Введение к работе
Диссертация содержит анализ особенностей условий эксплуатации цепных конвейеров и питателей. Рассматривает состояние технических разработок по совершенствованию противоударных защитных устройств (ПЗУ), обеспечивающих прием крупнокускового груза в условиях подземных и открытых горных работ. Разработана классификация ПЗУ по функциональному критерию с ^етом физико-технических свойств рабочих органов цепных конвейеров. Дана :равнительная оценка технического уровня ПЗУ и эффективности их примене-іия. Рассмотрены вопросы нагруженности трансмиссии и тяговых органов іепньгх конвейеров и предложены новые технические решения по их защите от 'дарных нагрузок. Произведена оценка практической и научной значимости и іффективности использования в горной промышленности основных выводов и іекомендаций.
Актуальность проблемы
Республика Казахстан располагает огромными запасами различных полез-ьгх ископаемых, пригодных для разработки как подземным, так и открытым пособом. Практика показывает, что в большинстве случаев полезное нскопае-ое залегает достаточно глубоко или уходит в глубокие горизонты под значи-гльными углами падения. Глубина разработки руд на мощных железорудных арьерах республики (Соколовском и Сарбайском) уже превысила 300 м, а удное тело Канарского месторождения (ССГПО) залегает на глубине 170 м от эверхности земли и уходит в глубь под большим углом падения. В этих усло-іях большие объемы горной массы со значительным содержанием крупнокус-эвого и абразивного материала из глубоких горизонтов можно выдавать без эобления только железнодорожным транспортом. Однако эффективное при-гнение железнодорожного транспорта, как известно, ограничено глубинами не >лее 200 м, и с его использованием возможно применение только менее произ-щительных цикличных технологий.
Автомобильный транспорт также имеет ряд недостатков: экологически вре-н, эффективен только на коротких расстояниях откатки, весьма энергоемок, істое преодоление затяжных подъемов на форсированных режимах работы игателя резко сокращает ресурсы двигателя и машины в целом. Поэтому в убоких карьерах (по опубликованным данным) парк автосамосвалов обновля-ся в 2-3 раза чаще, чем по нормативу.
Традиционный высокопроизводительный конвейерный транспорт с ре: нотросовыми лентами имеет ограничения по углу подъема груза и криволиш ности трассы, может транспортировать только крупнодробленый (до 500 м материал, что требует вторичного дробления рядовой горной массы и вьшолі ния больших горно-капитальных работ по устройству конвейерных подъема ков. Низкий уровень показателей надежности комплексов циклично-поточн технологии (ЦПТ) на ленточных конвейерах при транспортировании скальп горной массы, высокая стоимость и частые передвижки дробильных компле сов резко снижают эффективность их применения по сравнению с цикличнь транспортом.
Вместе с тем существует разновидность конвейерного транспорта - пл стинчатые конвейеры, которые могут транспортировать крупнокусковой и абр зивный материал, преодолевают большие уклоны и подъемы, не имеют жестю требований к прямолинейности трассы. Такие конвейеры были созданы и пр шли испытания на подземных работах: на угольных шахтах Карагандинсш бассейна, на рудных шахтах Жезказганского горно-металлургического комб ната (ЖГМК) и на открытых работах - на опытно-промышленном учасп (ОГГУ) Качканарского ГОКа в составе традиционного комплекса ЦПТ на леї точных конвейерах. В последние годы Карагандинским техническим универсі тетом (КарПТИ) совместно с институтом «Гипроуглегормаш» (Караганда) ра работан комплекс ЦПТ открытых горных работ более высокого, принципиальи нового технического уровня. Основу комплекса составляет крутонаклонны пластинчатый конвейер (КНК) с верхним тягово-поддерживающим Komypoh который позволяет транспортировать крупнокусковой груз под углами 35- 4f установившегося откоса борта карьеров. Однако в техническом отношени наиболее сложную проблему в создании таких комплексов ЦПТ представляє узел загрузки рядовой горной массы на КНК через рабочую ветвь верхнего ког тура, поскольку при этом значительно увеличивается высота падения груз; следовательно, и ударная нагрузка на приемную площадку конвейера. Поэтом проблема приема рядовой горной массы на КНК и др. цепные конвейеры состс ит в том, что необходимо ограничить энергию удара падающих кусков, незави симо от их геометрических размеров, и обеспечить необходимую прочност элементов конструкции грузоприемной площадки.
В связи с этим настоящая работа направлена на поиск и создание новой прогрессивной транспортной техники, обеспечивающей более высокий техни ческий уровень и эффективность применения цепных конвейеров и самоходньп платформ в горной промышленности.
Тема диссертации выполнена по целевой научно-технической программе (НТО) «Создание высокоэффективных технологий, машин и оборудования» Министерства науки и новых технологий Республики Казахстан (письмо от 03.08.1995 г. №04-1-1/1015).
Цель работы. Создание и внедрение научно обоснованных, рациональны? технических решений. Разработка теоретических основ проектирования и рас
5 чета противоударных защитных устройств ценных конвейеров для комплексов комбинированного транспорта подземных и открытых горных работ. Задачи исследований:
-обосновать общий принцип построения структурных схем защитных устройств цепных конвейеров от ударных нагрузок;
-обосновать и реализовать рациональные режимы нагружения основных несущих элементов конструкции грузоприемной платформы на единичных амортизаторах при приеме крупнокускового груза;
- обосновать и реализовать рациональные режимы нагружения несущих элементов грузоприемной площадки на каскадных амортизаторах с компенсирующими свойствами при приеме крупнокускового груза;
-обосновать структурную схему и реализовать рациональный способ и устройство подачи крупнокускового груза на КНК;
-обеспечить работоспособность и долговечность конструкций противоударных средств защиты цепных конвейеров от ударных нагрузок, обосновать и оценить эффективность их применения.
Идея работы заключается в использовании в конструкциях ПЗУ цепных конвейеров научно обоснованных технических решений, основанных только на кардинально новых принципах функционирования, ограничивающих энергию удара падающих кусков груза, независимо от их геометрических размеров и чассы груза.
Методы исследований. Исследования производились с использованием методов системного анализа, теории оптимального управления, теории статистн-іеской динамики, численных методов прикладной математики, методов мате-штического и физического моделирования, вычислительного и физического кспериментов, методов рационального планирования экспериментов. Основные научные положения:
1.Общим признаком классификации противоударных защитных устройств ;епкых конвейеров, определяющим рациональность их структуры и парамет-ов, является принцип понижения энергии удара падающего груза как критерий ценки качества реализации динамической прочности их конструкций.
2.Максимальная ударная нагрузка в самоходной конвейерной грузопри-мной платформе на единичных амортизаторах имеет место при «падении» зуженой платформы с пороговой неровности трассы движения, поэтому тре-уемая долговечность несущих элементов (трансмиссии, тяговых органов, кузо-j-рамы и др.) ее конструкции обеспечивается переходом на каскадную систему .юртизации с балансирной подвеской рессор.
З.В пункте погрузки упругая вытяжка тягового органа под действием удар-)й нагрузки компенсируется предварительно напряженным состоянием кон-:йерной грузоприемной площадки на каскадных амортизаторах, поэтому при іударении основная часть энергии удара падающего груза, минуя тяговый ор-н, гасится в амортизаторах.
4.Сочленение секционированного барабанного питателя с верхним тяговь контуром крутонаклонного конвейера при согласованном шаге лопастей бар бана с шагом подпорных перегородок и встречном вращении их обеспечива' селективные снижения высоты падения единичных кусков груза обратно пр порционально их геометрическим размерам и позволяет ограничить энерги удара падающего груза заданной величиной.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
научно обоснован и предложен критерий оптимальности и установлен опті мальный алгоритм управления для оценки рациональности структурных схе ПЗУ, учитывающий динамические свойства рабочих органов цепных коивеш ров;
разработана классификация ПЗУ цепных конвейеров на принципе понижени энергии удара падающего груза, на основе которой установлены новые их noz классы, функционирующие на кардинально новых принципах действия, ограш чиваюшнх энергию удара падающего груза заданной величиной;
- методами теории статистической динамики установлены закономерност
формирования динамических нагрузок в конвейерной грузоприемной платфор
ме на единичных амортизаторах, как в колебательной системе, при воздействиі
на нее неровностей дорожной трассы произвольного профиля;
установлены закономерности формирования динамических нагрузок в несу щих элементах конвейерной грузоприемной площадки на каскадных амортиза торах, как в двухмассовой системе, при воздействии единичного куска груза і различных режимах ее функционирования;
установлены закономерности формирования динамических нагрузок в меха низмах узла загрузки КНК с верхним тягово-поддерживающим контуром прі воздействии единичного куска груза, получены оптимальные соотношения между массой, высотой падения груза и прочностью несущего органа конвейера;
разработаны научные основы проектирования и расчета конструктивных и кинематических параметров ПЗУ цепных конвейеров с различными структурными схемами.
Научное значение работы состоит в создании и внедрении научно обоснованных, рациональных технических решений по совершенствованию противоударных защитных устройств для формирования новой концепции развития комплексов ЦПТ на основе цепных конвейеров, обеспечивающих прием и бесперегрузочную доставку крупнокусковой горной массы в условиях подземных и открытых горных работ.
Практическое значение работы. Разработаны методические основы проектирования и расчета типовых узлов загрузки крутонаклонных и горизонтальных конвейеров. Созданы и испытаны опытные и опытно-промышленные образцы противоударных защитных устройств, новизна которых защищена пятью авторскими свидетельствами на изобретения, в разработке методики расчета. Определены конструктивные и кинематические параметры ПЗУ цепных конвейеров.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
- и теоретических исследованиях: корректностью постановки задачи и ис
пользованием апробированных математических методов, основных положений
и законов механики и сопротивления материалов, математических теорий оп
тимального управления и статистической динамики, учетом важнейших физи
ческих особенностей исследуемого объекта, установленных практикой и труда
ми многих исследователей;
- в экспериментальных исследованиях: использованием высокоточных
измерительных, измерительно-регистрирующих приборов и систем; примене
нием современных средств компьютерной техники и ЭЦВМ ЕС-1033, обеспечи
вающих требуемую оперативность и точность, соответствием их динамических
характеристик исследуемым процессам.
Экспериментальные данные, полученные в процессе стендовых исследований на полномасштабных физических моделях и опытно-промышленных образцах, имеют приемлемую точность и согласуются с результатами теоретических исследований.
Реализация результатов работы. Основные положения представленной диссертации, разработанные рекомендации, модели и методики расчетов использованы и внедрены:
Гипроуглегормашем при проектировании и испытании опытных образцов иахтных самоходных машин по типажному их ряду;
Воронежским ПО по буровому и транспортному оборудованию при серийном іьіпуске шахтных самоходных машин для калийной промышленности; Гипроуглегормашем и КарГТУ при проектировании комплекса ЦПТ Сарбан-:кого карьера ССГПО;
АО «Уралмаш» при экспертизе и подготовке к производству оборудования :омплекса ЦПТ для Сарбайского карьера ССГПО;
в учебном процессе КарГТУ и КазНТУ при изучении профилирующих дисци-їлин, курсовом и дипломном проектировании.
Расчетный годовой экономический эффект (утвержденный горным отделом 4инчермета СССР от 20.12.1989 г.) от внедрения комплекса ЦПТс конвейером ПСН-140 на ОПУ ЦПТ Сарбайского карьера ССГПО в зависимости от его про-зводителыюсти и технологической высоты подъема горной массы составляет коло 5 млн. рублей. Экономическая эффективность от внедрения методики асчета трансмиссии самоходных машин в свое время составила 3.5 тыс. руб-ей в год на единицу серийно выпускаемых машин (в ценах 1988 года).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобре-ие на координационных совещаниях по формированию годовых и пятилетних іанов НИР и ОКР Минчермета СССР (1976-1990 гг.), координационных пла-эв НИР АН КазССР (1977-1990 гг.), планов НИР института «Гипроуглегор-зш» (1977-1990 гг.), на секциях НТС производственных предприятий: Жезказ-нского ГМК (1980 г.), Воронежского ПО по буровому и транспортному обо-'дованню (1976 г.), ПО «Карагандауголь» (1980г.), АО «Уралмаш» (г. Екате-Інбург, 1992 г.), на заседаниях ученого совета института «Гипроуглегормаш»
(г. Караганда, 1973-1993), НИГГИцветмет (г. Жезказган, 1982 г.), на всесоюзнь и республиканских конференциях и совещаниях по горному транспорту. Днепропетровск (1975 г.), г. Москва (1976 г.), г. Караганда (1976, 1990, 19! гг.), на объединенных семинарах кафедр КазНТУ (г. Алматы, 1998 г.), Акад мин транспорта и коммуникации РК (г. Алматы, 1997 г.), на семинарах НТ ИГД МН - АН РК (г. Алматы, 1997 г.).
Публикации. Диссертация представлена в виде рукописи на 251 страниц машинописного текста, состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 48 иллюстраций, 11 таблиц и библиографию из 79 наименований. Публикаций:] монография, 5 авторских свидетельств на изобретения и 14 научных работ.
Автор выражает глубокую признательность своим коллегам, принимавши активное участие в методической подготовке работы, благодарит соавторов ; оказанную помощь и сотрудничество в исследованиях, реализации и промьш ленной апробации работ и обсуждении их результатов.