секций, обеспечивающей равные нагрузки на подшипники средних и боковых роликов
Далее рассмотрим решение задачи по обоснованию геометрических размеров роликоопоры, при которых нагрузки на подшипники боковых роликов будут равны нагрузкам на подшипники среднего ролика. При использовании роликоопор с тремя роликами равной длины нагрузка на средний ролик составляет примерно 70% от общей нагрузки на роликоопору, а на боковой ролик — около 15% [64]. Увеличивая длину боковых роликов и уменьшая длину среднего, можно добиться выравнивания нагрузок на подшипники роликов. В этом случае для среднего ролика могут быть приняты подшипники с меньшим коэффициентом грузоподъемности, а, следовательно, и более дешевые. Кроме того, как показано выше, изменение геометрической формы роликоопоры путем изменения длины среднего и боковых роликов приводит к увеличению производительности конвейера и улучшению некоторых технико-экономических показателей конвейера. Определим соотношение длин бокового 1б и среднего / роликов при заданной геометрической ширине конвейерной ленты В (рабочая ширина Ъ ), когда нагрузка на подшипники среднего ролика будет близка к нагрузке на нижний подшипник бокового ролика. Ленточный конвейер транспортирует насыпной груз, для которого справедлива теория сыпучих сред. При движении совместно с лентой конвейера груз находится в двух фазах: активной и пассивной, причем пассивная фаза возникает после активной, когда груз примерно находится в середине пролета между роликоопорами, и при приближении к следующей по ходу движения ленты роликоопоре он начинает сжиматься лентой. Максимальное сжатие груза происходит на самой роликоопоре, где пассивное давление достигает своего максимального значения, поэтому, для определения нагрузок на подшипники роликов необходимо описать максимальную пассивную фазу. При анализе деформированного состояния груза необходимо рассматривать равновесие некоторых геометрических тел. Считая, при этом что все поверхности, ограничивающие эти тела, являются плоскостями, можно рассматривать равновесие сечений этих тел, в частности, треугольников. При этом все силы, участвующие в расчетах, являются удельными, т.е. приходящимися на единицу длины. Для упрощения последующих расчётов примем форму верхней части груза треугольной с углом при основании (р. Сначала рассмотрим активную фазу состояния транспортируемого груза, при которой работу совершают силы тяжести некоторой части груза, которым препятствуют силы внутреннего трения. На рис. 2,16 показаны сечения боковой призмы насыпного груза в этой фазе Следует отметить, что все силы (Н), рассматриваемые в этой главе, получаются путём умножения распределённых сил (Н/м), на расстояние между поддерживающими роликоопорами (м), то в дальнейшем все расчёты выполняются для удельных сил (Н/м). Выполняя преобразования, получим выражения для реакции бокового ролика ширина ленты; I - длина среднего ролика; р - насыпная плотность груза; ,а - коэффициент активного давления, равный: Угол а является углом внутреннего трения транспортируемого груза и определяется из соотношения Точка приложения реакции R6a равна одной трети расстояния 0,5(Ь-/СР)от точки О. Силы, действующие на средний ролик в активной фазе, следующие (рис. 2.16, б): GOCDEF- вес призмы с основанием в виде пятиугольника, Rca-реакция средней части ленты, направленная перпендикулярно линии OF, Fa - силы давления со стороны боковых частей груза, направленных вниз под углом к нормали линии скольжения ОС, определяемые из соотношения: Реакция Учитывая выражение для плошади сечения груза на ленте F 5 полученное выше (согласно уравнению 2.7), запишем С помощью уравнения (2.10), можно рассчитать силы, действующие на боковые и средний ролик при активной фазе движения груза находящегося на ленте. Ранее отмечалось, что на ролики действуют нагрузки, возникающие в пассивной фазе движения груза. Реакция R6n бокового ролика (рис. 2.17,а) в пассивной фазе груза определяется, как
Анализ эффективности выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов
Во 2 главе получены выражения для определения давления груза и усилий от веса роликов и ленты, передаваемых на подшипники, в том числе и при выравнивании нагрузок на подшипники среднего и бокового роликов путем увеличения длины последнего. Полные выражения для определения давления груза на ленту необходимы для оценки коэффициентов сопротивления движению ленты, в то время, как оценка эффективности выравнивания нагрузок на подшипники может быть выполнена по упрощенным зависимостям. Для этого сначала умножим приведенные в главе 2 (формулы 2.13 — 2.16) полученные нагрузки на длину пролета между роликоопорами. Обозначим вес груза, находящегося в одном пролете между роликоопорами, через Gr, который может быть определён по формуле: где р - насыпная плотность транспортируемого груза, кг/м3 1 р - расстояние между роликоопорами, м , і F площадь поперечного сечения груза на ленте, м", g = 9,8м/с2 -ускорение свободного падения. Между этой величиной и давлением груза на средний и боковые ролики имеет место соотношение, вытекающее из результата, полученного в главе 2 (формула 2.9 ): Rca =Gr-2R/p cos р . (3.11) В этой формуле силы реакции среднего и бокового роликов приведены без индексов «и» (пассивное состояние груза) и «а» (активное состояние груза), так как со стороны набегания ленты на ролик действует Rcn или R n , а со стороны сбегания - &са, или соответственно, &ба В связи, с чем при расчете сил, действующих на ролики, принимаем среднеквадратическое При известном значении коэффициента в, при котором нагрузки на подшипники выравниваются - вр, вес груза на ленте является функцией рабочей ширины ленты Ъ , а вес ленты и роликов зависят от полной шириной ленты -Ол, поэтому удобнее пользоваться зависимостями нагрузки на подшипники от веса ленты и роликов, выраженными через полную ширину ленты. В качестве критерия эффективности выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов целесообразно использовать отношение расчетной нагрузки на наиболее нагруженный подшипник гр к весу груза находящегося в одном пролете между роликоопорами Gr, т.е. где Щп - критерий эффективности выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов. Во-первых, вес груза непосредственно связан с производительностью конвейера, а дополнительные нагрузки от веса ленты роликоопор являются в этом смысле вредным фактором. Во-вторых, значение этого показателя для роликоопор традиционной конструкции общеизвестно, хотя и с некоторой погрешностью. В различных методиках ориентировочных расчетов ленточных конвейеров с традиционной конструкцией роликоопор предполагается, что доля веса груза приходящегося на средний ролик при углах наклона боковых роликов #,=30-36", составляет 0,65 - 0,70, то есть на наиболее нагруженный подшипник этого ролика приходиться доля, равная 0,325-0,350 от всего груза. В связи с этим достаточно просто оценить изменение этого показателя при выравнивании нагрузки на подшипники.
Разработка цифровой модели пролета линейной секции ленточного конвейера
При движении по роликоопорам лента с грузом деформируется и это приводит к потерям энергии, эквивалентным некоторой силе сопротивления движению k деф Потери энергии на деформирование ленты с грузом могут быть определены, если известны деформации о\Х,у) во всех точках пролета ленты и коэффициент относительных потерь ь Зная силы Р(х9 у), действующие по поверхности ленты в этих точках, можно найти работу, совершаемую приводом на участке пассивного давления потери энергии . По величине потерянной энергии можно найти силу сопротивления от деформирования груза и ленты деф по формуле где 1р - расстояние между роликоопорами на грузовой ветви конвейера, м. Однако, определить деформированное состояние ленты и найти деформации д(х, У) теоретическим путем крайне сложно. Это связано с тем, что необходимо решить задачу о пространственном деформированном состоянии ленты как ортотропной оболочки, нагруженной продольными и поперечными неравномерно распределенными вдоль и поперек ленты силами от груза. На исключительную сложность аналитического решения подобной задачи указывалось в работах [39,63,Шпакунов И.А]. В работе [39] для нахождения деформаций ленты С.Д. Мягковым использован метод конечных разностей, примененный к системе нелинейных дифференциальных уравнений, полученных проф. С.А.Панкратовым. Этот метод требует сложной и трудоемкой подготовительной работы, связанной с представлением производных конечными разностями, необходимостью обращения матрицы высокого порядка, умения задать точность, при которой получается устойчивая сходимость решения и пр. В данной работе для решения задачи о деформировании ленты использован программный комплекс ANSYS, в котором решение задачи основано на методе конечных элементов (МКЭ). Программный комплекс ANSYS обладает большими возможностями и позволяет решать краевые задачи практически во всех инженерных областях, таких как колебания, теплопроводность, гидромеханика, прочность, специальные конструкции и пр. Этот пакет можно использовать и для решения различных задач на стадиях проектных разработок, что позволяет снизить стоимость продукции. Пакет содержит перечень расчетных средств, которые учитывают разнообразные конструктивные нелинейности и допускают наличие больших деформаций и углов поворота. Средства моделирования твердого тела включают в себя представление геометрии, основанное на использовании сплайновой технологии NURBS, геометрических примитивов и булевых операций. ANSYS имеет средства связи со всеми CAD - системами с помощью импорта файлов, как их собственных форматов, так и стандартных графических форматов. Имеются также версии ANSYS, интегрированные со всеми основными CAD - системами, где расчетная технология ANSYS применяется для анализа и оптимизации проектных разработок. Для решения поставленной задачи по определению деформированного состояния конвейерной ленты в пролете между роликопорами в программном комплексе ANSYS, был создан ряд параметрических моделей, которые в максимальном приближении могут дать представление о поведении конвейерной ленты при деформировании. В ходе решения, после построения моделей и задания необходимых параметров с помощью специально разработанной программы, ANSYS дает приближенное к действительности решение поставленной задачи, результаты которого можно наблюдать визуально, например, геометрию изменения формы деформированной ленты при воздействии внешних нагрузок. Многие параметры системы можно изменить в ходе решения, что позволяет увеличить объем и улучшить качество полученных результатов. Преимущество использования ANSYS: - возможность моделирования процессов и систем, решение которых аналитическими методами не представляется возможным; - наличие расчетных средств, которые учитывают разнообразные конструктивные ошибки и допускают большие деформации и углов поворота; -пакет имеет средства связи со всеми CAD - системами с помощью импорта файлов. Моделирование напряженно-деформированного состояния конвейерной ленты начинается с построения геометрической модели, которое можно выполнить двумя способами : - созданием геометрической модели при помощи программных средств пакета ANSYS; - созданием геометрической модели в CAD-системе с последующим экспортом модели в ANSYS. В данной работе построение модели выполнено частично в Autocad и частично в программном комплексе ANSYS (рис. 4.1 + 4.9). Одна из сложностей при построении модели состоит в том, что нагрузки на ленту по длине боковых роликов непрерывно изменяются (рис. 4.5,а), поэтому эта нагрузка при расчёте была заменена дискретно изменяющейся нагрузкой (рис. 4.5,6), для чего часть ленты, расположенная на боковых роликах, была разбита на ряд продольных участков, в пределах которых нагрузка постоянна. Чем больше таких участков, тем более точной является разрабатываемая модель (рис 4.5.6) После экспорта геометрической модели в ANSYS, она дорабатывалась в соответствии с постановкой задачи (рис 4.5 + 4.7). Были заданы параметры элементов, использованные при разбивке модели, свойства используемых материалов (модули упругости, коэффициенты Пуассона), а также нагрузки от натяжения ленты (натяжение ленты принималось постоянным по ее ширине) и нагрузки связанные с изгибом ленты и пр.
