Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на открытых разработках страны ежегодно добывается около 10 млрд. т горной массы, из них полускальные и скальные породы составляют по угольным месторождениям 15 %; железорудным месторождениям 85 %; коренным месторождениям цветных металлов 95 %; месторождениям горнохимического сырья 90 %; месторождениям нерудных ископаемых 90 %.
В процессе разработки полускальных и скальных горных пород занято большое количество горнотранспортного оборудования. Однако степень использования его составляет всего 40 - 60 % вследствие цикличности производства, сложности организации и управления технологическим процессом, наличия немеханизированных и маломеханизированных операций.
Наибольшее распространение в качестве средств поточного транспорта получили ленточные конвейеры. Высокая производительность, Аіалая энергоемкость, возможность полной автоматизации транспортных процессов и экологическая чистота делают этот вид транспорта наиболее эффективным для предприятий с большим грузооборотом.
Вместе с тем ленточные конвейеры в обычном исполнении не приспособлены к перемещению горных грузов с кусками, имеющими размеры свыше 300 мм. Это связано с тем, что при перекатывании ленты с грузом по роликоопорам на конвейерную ленту и роликоопоры передаются динамические ударные нагрузки, вызывающие их разрушение. Использование амортизирующих роликоопор, гибкого канатного става, уменьшение шага расстановки роликоопор, увеличение натяжения ленты - все эти известные средства снижения динамических нагрузок недостаточно эффективны, хотя и позволяют увеличить допускаемую крупность кусков до размеров 400 -500 мм.
Анализ гранулометрического состава горной массы, подготовленной буровзрывным способом, показывает, что выход негабаритных кусков вследствие природной слоистости и трещиноватости составляет такой удельный объем, который требует применения дробильных агрегатов или комбинированного автомобильно-конвейерного транспорта, что существенно увеличивает стоимость транспортирования. Доля конвейерного транспорта в общем объеме перевозок все еще невелика и не превышает 5 -7%.
Перекатывание груженой ленты по стационарным роликоопорам полностью исключается в ленточно-колесном конвейере, который был разработан проф. Спиваковским А.О. (кафедра транспортных машин и комплексов Московского горного института). Особенностью ленточно-колесного
конвейера является то, что груженая ветвь ленты перемещается на ходовьс опорах при свободном опираний ленты на траверсы ходовых опор.
Как показали опытно-промышленные испытания ленточно-колесньїі конвейер способен перемещать горные грузы с кусками, имеющими разме ры 1000 - 1200 мм и более. Выход негабарита после проведения буро взрывных работ при этом не превышает 2 - 3 %, что исключает применение дорогостоящих дробильных агрегатов или дополнительного автомобильно го транспорта.
Помимо основного преимущества ленточно-колесного конвейера способности перемещать крупнокусковые грузы - в сравнении с обьічньші ленточными конвейерами он обладает и следующими дополнительным! достоинствами:
- практически исключается износ ленты конвейера от воздействие
груза на линейной части конвейера;
уменьшается сопротивление движению конвейера;
на 3 - 4 градуса увеличивается допускаемый угол наклона подъемных конвейеров;
устраняется измельчение груза на конвейере, что имеет значение дш угля, флюсов, железной руды и т.д.;
существенно уменьшается влаговыделение при наличии в транспортируемой массе тиксотропных материалов.
Однако ленточно-колесные конвейеры имеют и недостатки, связанные главным образом с динамическими процессами, сопровождающим! движение контура с ходовыми опорами на концевых участках. При огибании концевых звездочек на соединительные цепи передаются значительные динамические нагрузки, вызываемые действием центробежных сил инерции ходовых опор. Кроме того, происходит изменение направления вращения ходовых катков при переходе с верхних направляющих на нижние и наоборот. Как показали опыгно-промьппленные испытания, скорость движения ленточно-колесного конвейера не должна превышать 0,8 - 1,0 м/с. Следует отметить, что и такие значения предельных скоростей движения могут в определенных случаях оказаться недопустимо большими вследствие возникновения резонансных состояний при продольных или поперечных колебаниях цепей, вызываемых периодическими действиями центробежных сил инерции ходовых опор, а также пульсирующим характером движения цепей, обусловленным кинематикой зацепления цепей с концевыми звездочками. Исследование динамики движения контура с ходовыми опорами позволяет установить условия, при которых возникают такие нежелательные резонансные состояния.
Успешная эксплуатация первых образцов конвейера послужила основанием для разработки и внедрения конвейерно-отвального комплекса с ленточно-колесными конвейерами на открытом руднике "Джанатас" горнохимического комбината "Каратау". Комплекс был изготовлен Ждановским заводом тяжелого машиностроения и включал полустационарные передаточные ленточно-колесные конвейеры, подъемный ленточно-колесный конвейер, а также отвальный ленточный конвейер и отвалообразователь. Таким образом, в состав комплекса вошли как ленточно-колесные конвейеры, так и ленточные конвейеры в обычном исполнении. Это потребовало установки дробильного агрегата между подъемным ленточно-колесньш конвейером и отвальным ленточным конвейером. Использование дробильного агрегата для измельчения вскрышных пород по существу сводит на нет преимущество ленточно-колесных конвейеров.
Движение грузонесущей ленты на ходовых опорах создает благоприятные предпосылки для установки прижимных лент и управляемых прижимных рычагов на траверсах ходовых опор в крутонаклонном ленточно-колесном конвейере. Кроме того, контур с ходовыми опорами может выполнять роль промежуточного привода, что обеспечивает возможность бесперегрузочного подъема грузов одним конвейером из глубоких карьеров.
Эффективность применения ленточно-колесных конвейеров во многом зависит от условий подачи грузопотока на конвейерную ленту. Специальный лопастный перегружатель способен загружать ленточно-колесные конвейеры с минимально возможной высоты и со скоростью, близкой к скорости конвейера.
Вместе с тем ленточно-колесные конвейеры могут быть эффективным средством транспорта не только на горных предприятиях, но и в ряде дру-пгх областей, например, в гидротехническом строительстве при возведении каменно-набросных плотин, в портах при загрузке и разгрузке барж и судов, а также при выполнении различных земляных работ, связанных с перемещением большого объема скальных и полускальных пород.
Целью работы является установление параметров ленточно-колесного конвейера, исключающих возникновение резонансных колебаний тяговых цепей контура с ходовыми опорами и определение параметров лопастного перегружателя для безударной подачи крупнокусковых горных грузов на конвейерную ленту из условия обеспечения заданной степени неравномерности вращения лопастного колеса, а также разработка конструкций ленточно-колесных конвейеров, обеспечивающих существенное повышение скорости движения и угла наклона конвейера.
Идея работы заключается в рассмотрении параметрических поперечных и продольных колебаний тяговых цепей контура с ходовыми опорами, вызываемых как действием периодических центробежных сил инерции ходовых опор, так и пульсирующим характером изменения продольной скорости движения цепей в зависимости от шага расстановки ходовых опор, натяжения цепей и конструктивных особенностей ленточно-колесного конвейера.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем:
-
Периодические приращения натяжения тяговых цепей ленточно-колесного конвейера, обусловленные действием центробежных сил инерции ходовых опор при огибании ими концевых звездочек, вызывают поперечные параметрические колебания цепей. Анализ устойчивости полученных уравнений поперечных колебаний цепей позволил определить области устойчивости малых колебаний (рабочий режим) и параметрического резонанса в зависимости от параметров конвейера. При этом натяжение тяговых цепей не должно быть менее амплитудного значения центробежной силы инерции ходовой опоры, приходящейся на одну ветвь цепи.
-
При поочередной установке опорных траверс и ходовых опор в ленточно-колесном конвейере возникают поперечные колебания самих траверс на нижней ветви конвейера. Получено уравнение поперечных колебаний траверсы и определены зоны устойчиво малых и резонансных колебаний, анализ которых показал, что для исключения резонансных состояний необходимо дополнительное увеличение натяжения тяговых цепей на 10-30% по сравнению с ленточно-колесным конвейером в обычном исполнении.
-
При значительных натяжениях тяговых цепей причиной параметрических резонансных колебаний цепей может стать пульсирующая продольная скорость движения цепей, обусловленная кинематикой зацепления цепей со звездочками. Получено уравнение поперечных колебаний цепей в форме уравнение Матье, анализ которого, проведенный по диаграмме Айн-са-Стретта применительно к параметрам ленточно-колесных конвейеров, позволил установить узловые точки, в области которых наступает параметрический резонанс, на основании этого найдена аналитическая зависимость, определяющая условия резонанса.
-
Получены уравнения продольных перемещений тяговых цепей, исследование которых позволило установить то, что продольные деформации цепей, вызываемые действием центробежных сил инерции ходовых опор происходят в дорезонансном режиме и пренебрежимо малы в сравнении с
ний с удлинением цепей за счет выборки провеса в пролетах между опорами. Анализ уравнений для определения удлинения цепей за счет выборки провеса показал, что и при небольшой длине конвейера обе концевые станции контура с ходовыми опорами должны выполняться как подвижно-натяжные для исключения схода цепей со звездочек. Так, при шаге расстановки ходовых опор 4 м и более соскакивание цепей со звездочек для горизонтальные установленного конвейера может начинаться при длине контура свыше 30 м.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются результатами теоретических исследований с использованием методов классической механики, теории колебаний, математического анализа, а также результатами экспериментальных исследований опытно-промышленного ленточно-колесного конвейера и лабораторных моделей высокоскоростного ленточно-колесного конвейера с дополнительными катками, секции крутонаклонного ленточно-колесного конвейера с управляемыми прижимными рычагами и лопастного перегружателя. По основным положениям даны численные примеры динамических расчетов.
Научное значение и новизна работы состоят:
в установлении характера и причин поперечных колебаний тяговых цепей в пролетах между ходовыми опорами ленточно-колесного конвейера, вызываемых периодическими приращениями натяжения цепей от действия центробежных сил инерции ходовых опор и анализе устойчивости малых поперечных параметрических колебаний (рабочий режим) и областей параметрического резонанса;
в установлении условий возникновения поперечных параметрических колебаний опорной траверсы в пролете между ходовыми опорами при поочередной установке опорных траверс и ходовых опор в ленточно-колесном конвейере;
в определении характера и причин поперечных колебаний тяговых цепей, вызываемых пульсирующей продольной скоростью движения тяговой цепи, обусловленной кинематикой зацепления цепей с концевыми звездочками, и получении аналитической зависимости, устанавливающей условия параметрического резонанса;
в определении зависимости продольных удлинений тяговых цепей за счет выборки провеса в пролетах между ходовыми опорами, позволяющей установить длины контуров с ходовыми опорами, для которых требуется использование подвижно-натяжных устройств на обеих концевых станциях с целью исключения соскакивания цепей со звездочек;
в определении рационального места установки дополнительных маховых масс в лопастном перегружателе для безударной загрузки ленгочно-колесных конвейеров в зависимости от применения жесткой или упругой муфты в приводе;
в определении зависимостей для расчета потребных моментов инерции лопастного колеса или маховика из условия обеспечения заданной степени неравномерности вращения лопастного перегружателя.
Новизна работы подтверждена двенадцатью авторскими свидетельствами СССР на изобретения.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке конструкции и испытании в лабораторных условиях высокоскоростного ленточно-колесного конвейера с дополнительными катками, допускающего увеличение скорости движения до 3 - 5 м-с"1, что обеспечивает возможность установки ленгочно-колесных конвейеров на отвалообразователях и транспортно-отвальных мостах и исключить при этом дорогостоящее дробление пород в дробильных агрегатах;
в получении расчетных формул для определения перемещений дополнительных катков на упругих элементах и динамических реакций на катки;
в разработке методики определения оптимального числа приводных контуров с ходовыми опорами и их параметров, включающей алгоритм и блок-схему решения задачи на ЭВМ;
в разработке конструкции крутонаклонного ленточно-колесного конвейера с подвижными управляемыми прижимными рычагами и прижимными лентами, закрепленными на ходовых опорах, которая позволяет увеличить угол наклона подъемного конвейера до 40 - 45 и даст значительный экономический эффект за счет сокращения объемов горно-капитальных работ при строительстве транспортных траншей и уменьшения длины конвейера;
в разработке конструкции и испытании в лабораторных условиях пространственного сферического шарнирно-рьиажного механизма для управления прижимными рычагами на концевых станциях крутонаклонного ленточно-колесного конвейера, что позволяет применить плоские ко-пирные направляющие и не ограничивает скорость движения конвейера;
в разработке конструкции и испытании в лабораторных условиях специального лопастного перегружателя для безударной загрузки ленгочно-колесных конвейеров крупнокусковыми горными грузами со скоростью, близкой к скорости движения конвейера, и исключающей заклинивание кусков скальных грузов между лопастями и направляющим лотком.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Основные положения работы и рекомендации по расчету, определению параметров и проектированию ленточно-колесных конвейеров приняты к использованию институтами "Кавказцветметпроект", "Югцветметав-томатика".
Ленточно-колесный конвейер и лопастный перегружатель для круп
нокусковых горных грузов, защищенные авторскими свидетельствами на
изобретения, включены в план разработки и внедрения новой техники на
Садонском свинцово-цинковом комбинате. ~"~
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Проблемы повышения надежности и долговечности и совершенствования методов эксплуатации подъемно-транспортной техники", МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1981; на Международной конференции "Безопасность и экология горных территорий", г. Владикавказ, 1995; на объедикешюм заседании кафедры технологических машин и оборудования, кафедры технологии разработки месторождений и кафедры деталей машин СКГТУ, 2000 ; на заседании кафедры горной механики и транспорта Московского горного университета, 2000; на ежегодных научно-технических конференциях СКГТУ (ранее СКГМИ) 1975 - 2000.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 38 публикациях автора, в числе которых 2 монографии, 12 изобретений, 24 статьи.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения изложенных на 265 страницах с 61 рисунками, 7 таблицами. Библиография содержит 136 наименований отечественных и зарубежных работ.