Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. «Современное состояние теории и методов расчета скребковых трубчатых конвейеров» 9
1.1. Сравнительный анализ конструктивных схем и эксплуатационных свойств скребковых конвейеров 9
1.2. Методы обоснования и расчета основных параметров скребковых конвейеров 20
1.3. Состояние теории напряженного состояния груза и формирования энергозатрат при транспортировании скребковыми конвейерами 24
1.4. Основные выводы и задачи исследования 43
Глава 2. «Анализ напряженного состояния сыпучего груза при его перемещении в трубчатом скребковом конвейере» 45
2.1. Форма и равновесие тела волочения в трубчатом скребковом конвейере 45
2.2. Уравнения напряженного состояния и расчетная модель тела волочения в трубчатом скребковом конвейере 53
2.3. Анализ напряженного состояния груза в трубчатом скребковом конвейере 59
2.4. Выводы по главе 89
Глава 3. «Расчет распределенных сил сопротивления движению трубчатого скребкового конвейера» 91
3.1. Определение коэффициента сопротивления проталкиванию реального тела волочения на горизонтальном участке конвейера 91
3.2. Анализ зависимости коэффициента сопротивления проталкиванию груза на горизонтальном участке конвейера от степени загрузки и других параметров 101
3.3. Определение и анализ коэффициента сопротивления проталкиванию тела волочения на вертикальном участке х 16
3.4. Выводы по главе 121
Глава 4. «Экспериментальные исследования процесса перемещения сыпучих материалов в трубчатом скребковом конвейере» 124
4.1. Оборудование и методика экспериментальных исследований... J24
4.2. План экспериментального исследования 133
4.3. Анализ результатов экспериментального исследования ізб
4.4. Выводы по главе 145
Заключение 147
Список литературы
- Методы обоснования и расчета основных параметров скребковых конвейеров
- Уравнения напряженного состояния и расчетная модель тела волочения в трубчатом скребковом конвейере
- Анализ зависимости коэффициента сопротивления проталкиванию груза на горизонтальном участке конвейера от степени загрузки и других параметров
- План экспериментального исследования
Введение к работе
Актуальность работы
В последнее время при применении конвейерного транспорта на горных предприятиях одной из актуальных проблем стала защиты окружающей среды, связанная с негативным воздействием движущегося пылящего грузопотока горной массы. Одним из эффективных способов уменьшения этого воздействия является применение машин непрерывного транспорта закрытого типа, т.е. машин, в которых движение грузла происходит в замкнутом объеме. Исследуемый в данной работе трубчатый скребковый конвейер относится к таким машинам.
Начиная с 1950-х годов данный тип конвейера интенсивно исследовался институтами ВНИИПТмаш и ИГД им. А.А. Скочинского. Первоначально он изготавливался с контурными скребками, а затем со сплошными; основное назначение конвейера - транспортирование насыпных грузов по сложным пространственным криволинейным трассам с любыми углами наклона.
В конце 20 века, когда повысились требования к экологии, снижению энергозатрат и минимизации потерь груза, стало актуальным применение трубчатых скребковых конвейеров на горных предприятиях России и их число возросло. В связи с этим усилиями отечественных специалистов (ОАО «ПКБ Техноприбор» г. Чебоксары) была создана серия трубчатых скребковых конвейеров со сплошными скребками типа «Технокон», которые успешно применяются в горнодобывающих отраслях промышленности. Однако существующие методы расчета параметров этих конвейеров основаны на результатах исследований, проведенных в 1950 - 60-х годах прошлого столетия применительно к конвейерам с контурными скребками, характерной особенностью которых является транспортирование груза сплошным, весьма длинным телом волочения. Поэтому, в связи с расширением области применения трубчатых конвейеров со сплошными скребками, возникают вопросы, связанные с особенностями формирования тела волочения конечной длины при загрузке конвейеров и определения сопротивления движению тягового органа с грузом в зависимости от основных факторов, в том числе от степени загрузки конвейера.
В связи с этим разработка метода расчета распределенных сопротивлений движению тягового органа трубчатого скребкового конвейера с пространственной трассой является актуальной научной задачей.
Целью работы является установление закономерностей формирования тела волочения в трубчатых конвейерах со сплошными скребками и определение распределенных сил сопротивления движению тягового органа с грузом в зависимости от его физико-механических свойств и степени загрузки конвейера для обоснования величины расчетного коэффициента сопротивления движению тягового органа трубчатого конвейера со сплошными скребками при транспортировании насыпных грузов.
Идея работы состоит в определении расчетного коэффициента сопротивлению движения тягового органа трубчатого конвейера со сплошными скребками в зависимости от переменного коэффициента подвижности сыпучего груза, закономерностей формирования неоднородного по длине тела волочения, физико-механических свойств и напряженно деформированного состояния насыпного груза.
Основные научные положения, разработанные лично автором, и их новизна:
- математическая модель объемного напряженно-деформированного состояния груза в трубчатом скребковом конвейере, учитывающая конечную длину тела волочения при любой степени загрузки конвейера;
- распределение давления тела волочения конечной длины вдоль трубы скребкового конвейера не является монотонным и имеет максимум в средней части его длины;
- установление закономерностей формирования и разработка метода расчета распределенных сил сопротивления движению тягового органа на горизонтальных и вертикальных участках трассы конвейера в зависимости от степени загрузки, позволяющего определить эти силы с учетом трёх возможных форм тела волочения: полное тело волочения естественной формы; тела волочения с усеченной формой в начале и конце интервала между скребками.
Обоснованность и достоверность научных положений, методология и методы исследования. Достоверность научных положений подтверждается использованием общепринятых теорий напряженно-деформированного состояния сыпучей среды, анализом существующих экспериментальных данных о напряженном состоянии насыпного груза в скребковых конвейерах с различным типом скребков, корректным применением методов математического анализа и прикладной механики, уравнений напряженного состояния сыпучей среды, а также результатами экспериментальных исследований, проведенных на натурном стенде трубчатого скребкового конвейера.
Экспериментальные научно спланированные исследования проводились на макетном полноразмерном образце трубчатого скребкового конвейера типа «Технокон-159» на полигоне ОАО «ПКБ Техноприбор» (г. Чебоксары), а также на стенде такого же конвейера в лаборатории "Транспортных машин" на кафедре ГМТ МГГУ. Обработка результатов экспериментальных исследований производилась с использованием методов математической статистики; достоверность результатов теоретических исследований подтверждается достаточной сходимостью с экспериментальными данными (расхождение не превышает 20% при доверительной вероятности 0,85).
Научное значение работы состоит в разработке математической модели напряженно-деформированного состояния транспортируемого груза в закрытом грузонесущем органе трубчатого скребкового конвейера со сплошными скребками и разработке метода расчета распределенных сил сопротивления движению тягового органа на горизонтальных и вертикальных участках трассы конвейера в зависимости от степени загрузки грузонесущего органа, позволяющего определить эти силы с учетом возможных форм тела волочения, расположенного между скребками.
Практическое значение работы состоит в разработке методики тягового расчета трубчатого скребкового конвейера с пространственной трассой. Реализация результатов работы. Разработанная на основании научных исследований методика тягового расчета трубчатого скребкового конвейера принята к использованию ОАО "ПКБ Техноприбор".
Апробация работы. Работа и основные ее положения докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка 2004», «Неделя горняка 2005» (г. Москва, ИПКОН РАН - МГГУ), на научно-технических советах в ОАО "ПКБ Техноприбор" 2005г и в институте ОАО "ВНИИПТмаш".
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 3 научные статьи.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 68 наименований, приложения и включает 41 рисунок и 8 таблиц.
Методы обоснования и расчета основных параметров скребковых конвейеров
Основными параметрами при укрупненном расчете конвейерных установок являются производительность, допустимая длина и мощность привода. В свою очередь, производительность определяется площадью поперечного сечения желоба конвейера, принятым коэффициентом его заполнения и скоростью движения тягового органа (можно считать эти три фактора элементами производительности). Допустимая длина определяется ещё и максимальным натяжением тягового органа, которое определяется суммарным сопротивлением движению и минимально допустимым натяжением из условия устойчивости движения. Сопротивление движению определяется (при заданных физико-механических свойствах груза) в основном элементами производительности конвейера и углом наклона. При этом при заданной производительности конвейера имеется оптимальное соотношение между элементами производительности, дающее наименьшую энергоемкость транспортирования. Применительно к скребковым конвейерам с желобом открытого типа основным фактором, определяющим оптимальное соотношение между скоростью движения и площадью поперечного сечения потока груза, является зависимость коэффициента сопротивления перемещению груза по желобу конвейера (если нет необходимости согласовывать скорость движения скребков конвейера со скоростью технологических машин). Так, экспериментальными исследованиями [37] показано, что увеличение скорости движения тяговых цепей от 0,73 м/с до 2,03 м/с приводит к уменьшению сопротивления движению примерно в 2 раза. При этом зависимость носит насыщающийся характер: при дальнейшем увеличении скорости падение сопротивления становится незначительным, а затем сопротивление даже несколько возрастает [60].
Как определено в работах [67], [68], сопротивление перемещению груза в значительной степени определяется гранулометрическим составом и крепостью горной породы. Нелинейная седлообразная зависимость сопротивления перемещения от скорости в определенном диапазоне скоростей движения цепей конвейера вызывает их продольные автоколебания [60]. Для конвейеров с погруженными скребками скорость движения тягового органа определяется из условия устойчивости сцепления потока груза с контурными скребками. Поскольку для трубчатых скребковых конвейеров существует другая опасность - заклинивание груза в трубе, то, очевидно, для них скорость движения необходимо принимать, исходя как из наименьшей энергоемкости транспортирования, так и устойчивости груза от заклинивания, тем более, что, согласно теории расчета конвейеров с погруженными скребками [49], сопротивление движению груза в них быстро возрастает в линейной зависимости от скорости. К сожалению, данных для такого выбора применительно к трубчатым конвейерам нет.
Можно ожидать и зависимость сопротивления перемещению груза в трубчатых скребковых конвейерах от диаметра трубы, особенно для груза с большим внутренним сцеплением (когезией), но этот вопрос также не изучен. Обычно коэффициент сопротивления движению груза принимают равным 0,2, а на вертикальных участках считают по формулам для контурных скребков [15].
Выбор коэффициента заполнения желоба грузом применительно к обычным скребковым конвейерам во многом определяется шагом скребков [65], так как форма свободной поверхности тела волочения имеет вид последовательности убывающих волн. Для трубчатых конвейеров шаг скребков также подлежит обоснованию, исходя из особенностей напряженного состояния груза в них (в настоящее время он подбирается опытным путем). Подробнее существующие теории напряженного состояния груза на скребковых конвейерах рассматриваются в следующем параграфе. Но коэффициент заполнения трубчатых конвейеров (обычно 0,8-0,9) определяется только способом загрузки.
Уравнения напряженного состояния и расчетная модель тела волочения в трубчатом скребковом конвейере
Строго говоря, последний член в первом уравнении системы (2.3), отражает не объемные силы, а граничные условия на поверхности груза, соприкасающегося с трубой, но он введен здесь через дельта-фунцкию для того, чтобы в системе уравнений напряженного состояния сыпучего груза было видно, в каких уравнениях присутствуют силы трения, а в каких -нет. Что касается других граничных условий, то в них, напротив, силы трения не определены. Эти граничные условия определяются в основном геометрическими и кинематическими связями порции транспортируемого груза с перемещающим и впередиидущим скребками, а также с тяговой цепью.
С перемещающимся скребком жестко связана принятая нами система координат. Обычно скребки конвейера, имеющие форму диска изготавливают из пластмассы или полиуретана, поэтому силами трения возникающими на поверхности скребка (диска) можно пренебречь. Эпюра давления груза на этот скребок qn неизвестна, как и эпюра давления груза на впередиидущий скребок qB. Последнюю можно определить, если, согласно идеям работы [15], условно продолжить свободную поверхность порции груза за пределы впередиидущего скребка до пересечения с контуром трубы конвейера и рассматривать полное тело волочения, не ограниченное передним скребком (рис. 2.5, а). В этом случае эпюру продольного давления в сечении тела волочения скребком можно приближенно отождествить с эпюрой давления на скребок [15]. Ввиду того, что передний скребок тянет следующий за ним, даже при полностью заполненном грузом пространстве между скребками, то очевидно, что давление груза на передний скребок qB нужно считать равным нулю по меньшей мере в самой верхней точке его сечения А (рис. 2.5, б). Очевидно, что на имеющихся вертикальных участках трассы конвейера, такой одной верхней точки не существует и давление на передний скребок будет равно нулю по всей его поверхности.
Таким образом, необходимо сначала рассматривать напряженное состояние полного тела волочения, состоящего из полного столба длиной п и наклонной части длиной н, а затем для нахождения сил сопротивления движению груза суммировать силы его трения о стенки трубы лишь на длине, равной интервалу между скребками с (рис. 2.5, а), так как сила давления груза на передний скребок q„ характеризует лишь внутренний распор в порции груза и не влияет на баланс внешних продольных сил (см. рис. 2.3). Соотношение между п и с зависит от принятого шага скребков и степени заполнения трубы.
Если пространство между скребками заполнено грузом не полностью, т.е. с п (см. рис. 2.5, а), то будем иметь два принципиально разных контура поперечного сечения груза: на участке длиной п - круговой контур сечения, на участке длиной (с-п) неполный круговой со свободной поверхностью. Способы описания напряженного состояния груза при этих двух разных видах сечения различны, поэтому удобно при рассмотрении напряженного состояния груза делить полное тело волочения на две части и рассматривать их напряженное состояние отдельно.
Наконец, рассмотрим характер взаимодействия груза с тяговой цепью. Поскольку можно рассчитать лишь максимально возможную силу трения груза о цепь, а фактически реализуемая её часть неизвестна (полного скольжения груза вдоль цепи нет), как и направление сил трения, то необходимо задать на поверхности контакта груза с тяговой цепью граничные условия, исходя из кинематического характера связи между ними.
Анализ зависимости коэффициента сопротивления проталкиванию груза на горизонтальном участке конвейера от степени загрузки и других параметров
С целью подбора аппроксимирующих зависимостей более простого вида, чем в выражениях для \\Ус) и 2\ с), а также зависимостей \\2Ь \ 2 дс),ос\Ф2 сЬ нами построены графики этих зависимостей (рис.3.3 и 3.4). Целью построения этих графиков являлось сглаживание зависимостей при значениях v.Z ос\ к).Ъ тк в этом диапазоне наблюдаются сильные колебания построенных зависимостей, вызванные приближенным характером формулы (3.12). Эта формула дает о і наиболее достоверный результат для случая с 1 т,к- ПРИ ос =-1,1//N = — ,К =— происходит полная стыковка значении we, рассчитанных по формулам для малой и большой степени загрузки(і//дг kv uy/N 1-к ). При значениях 8С, близких к О, отсекающая тело волочения плоскость пересекается с его свободной поверхностью по оси симметрии трубы X , что также подтверждает достоверность расчетов по выше приведённым формулам, поэтому в диапазоне U.Z ос U.o полученные графики немного сглажены с учетом характера их поведения в остальных диапазонах. Границы этих диапазонов выбраны из тех же соображений, а также с учетом объяснимости формы графиков на несглаженных участках. Анализ полученных сглаженных зависимостей показал, что при большой степени загрузки трубы конвейера зависимость можно с высокой степенью точности аппроксимировать функцией Фг в 0.17(1 -Ф2)2. (3.28)
Кривую 2 на рис. 3.3,а возможно аппроксимировать прямой линией, однако при малой степени загрузки конвейера нас интересует не зависимость Фх от (Ф2 —8С), а зависимость отношения 2Ф1/(Ф2 —Sc) определяющего величину коэффициента удельного сопротивления we.
При аппроксимации зависимости 2 на рис. 3.3.а прямой линией это отношение оказалось бы постоянной величиной. В то же время построенный на рис. 3.3.6 график этого отношения показывает его явный переменный характер, который нужно учитывать при расчетах. Поскольку этот график непосредственно дает зависимость we / fTP = /(——) то при малой степени загрузки у/ N к можно его использовать для определения We без аппроксимации аналитическим выражением. График показывает, что в случае, показанном на рис.3.1,а, при увеличении высоты тела волочения перед скребком от 0 до ис « 0.8RTP (при этом 8С « 0.2) происходит интенсивный рост коэффициента удельного сопротивления we от значения we = fTP до we « 2.64 fTP.
Это объясняется интенсивным ростом среднего угла наклона поверхности трения тела волочения к боковой стенке трубы конвейера. При этом сначала скорость увеличения объема тела волочения меньше скорости роста силы трения о стенки трубы, а затем становится равной ей и даже превышает. В связи с этим, рост we прекращается на уровне we » 2.64/гр, а затем происходит его уменьшение. При увеличении значения высоты ис от O.SRj-p RO1.2RTP значение уменьшается до величины 1.33fTP, при этом кривизна поверхности трения груза о стенки трубы изменяет знак, а сила трения возрастает с меньшей интенсивностью. При этом погонная масса тела волочения растет с еще меньшей скоростью, вследствие уменьшения ширины поперечного сечения груза на уровне ис. Этим и объясняется то, что при ис = (l,2...2,0)7?jp имеет место некоторый рост we.
План экспериментального исследования
В соответствии с целями эксперимента, в ходе исследований варьировались скорость движения рабочего органа трубчатого скребкового конвейера и угол его наклона. Принятые при экспериментальном исследовании уровни скорости движения определялись возможностями частотного регулирования привода и приведены в табл. 4.2. Исследованный диапазон скоростей соответствует принятому в практике проектирования и эксплуатации таких конвейеров диапазону.
Угол наклона конвейера изменялся от 0 до предельно возможного на макетном образце, равного 45. При этом исследовались три качественно разных случая: горизонтальный конвейер (/3=0), пологонаклонный конвейер (/? = 20) и крутонаклонный конвейер
(/3=45).
Коэффициент заполнения конвейера так же входит в число переменных параметров эксперимента, но управление этим параметром затруднено: он формируется под влиянием скорости движения рабочего органа, физико-механических свойств груза, угла наклона конвейера и уровня груза в загрузочном коробе. Для устранения корреляции коэффициента заполнения с переменными параметрами эксперимента варьировался уровень заполнения загрузочного короба.
Предварительный анализ результатов экспериментальных исследований показал, что статистическая связь фактического коэффициента заполнения с видом груза (песок или глина) и углом наклона конвейера практически отсутствует. При транспортировании глины корреляция коэффициента заполнения со скоростью движения тягового органа также практически отсутствует (см. табл. 4.5), коэффициент корреляции составляет 0,12.
При транспортировании песка корреляция значений коэффициента заполнения со скоростью тягового органа более высокая и коэффициент корреляции равен 0,4. поэтому полностью разделить эффекты влияния скорости и коэффициента загрузки конвейера на сопротивление движению невозможно. Это учтено при обработке данных экспериментального исследования: зависимости сопротивления движению от коэффициента заполнения конвейера, полученные при различных скоростях, анализируются отдельно.
При каждом угле наклона конвейера перед заполнением его грузом определялась мощность холостого хода, затрачиваемая на преодоление сопротивления движению тягового органа. Предварительные эксперименты показали, что сопротивление от давления столба груза в загрузочном узле конвейера при характерных значениях пренебрежимо мало, поэтому можно считать, что сопротивление движению тягового органа полностью определяется распределенным по его длине трением скребков о трубу конвейера, то есть сопротивлением холостого хода. Это сопротивление оказалось существенно зависящим от угла наклона конвейера и, особенно от скорости движения. Последний факт хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований обычных скребковых конвейеров, выполненных в МГИ Г.И. Перминовым [37]. В связи с чем анализ сопротивления холостого хода также был предметом экспериментального исследования.
В соответствии с выше изложенным, составлена матрица плана экспериментального исследования, приведенная в табл. 4.3. В матрице приняты следующие условные обозначения: X - холостой ход; Г - транспортировка глины; П - транспортировка песка. Всего матрица включает 27 опытов.
Для обеспечения необходимой точности экспериментальных данных выполнен расчет необходимого числа дублей каждого опыта. Предварительные измерения показали, что при вариации измеряемого тока двигателя от 0,8 А до 2, 85 А среднеквадратичная ошибка измерений имеет нормальное распределение.
Таким образом ошибка в определении средней величины дублированного измерения не превысит значения: где: S - ожидаемое среднеквадратичное отклонение; п - число дублей каждого опыта; t - критерий Стьюдента. Принято число дублей п = 5, при котором значение критерия Стьюдента для числа степеней свободы т = п — 1 = 4 и при уровне значимости а = 0,10 составляет t = 2,13.
