Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор конструкций подвесных роликоопор ленточных конвейеров и научно-исследовательских работ, посвященных силовому взаимодействию ленты с роликоопорами 15
1.1. Обзор конструкций подвесных роликоопор 15
1.2. Обзор научно-исследовательских работ, посвященных силовому взаимодействию ленты с роликоопорами 32
Глава 2. Исследование силового взаимодействия ленты с подвесными роликоопорами 63
2.1. Определение поперечных сил действующих на ленту при её боковом сходе на подвесных роликоопорах с плечом крепления на канатах става (тип 1) 65
2.2. Определение поперечных сил, действующих на ленту при её боковом сходе на подвесных роликоопорах с шарнирным соединением со ставом (тип 2 и 3) 106
2.3. Экспериментальные исследования подвесных роликоопор на Гайском ГОКе и стенде института УкрНИИпроект 114
Глава 3. Особенности тягового расчета ленточных конвейеров с подвесными роликоопорами 124
3.1. Определение натяжения ленты на грузовой ветви горизонтального конвейера 126
3.2. Определение натяжения ленты на грузовой ветви бремсбер-гового конвейера 134
3.3. Определение натяжения ленты на грузовой ветви уклонного конвейера 142
Глава 4. Определение натяжения канатов става с подвесными роликоопорами 150
4.1. Изменение натяжения канатов при взаимодействии ленты с подвесными роликоопорами 150
4.2. Исследование влияния температуры на натяжение канатов става 159
Глава 5. Определение и исследование областей устойчивости по перечного движения ленты 163
5.1. Исследование поперечного движения ленты 163
5.2. Анализ областей устойчивого движения ленты 178
5.3. Исследование бокового схода ленты на горизонтальных и наклонных конвейерах с подвесными роликоопорами 196
5.4. Предлагаемые конструкции линейной части ленточного конвейера 207
Глава 6. Исследование автоколебаний подвесных роликоопор 222
6.1. Автоколебательные процессы на ставе с подвесными роликоопорами 222
6.2. Экспериментальное определение зависимости приведенного коэффициента трения f от угла перекоса ролика у 226
6.3. Вывод уравнения движения подвесной роликоопоры при шарнирном креплении к ставу (горизонтальный конвейер) 229
6.4. Решение уравнения движения подвесной роликоопоры для горизонтального конвейера 242
6.5. Вывод и решение уравнения движения подвесной роликоопоры с плечом крепления на канатном ставе бремсбергового конвейера 252
6.6. Определение области автоколебаний подвесных роликоопор на уклонном конвейере 265
Заключение 279
Литература 284
Приложения 297
- Обзор научно-исследовательских работ, посвященных силовому взаимодействию ленты с роликоопорами
- Определение поперечных сил, действующих на ленту при её боковом сходе на подвесных роликоопорах с шарнирным соединением со ставом (тип 2 и 3)
- Определение натяжения ленты на грузовой ветви бремсбер-гового конвейера
- Анализ областей устойчивого движения ленты
Введение к работе
Ленточные конвейеры, являясь одним из наиболее эффективных и высокопроизводительных видов конвейерного транспорта, нашли широкое применение на подземных и открытых горных работах. Применение ленточных конвейеров обеспечивает на горных предприятиях интенсивный путь развития, позволяя использовать поточную и циклично-поточную технологию, широко внедрять автоматизацию производственных процессов, соответствуя при этом современным экологическим требованиям.
Постоянно растут объёмы перевозок ленточными конвейерами в угольной 1 промышленности, черной металлургии, промышленности нерудных строительных материалов и других отраслях. По данным работы [74] объём вскрышных пород по угольным разрезам, перемещаемый различными видами транспорта к 2010г. достигнет 650-670 млн.м3 в год. При этом объём перемещаемой горной массы в 2005-2010 гг., приходящийся на конвейерный транспорт, в процентах к общему объёму перевозок, в схемах циклично-поточной технологии составит 12-14%, и на конвейерный транспорт в схемах поточной технологии — 8-10%. В этой же работе отмечается перспективность использования комбинации ав-томобильного и конвейерного транспорта и приводятся следующие данные о значительном улучшении показателей процесса транспортирования по сравнению с применением «чистого» автотранспорта, В зависимости от размеров грузопотоков, глубины разреза и расстояния транспортирования, себестоимость транспортирования снижается на 25-35%, удельные энергозатраты сокращаются в 1,5-2,0 раза, трудоёмкость уменьшается, в зависимости от размера грузопотока, в 1,3-1,5 раза. Также приводятся сведения о том, что в Европе в связи с широким применением многоковшевых экскаваторов на угольных карьерах массовое распространение получил именно конвейерный транспорт.
Подземная добыча угля в настоящее время характеризуется высоким удельным весом применения конвейерного транспорта. Опыт эксплуатации и постоянное совершенствование конструкции позволяют считать ленточные конвейеры одним из наиболее применяемых видов транспорта не только сегодня, но и в перспективе.
Эффективность применения ленточных конвейеров во многом зависит от стабильной работы линейной части конвейера (става и роликоопор), поскольку именно на линейной части конвейера наблюдаются основные причины выхода из строя лент (самого дорогостоящего элемента конвейера) и роликов, которых, например, только на грузовой ветви конвейера длиной в 1000 м находится около 3000 шт.
Таким образом, конструктивное совершенствование ленточных конвейеров, их экономически эффективное применение невозможны без совершенствования и установления рациональных параметров элементов линейной части конвейера.
В отечественной и мировой практике всё большее применение находят ленточные конвейеры с подвесными роликоопорами. Например, из 11 типов конвейеров (с учетом модификаций) отечественного типажного ряда подземных ленточных конвейеров с шириной ленты 1000 мм, 10 типов (т.е. все, кроме специального грузолюдекого 2ЛЛ100) выпускаются с канатным ставом и подвесными роликоопорами, причём роликоопоры могут крепиться к канатному или жесткому ставу [69].
В работах [17, 95] делается вывод, что конструкция ленточного конвейера с подвесными, шарнирными (или гибкими) роликоопорами, является наиболее прогрессивной при транспортировании крупнокускового груза. При этом снижаются динамические нагрузки на ленту и ролики и увеличивается срок службы ленты. Навеска подвесных роликоопор на канаты става уменьшает металлоемкость конструкции конвейера на 30-40%. В качестве недостатка отмечается некоторое увеличение коэффициента сопротивления движению ленты за счет дополнительного деформирования груза. В работе [49] на основании анализа конструкций обоснован более высокий обобщённый показатель качества кон вейеров с подвесными роликоопорами.
Аналогичная тенденция широкого применения ленточных конвейеров с канатным ставом и подвесными роликоопорами имеет место и за рубежом. В работе [15] приводятся данные, согласно которым в США свыше 90% ленточных конвейеров, работающих в подземных условиях, имеют канатный став. Указываются преимущества и недостатки таких конвейеров (с канатным ставом и подвесными роликоопорами) по сравнению с конвейерами с жесткоуста-новленными роликоопорами. Среди основных преимуществ — следующие: 1) упрощается доставка конвейера и уменьшаются габариты узлов, а также снижается трудоёмкость монтажа, демонтажа и наращивания конвейера; 2) капитальные затраты на несущую конструкцию на 10-20% ниже, чем у конвейеров с жестким ставом. При этом эксплуатационные расходы ( в пересчёте на конвейерную установку длиной в 500 м) ниже на 3-5%; 3) уменьшаются повреждения ленты и роликоопор и снижаются просыпи груза; 4) с применением гибких ро-ликоопор улучшается центрирование ленты.
Основными недостатками таких роликоопор, по мнению автора работы [15] являются: 1) необходимость перпендикулярного положения подвесных роликоопор несущим канатам, что не гарантируется конструкцией конвейера. При этом, различное натяжение канатов става также может привести к перекосам роликоопор; 2) при углах наклона конвейера свыше 9° гибкие роликоопо-ры следует закреплять перпендикулярно канатам става; 3) необходимость более тщательного монтажа и обслуживания конвейеров с канатным ставом.
Одной из важнейших проблем в конвейеростроении является повышение срока службы ленты. Одной из основных причин выхода лент из строя является боковой сход ленты на грузовой и порожняковой ветвях и, как следствие, изнашиваются борта ленты, происходят её порывы, а также просыпается транспортируемый груз. В работе [38] приводятся данные по угольной промышленности по выходу лент из строя. Были обследованы повреждения лент: 2131 повреждение на подземных конвейерах, 978 на конвейерах обогатительных фаб рик и на поверхности шахт. В процентном соотношении к общему количеству повреждений лент, в среднем по комбинатам, расслоение бортов составило 13% (в отдельных случаях — свыше 30%), а поперечные порывы — 12%. Обе эти причины можно отнести к последствиям бокового схода ленты. Таким образом, в среднем по комбинатам выход лент из строя по причине аварийного (свыше допустимого) бокового схода ленты достигал значительной величины — 25%, превосходя все остальные причины.
В работе [35] приводятся сведения о том, что на магистральных конвейерах шахты «Павлоградская» резинотросовые ленты выходят из строя в основном из-за износа бортов и вырыва крайних тросов. При этом подчеркивается, что причины снятия лент с эксплуатации именно эти, а не износ обкладок.
Аналогичное явление наблюдалось и на ленточных конвейерах, работающих в других отраслях промышленности. В работе [72] дан подробный анализ причин простоев роторно-конвейерных комплексов на горно-обогатительных комбинатах КМА. Простои комплексов, составляющие 60-70% календарного времени происходили из-за нарушения в работе конвейеров. И около двух третей простоев были вызваны выходом лент из строя, причём основной причиной этого послужил боковой сход ленты. Например, по Михайловскому карьеру (комплекс КГТО-2) за один год аварийные простои роторных комплексов по причине схода ленты, её порывов и заштыбовки става составили свыше 70% от общего количества простоев.
Одной из основных причин простоев комплексов называется боковой сход ленты на грузовой ветви. Количество просыпавшегося грунта (из-за бокового схода ленты на грузовой ветви) по всей длине конвейерной линии вскрышного комплекса КГТО-2 (Михайловский карьер) составляло в среднем 4ч-4,5 тыс.м3 в месяц, т.е. около 2% месячной производительности комплекса. В работе [79], также приводятся данные о значительных трудозатратах по уборке просыпей. Около 30% трудозатрат от общего количества по обслуживанию ленточных конвейеров приходится на уборку просыпей и устранение других последствий бокового схода ленты.
Анализ причин бокового схода ленты проанализирован во многих работах [72, 79, 104, 105 и др.]. В качестве итога можно отметить, что предвидеть все причины, вызывающие боковой сход ленты, невозможно. Например, такие, как изменение гипсометрии почвы, неодинаковый коэффициент сопротивления вращению боковых роликов и другие причины. По данным работы [79], при наиболее интенсивном пучении почвы периодичность выставления става для конвейера ІЛ80 составляла 25-40 суток. В той же работе делается вывод, что трудозатраты по выставлению става конвейера составляют около 60 человеко-часов на 1000 м.
Возвращаясь к проблеме применения ленточных конвейеров с подвесными роликоопорами (о преимуществах применения которых говорилось выше), следует отметить, что вопросы устойчивости поперечного движения ленты на таких конвейерах должны рассматриваться ещё детальнее, ввиду специфических особенностей работы подвесных роликоопор, положение которых относительно ленты может меняться в зависимости от угла наклона конвейера или характера взаимодействия с движущейся лентой. Вопросы устойчивости поперечного движения ленты ранее рассматривались в основном применительно к конвейерам с жестким ставом и жесткоустановленными роликоопорами. Неисследованными остались вопросы влияния конструктивных вариантов подвески роликоопор на устойчивость поперечного движения ленты. Наблюдения за работой конвейеров с подвесными роликоопорами показали, что тип подвески и положение роликоопоры относительно ленты являются определяющими факторами влияющими на центрированное движение ленты. Например, в работе [139] приводятся данные о том, что подвесные роликоопоры на канатном ставе не всегда обеспечивают центрированное движение ленты. Так, на одном и том же конвейере, имеющем наклонные участки трассы, при движении вниз под уклон движение было неустойчивым, а вверх — устойчивым. Роликоопоры были шарнирно закреплены на канатах става и на участке, где лента двигалась вниз под уклон роликоопоры поворачивались относительно места крепления вперед по ходу движения ленты, создавая перекос роликов в плане конвейера. Данное положение роликоопоры, при боковом сходе ленты должно создавать децентрирующее ленту усилие. При отклонении роликоопоры назад (при движении ленты вверх по уклону), поперечная сила трения, при боковом сходе ленты, наоборот, центрирует ленту.
Таким образом, для разных конструктивных типов става с подвесными роли-коопорами необходимо более углублённо исследовать поперечное движение ленты на основании разработки математической модели этого движения, учитывающей конструктивные особенности подвесных роликоопор и позволяющей устанавливать области устойчивого движения ленты. При этом для компенсации возмущающих сил, вызывающих боковой сход ленты и стабильной работы ленточных конвейеров, одной из первостепенных задач является создание и применение таких конструкций ставов ленточных конвейеров, которые обеспечивали бы достаточно хорошее самоцентрирование поперечного движения ленты.
Из-за возможности изменения положения подвесной роликоопоры при движении ленты или в зависимости от угла установки конвейера необходимо учитывать, при тяговом расчете, возникновение дополнительного сопротивле-ния движению ленты от перекоса боковых роликов в плане конвейера.
При нелинейном характере силы трения, возникающей между лентой и боковыми роликами подвесной роликоопоры с падающим участком кривой, могут возникать автоколебания подвесных роликоопор, приводящие к износу ленты, роликоопор и нестабильной работе конвейера (колебаниям канатов става, неустойчивому движению ленты, увеличению динамических усилий при транспортировании груза). Необходимо исследование автоколебаний подвесных роликоопор, установление условий их возникновения и определение областей автоколебательных режимов в зависимости от параметров конвейера, с расчетом частот и амплитуд этих колебаний.
На основании анализа приведенных в работе научных исследований и опыта эксплуатации ленточных конвейеров с подвесными роликоопорами сформулирована следующая цель работы: развитие теории и разработка методов расчета ленточных конвейеров с подвесными роликоопорами для обоснования конструктивных параметров линейной части, повышающих срок службы ленты, роликов и других элементов конвейера.
Идея работы. Повышение срока службы ленты, роликов и других элементов конвейера достигается за счет определения рациональных параметров его линейной части, полученных на основании исследования силового взаимодействия движущейся ленты с роликоопорой и разработки методов расчета конвейеров с подвесными роликоопорами.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
— математическая модель силового взаимодействия ленты с подвесной роликоопорой, позволяющая определить поперечные и продольные силы, действующие на ленту в зависимости от параметров конвейера и физико-механических свойств груза;
— метод расчета распределённых сопротивлений движению ленты на ветвях ленточного конвейера, оборудованных подвесными роликоопорами, с учетом дополнительных продольных сил, возникающих от взаимодействия ленты с роликами, имеющими перекос в плане конвейера, и участвующих в формировании тягового усилия;
— математическая модель поперечного движения ленты по подвесным роликоопорам, позволяющая определить критическую жесткость системы, при которой возникает неустойчивое движение (угол бифуркации поперечного движения ленты) и обосновать с использованием фазовой плоскости области и вид устойчивого движения ленты;
— математическая модель вращательного движения подвесной ролико-опоры относительно мест её крепления на ставе, с установлением условий возникновения автоколебаний подвесных роликоопор и определением областей автоколебательных режимов в зависимости от конструктивных параметров конвейера и расчетом частот и амплитуд этих колебаний;
— метод расчета натяжения канатов става ленточного конвейера свободно лежащих на опорных стойках, с учетом силового взаимодействия ленты с подвесными роликоопорами, а также температуры окружающей среды.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко-мендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями. Теоретические исследования базируются на известных методах теоретической и прикладной механики, математическом анализе, теории дифференциальных уравнений, теории устойчивости движения механических систем, теории автоколебательных процессов. Лабораторные и промышленные исследования подтверждают правильность теоретических положений и расчетов. Расхождения полученных в диссертации теоретических и экспериментальных данных не превышает 10 - 12 %.
Научная новизна. Разработана математическая модель силового взаимо-действия ленты с подвесной роликоопорой линейной части конвейера, отличающаяся тем, что при определении поперечных и продольных сил, действующих на ленту дополнительно учтены силы трения, возникающие от сопротивления движению ленты по роликам, имеющим перекос в плане конвейера, а также момент сил от натяжения канатов при варианте подвески роликоопоры с плечом крепления на канатах става.
Предложен метод расчета сопротивления движению ленты на линейной части конвейера с подвесными роликоопорами, отличающийся тем, что в нем учтены дополнительные продольные силы, возникающие от взаимодействия х ленты с роликами, имеющими перекос в плане конвейера, и участвующие в формировании тягового усилия.
Разработана математическая модель поперечного движения ленты по ставу, оборудованному подвесными роликоопорами, представляющая собой механическую систему с распределенными параметрами, описываемую дифференциальным уравнением в частных производных пятого порядка, на основании которой определена критическая жесткость системы, характеризующая условия возникновения неустойчивого движения ленты и соответствующая углу бифуркации поперечного движения ленты. С использованием метода фазовой плоскости и построением фазовых портретов исследованы области и определен вид поперечного движения ленты для исследуемых конструктивных типов подвесных роликоопор с учетом угла наклона конвейера.
Разработана математическая модель вращательного движения подвесной роликоопоры относительно мест её крепления на ставе, с определением условий возникновения и областей существования автоколебаний подвесных роликоопор и расчетом частот и амплитуд этих колебаний в зависимости от конструктивных параметров конвейера.
Предложен метод расчета натяжения канатов става конвейера, свободно лежащих на опорных стойках, отличающийся тем, что учитывает продольные силы, возникающие в канатах от взаимодействия ленты с подвесными ролико-опорами при перекосе боковых роликов, а также температуру окружающей среды.
Научное значение работы состоит в новом развитии теории и разработке методов расчета ленточных конвейеров с подвесными роликоопорами, которые базируются: на исследовании силового взаимодействия ленты с подвесной ро-ликоопорой и определении поперечных сил, действующих на ленту при её боковом сходе; на исследовании устойчивости поперечного движения ленты на конвейерах, оборудованных подвесными роликоопорами, и построении на основе теории устойчивости по A.M. Ляпунову областей устойчивого движения ленты; на уточнении тягового расчета конвейера с учетом продольных сил трения, возникающих при взаимодействии ленты с роликами подвесных роликоопор, имеющими перекос в плане конвейера; на определении областей, частот и амплитуд стационарных автоколебаний подвесных роликоопор и путей устранения этих автоколебаний; на расчете натяжения канатов става, свободно лежащих на опорных стойках, в котором учтены продольные силы трения, воз никающие при взаимодействии ленты с подвесными роликоопорами, боковые ролики которых, имеют перекос в плане конвейера, а также температура окружающей среды. Практическое значение работы заключается в разработке: метода расчета поперечных сил, действующих на ленту при её боковом сходе на конвейере с подвесными роликоопорами; методики расчета сопротивления движению ленты на линейной части конвейера с подвесными роликоопорами и метода расчета натяжения канатов става; методики определения областей устойчивого поперечного движения ленты; метода определения областей и условий возникновения автоколебаний подвесных роликоопор.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика уточненного тягового расчета и Методика определения областей устойчивого поперечного движения ленты конвейеров с подвесными роликоопорами использованы институтами ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИИПТМаш при проектировании ленточных конвейеров и при разработке транспортно-технологических схем, а также в учебном процессе в дисциплинах «Эксплуатация и расчет горнопроходческих машин и механизмов» и «Горнотранспортные и дорожностроительные машины» в Московском государственном геологоразведочном университете.
Апробация работы. Работа и её отдельные положения докладывались на конференциях: «Повышение надёжности и производительности конвейерного транспорта на горнодобывающих предприятиях» (г. Челябинск, 1980 г.); «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже XX-XXI веков» (г. Москва, МГГА, 1998 г.); IV международная конференция «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, МГГА, 1999 г.); V международная конференция «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, МГГА, 2001 г.); Четвертая международная научно-практическая конференция «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых» (г. Москва, МГГРУ, 2004 г.); на научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Моек- . ва, МГГУ, 2004 г.); на заседании кафедры «Механизация и автоматизация горных и геологоразведочных работ» МГГРУ (г. Москва, 2005 г.); на заседании кафедры «Горной механики и транспорта» МГГУ (г. Москва, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, в том числе получено 9 авторских свидетельств и патентов.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 142 наименований, содержит 94 рисунка, 4 таблицы, 2 приложения.
Обзор научно-исследовательских работ, посвященных силовому взаимодействию ленты с роликоопорами
Значительный вклад в развитие теории взаимодействия ленты с роликоопорами внесён многими отечественными учеными: чл.-корр. АН СССР А.О. Спиваковским, академиком АН УССР Н.С. Поляковым, докторами технических наук Х.Г. Акановым, А.В. Андреевым, Н.Я. Биличенко, В.И. Галкиным, В.Г. Дмитриевым, Р.Л. Зенковым, Г.Г. Кожушко, Б.А. Кузнецовым, В.Ф. Монастырским, Е.Е. Новиковым, С.А. Панкратовым, А.А. Реутовым, Ю.Д. Тарасовым, Л.Г. Шахмейстером, И.Г. Штокманом, кандидатами технических наук В.Я. Ба-рабановым, Б.Х. Белостоцким, B.C. Бондаревым, , B.C. Волотковским, Е.М. Высочиным, А.Н. Вычигиным, Ю.И. Григорьевым, В.Н. Гуленко, В.П. Дунаевым, В.П. Дьяченко, В.К. Дьячковым, П.Н. Егоровым, Е.Х. Завгородним, И.В. Запениным, М.А. Котовым, А.А. Кузнецовым, Ю.А. Подопригорой, М.П. По-кушаловым, В.К. Смирновым, B.C. Трощило, И.А. Шпакуновым и многими др.
Исследования, проведенные этими учеными явились теоретической и экспериментальной базой для выполненных в настоящей работе исследований.
Вопросам развития транспорта посвящено значительное количество опубликованных работ, среди которых большое внимание уделено конвейерному транспорту как на открытых [7,10,74,100,117,118,122 и др.], так и на подземных [16,33,37,42,127,128 и др.] горных работах, в том числе ленточным конвейерам с подвесными роликоопорами.
Первые исследования, посвященные ленточным конвейерам с подвесными роликоопорами появились сравнительно недавно. Одной из первых работ явилось исследование [7], где был рассмотрен вопрос воздействия динамических нагрузок на ленту и роликоопоры при транспортировании крупнокусковых грузов. Среди других вопросов исследовалась загрузочная часть ленточного конвейера с подвесными шарнирными и гибкими роликоопорами и перемещение ленты с крупнокусковым грузом по роликоопорам. При этом были определены: прогиб и жесткости подвесных шарнирных роликоопор и ленты; сила удара груза по ленте на подвесных роликоопорах, и сделан расчет загрузочной части конвейера с подвесными роликоопорами. Также определены были напряжения в конвейерной ленте при транспортировании крупнокусковых грузов, динамические нагрузки на роликоопоры при движении крупнокускового груза и выполнен расчет натяжения конвейерной ленты. В работе [7] были сделаны важные выводы о том, что подвесные роликоопоры в несколько раз (до 10) уменьшают силу удара груза о ленту конвейера при его загрузке, по сравнению с жесткими опорами, что применение подвесных роликоопор уменьшает силу удара кусков груза о роликоопоры при транспортировании. При этом, анализируя возможные средства уменьшающие силу удара груза по роликоопорам, автор считает наиболее целесообразным и эффективным применение подвесных гибких и шарнирных роликоопор.
Следует отметить, что в работе [7] не рассмотрены вопросы бокового схода ленты на конвейерах с подвесными роликоопорами (а данная проблема приобретает особую актуальность на бремсберговых конвейерах), изменение тягового усилия в ленте и натяжения канатов става из-за дополнительной силы трения при взаимодействии ленты с роликами, имеющими перекос в плане конвейера, колебательные процессы подвесных роликоопор.
Ленточные конвейеры с канатным ставом и подвесными роликоопорами показали высокую эффективность их применения при транспортировании крупнокусковых грузов. Это подтверждается значительным количеством исследований и публикаций разных авторов. В опубликованных работах основное место занимают исследования по определению динамических нагрузок в местах загрузки и на линейных секциях при разных конструктивных исполнениях загрузочных и линейных роликоопор [2; 8; 13; 75; 76; 77].
В работе [75] отмечаются достоинства ленточных конвейеров с подвесными роликоопорами, например, такие как: значительное снижение динамических нагрузок на ленту и роликоопоры; уменьшение металлоёмкости конвейера с канатным ставом и подвесными роликоопорами на 30-40%; возможность замены подвесных роликоопор во время работы и др. Также говорится и о недостатках таких конвейеров, среди которых называются: увеличение сопротивления движению ленты; при движении ленты вниз под уклон, из-за увода роликоопор вперед по ходу движения ленты, возможно возникновение децентрирования ленты и просыпь груза, поэтому могут потребоваться дополнительные, удерживающие канаты или другие устройства; при определенных условиях возможно возникновение колебания канатного става, что ухудшает работу конвейера.
В работе [75] представлены результаты большого объема экспериментальных исследований ленточных конвейеров для крупнокусковых грузов, выполненные в лаборатории конвейерного транспорта УкрНИИпроекта. Были исследованы зависимости силы удара по ленте в месте погрузки и на линейных секциях от различных факторов. Например, сделан вывод, что на линейных роли-коопорах сила удара при транспортировании крупных кусков груза в значительной мере зависит от натяжения и скорости движения ленты, убывая с увеличением натяжения и возрастая с увеличением скорости.
В работе [75] даны также результаты ряда экспериментов по установлению характера и величины динамических нагрузок, действующих на подвесные роликоопоры и ленту при погрузке и транспортировании крупных кусков груза, полученные в лаборатории кафедры Транспортных машин и комплексов МГИ. Эти эксперименты показали, что для линейных секций, при одинаковой скорости транспортирования динамические нагрузки на подвесные роликоопоры примерно в два раза меньше, чем на жесткие.
В работе [2] говорится, что ленточные конвейеры становятся основным средством транспорта в горной промышленности, в частности на открытых разработках. Новое развитие ленточные конвейеры получили с применением канатного става с подвесными роликоопорами. Проведенные исследования пока
Определение поперечных сил, действующих на ленту при её боковом сходе на подвесных роликоопорах с шарнирным соединением со ставом (тип 2 и 3)
При сходе ленты на канатном ставе (тип 2) по сравнению с подвесными роликоопорами на жестком ставе (тип 3), при боковом сходе ленты добавляется сила FH, от наклона всей роликоопоры. Сила FH, как и центрирующая сила грструктивных типов подвесных роликоопор (тип 1, 2, 3) сила F определялась одинаково. Поэтому определим поперечную силу трения Fn для роликоопортипов 2 и 3, которая отличается от значения этой силы, определённой ранее для роликоопор с плечом крепления на канаты става (тип 1). Для этого необходимо определить угол отклонения а и угол перекоса у боковых роликов.
На рис. 2.20,а,б показана схема силового взаимодействия ленты с ролико-опорой имеющей шарнирное соединение со ставом горизонтального конвейера. Составим уравнение равновесия моментов сил относительно точки О для одного каната.Выполняя преобразования, аналогично конструктивному варианту с плечом крепления, уравнение (2.49) будет иметь вид Подвесная роликоопора с шарнирным креплением к ставу отклоняется вперёд по ходу движения ленты значительно больше, чем роликоопора с плечом крепления. На горизонтальном конвейере угол перекоса боковых роликов в плане конвейера может превышать 2-3. Следовательно, в выражении приведенного коэффициента трения f уже нельзя учитывать только линейныйчлен, поскольку, как показали эксперименты линейное изменение fnp-f{f)происходит только до 130 -2. В шестой главе, посвященной автоколебаниям подвесных роликоопор, подробно рассматривается характер изменения f отугла перекоса у и аппроксимируется (6.15). Применим данное выражение f ,для определения положения подвесной роликоопоры с шарнирным креплением к ставу конвейера, а также из-за малости угла у принимаем cos 7-ій уравнение (2.50) запишемpi1
Определим суммарные поперечные силы, действующие на ленту при её боковом сходе на ставах с шарнирной подвеской роликоопор типов 2 и 3. Используя полученные ранее выражения для Fsp и FH, а также Fn (по формуле 2.55) построим графики изменения Fz в зависимости от величины бокового схода 5. На рис. 2.21,а приведено изменение Fj. для канатного става (подвесные роликоопоры — тип 2), на рис. 2.21,6 — для жесткого става (роликоопоры — тип 3). На канатном ставе добавляется децентрирующая сила FH от наклона всейроликоопоры в сторону схода ленты.В целом по обоим типам (2 и 3) с шарнирной подвеской роликоопор на гори зонтальном конвейере можно сделать вывод о малой поперечной восстанавливающей силе, действующей на ленту при её боковом сходе. Это вызвано тем, что при значительном перекосе боковых роликов (свыше 2-3), возникающем при движении ленты, поперечная децентрирующая сила трения Fn достигает практически максимального значения, уменьшая Fz. На горизонтальном конвейере, оборудованном подвесными роликоопорами с шарнирным креплением к ставу, достаточно небольшого возмущающего усилия, чтобы произошёл боковой сход ленты за допустимые пределы. Такое усилие может быть создано: изначально неперпендикулярным, продольному движению ленты, положением всей роликоопоры; установкой стоек става на разном уровне; вспучиванием почвы; несимметричной загрузкой ленты; боковым ветром (на карьерах) и т.п.
Применение роликоопор с подвеской типов 2 и 3 на бремсберговых конвейерах, где перекос боковых роликов ещё больше, чем подвесных роликоопор с плечевым креплением (тип 1) нежелательно, поскольку при чистых контакти-руемых поверхностях ленты и роликов возможна реализация большей поперечной децентрирующей силы Fn, в зависимости от угла перекоса роликов у.При этом суммарная поперечная сила из малой центрирующей может превратиться в децентрирующую, о чем говорилось ранее при рассмотрении конструкции типа 1.Определим, при каком угле установки уклонного конвейера, угол отклонения роликоопор типов 2 и 3 от оси OZ будет равным нулю, т.е. предельный угол Д при котором боковые ролики подвесных роликоопор типов 2 и 3 не будут при боковом сходе ленты создавать децентрирующее усилие. Приравняем к нулю выражение (2.46) с учетом того, что плечо крепления также равно нулю (6 = 0).
Подставляя в (2.57) значения, соответствующие параметрам конвейера 1ЛТ100, получим /3 «130 . Таким образом, даже на уклонных конвейерах применение конструкций подвески типов 2 и 3 желательно только свыше угла /? = +13(У. Но и тогда, когда децентрирующего эффекта не создается(/? +13(У), существующее при больших углах /? значительное отклонение боковых роликов будет вызывать повышенный износ конвейерной ленты.Проведенные теоретические исследования показали, что при уводе внутренних концов боковых роликов подвесной роликоопоры вперёд по ходу движения ленты, суммарная поперечная центрирующая сила Fs, действующая наленту при её боковом сходе, уменьшается. Это происходит потому, что при симметричном перекосе боковых роликов в плане конвейера, сила трения Fnявляется децентрирующей. При этом на бремсберговом конвейере поперечная сила трения Fn может стать настолько большой, что и суммарная поперечнаясила Fz становится децентрирующей.
Для проверки самого факта возможности неустойчивого поперечного движения ленты на ставе, где подвесные роликоопоры могут отклоняться вперед по ходу движения ленты, поворачиваясь относительно места крепления; для проверки полученных величин углов отклонения а и перекоса у боковых роликов подвесных роликоопор; для определения поперечных сил, действующих на ленту при её боковом сходе и сопоставления их с результатами теоретических исследований были проведены экспериментальные исследования на Гайском горно обогатительном комбинате и на стенде института УкрНИИпроект.
На ленточном конвейере Гайского ГОКа (рис. 2.22,а), транспортирующем вскрышную породу имеется два вида става: с жесткоустановленными ролико-опорами (большая часть длины конвейера) и канатный став с подвесными ро-ликоопорами (участок конвейера). Ширина ленты — 1000 мм, скорость движения ленты — 2,5 м/с, длина конвейера — 800 м.
Стенд института УкрНИИпроект (рис. 2.22,6) состоит из образующих замкнутый цикл двух ленточных конвейеров: с жестким ставом и жесткоустановленными роликоопорами и с канатным ставом и подвесными роликоопора-ми. Ширина ленты на обоих конвейерах — 1200 мм, длина — 36 м, скорость движения — 1-т-З м/с. На стенде возможно реверсирование направления движения ленты.
В работе [115] были проведены экспериментальные исследования по определению поперечных сил, возникающих при боковом сходе ленты на горизонтальном, бремсберговом и уклонном конвейерах. При этом исследовались соединения роликов между собой и были рассмотрены: роликоопоры с жестким соединением роликов; шарнирные роликоопоры, ролики которых могут перемещаться только в вертикальной плоскости и шарнирные роликоопоры, ролики которых перемещаются в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
В настоящей работе стояла другая задача, не рассмотренная в [115], а именно — исследовать соединения, подвесной роликоопоры со ставом конвейера. При этом были рассмотрены: соединение с плечом крепления на канаты става и с шарнирным соединением подвесных роликоопор со ставом. Как показали теоретические исследования вид соединения подвесной роликоопоры со ставом играет важную роль в устойчивости поперечного движения ленты, поскольку величина суммарной поперечной силы, действующей на ленту при её боковом сходе, существенным образом меняется в зависимости от вида крепления роликоопоры к ставу и места установки на горизонтальном, бремсберговом или уклонном конвейерах.
Определение натяжения ленты на грузовой ветви бремсбер-гового конвейера
В главе 2 было показано, что применение подвесных роликоопор с шарнирным соединением со ставом (тип 2, 3) на бремсберговых конвейерах нецелесообразно из-за неустойчивого движения ленты в поперечном направлении. Поэтому рассмотрим конструкцию с плечом крепления (тип 1), которая широко применяется на подземных ленточных конвейерах унифицированного ряда. Уравнение равновесия моментов сил относительно центра поворота ролико-опоры на канатах става, из которого определяется угол перекоса боковых роликов (/), имеет вид
Как показывают конкретные расчеты (см. гл. 2), угол перекоса боковых роликов в плане конвейера (у), при натяжении канатов става с провесом в центре пролета у = 0,011ст, не превышает величины линейного изменения характеристики f =/(/) Поэтому линеаризуя данную зависимость, принимаем
Г fnP=c\ Y- Как и в случае с горизонтальным конвейером: w = C r-e 8 +С" прПодставляя f и W в уравнение (3.12), получимОбозначив коэффициентами D[ и D2 выражения конвейера с углом наклона /? = -16 и параметрами, аналогичными рассмотренным ранее (т.е. В = 1000 мм, vn = 2,5 м/с). Было принято начальное натяжение ленты на грузовой ветви Ss = 130 кН. На рис. 3.5,а показано изменение натяжения S для жесткого става (кривая 1) и канатного става с роликоопорами, имеющими плечевое крепление на канатах (тип 1) — кривая 2. За счет скатывающей силы (q + q)- g-s mfi-L происходит падение натяжения ленты, причём повышенный коэффициент сопротивления движению на ставе с подвесными роликоопорами типа 1 по сравнению с жёстким ставом снижает в данном случае общее сопротивление движению на грузовой ветви. При этом возможно снижение натяжения ленты в начале грузовой ветви с 130 кН до 80 кН.
Суммарный коэффициент сопротивления движению ленты, определенный по формуле (3.20), приведен в таблице 3.2.Рис. 3.5. Изменение натяжения ленты на грузовой ветви бремсбергового конвейера при начальном натяжении Sa = 130 кН (а) и 80 кН (б)(1 —жесткоустановленные роликоопоры; 2 — подвесные роликоопоры тип 1) зывания ленты, суммарный коэффициент сопротивления движению на ставе с подвесными роликоопорами значительно больше, чем на жестком ставе ( в 5,8 раз — для конвейера длиной 500 м). Однако, если рассматривать реальный процесс, то дополнительная сила трения от перекоса боковых роликов на ставе с подвесными роликоопорами может играть положительную роль, снижая тяговое усилие на приводе конвейера и суммарный (приведенный), с учётом скатывающей силы, коэффициент сопротивления движению (w 0) (3.21, табл. 3.3):
В работе [69, рис. 14.30,в] приведены графики зависимости длины от угла установки конвейера 1ЛБ100, при постоянной мощности привода (N = 100 кВт) и скорости движения ленты v = l,6 м/с (рис. 3.7). Данные графики построены с учетом тягового расчета, в котором не рассматривалась возможность изменения угла перекоса боковых роликов в плане конвейера и соответственного изменения общего коэффициента сопротивления движению ленты. В параграфах 3.1 и 3.2 было показано, что с применением подвесных роликоопор и учетом сил трения ленты о боковые ролики, имеющие перекос в плане конвейера, общий коэффициент сопротивления движению ленты может существенно отличаться от такого же коэффициента на ставе с жесткоустановленными роликоопорами.
Определим предельные длины бремсбергового конвейера, на котором установлены подвесные роликоопоры (тип 1), при ширине ленты — 1000 мм, скорости её движения — 1,6 м/с и мощности привода — 100 кВт, в зависимости от угла наклона конвейера. Для сравнения рассмотрим те же производительности конвейера, что и на графике рис. 3.7.
Для выполнения тягового расчета были использованы формулы (3.17) и (3.19), полученные в 3.2 для нахождения натяжения и сопротивления движению ленты на грузовой ветви бремсбергового конвейера. При этом учитывалось изменение угла перекоса боковых роликов в зависимости от угла установки конвейера и соответственное изменение приведенного коэффициента трения / = f(y). Дляэксплуатационных производительностей 550, 420, 300 и 200 т/ч, были построены кривые L = f(P) (рис. 3.8). При сравнении с аналогичными кривыми для типажного конвейера 1ЛБ100 (рис. 3.7) очевидна существенная разница полученных значений. В среднем, по всем расчетным производительностям, величины предельных длин конвейеров (рис. 3.8) в полтора раза больше чем на графике рис. 3.7.
Анализ областей устойчивого движения ленты
Поперечное движение ленты на конвейере может быть асимптотически устойчивое, устойчивое и неустойчивое (рис. 5.6). При этом возможны колебательная и лимитационная формы этого движения. Исследованию колебаний и решению отдельных задач посвящены многие работы отечественных ученых [53, 55 - 57, 89, 101 и др.]. Рассмотрим и определим виды поперечного движения ленты на конвейере с подвесными роликоопорами.Дифференциальное уравнение интегральной кривой на фазовой плоскости с учетом полученного уравнения поперечного движения (5.8) имеет вид
При исследовании подобных уравнений возможны три принципиальных случая, которые имеют место и при исследовании поперечного движения ленты на горизонтальных и наклонных конвейерах:При колебательном движении (первый случай, когда коэффициент затухания /л меньше частоты колебаний) уравнение (5.20) — это уравнение затухающих колебаний и его общее решение имеет вид где А и — постоянные величины, зависящие от начальных условий.Для исследования устойчивости движения ленты, рассмотрим собственные затухающие колебания. При t - 0 начальные условия примем в виде: S[0) = S0 и j(0) = 0, подставляя которые в (5.21), получим уравнение собственных колебаний где А и В — постоянные величины, определяемые, как и в предыдущем случае величины А и 0, из начальных условий, а именно S(0) = S0, (0) = 0.При асимптотической устойчивости колебательного движения (первый случай) интегральная кривая имеет вид спирали, скручивающейся к началу координат — устойчивому фокусу.
В критическом случае (второй случай) на фазовой плоскости имеется прямая y--jU-S, пересекать которую спирали интегральной кривой уже не могут. При дальнейшем увеличении коэффициента затухания (при постоянной частоте), то есть в третьем случае, спирали интегральных кривых стремятся быстро, без поворотов, к началу координат, который становится устойчивым узлом.Оценим и проанализируем «фазовый портрет» поперечного движения ленты на конвейере с подвесными роликоопорами для различных условий эксплуатации и углов установки конвейера.
Исследуем поперечное движение ленты на горизонтальном конвейере (/? = 0) с подвесными роликоопорами с плечом крепления (тип 1) и с шарнирным креплением подвесных роликоопор к канатам става. 1) Загруженный конвейер, роликоопоры — тип 1.
Для конвейера с лентой шириной 1000 мм был выполнен расчет и получены необходимые для построения интегральной кривой величины со0 и ju. Период колебаний определялся по формулегде с — определенная постоянная величина.
Подставляя разные значения с, получим пучок прямых, которые проходят через начало координат. Результаты расчета показали, что при движении ленты имеет место первый случай (т.е. малое сопротивление — /и со0), поперечное движение асимптотически устойчиво и центр координатфазовой плоскости является устойчивым фокусом. На рис. 5.7,а показана траектория интегральной кривой, рассматриваемого случая, при начальном отклонении ленты в поперечном направлении на величину S0 = 0,1 м. Дляточности построения интегральной кривой, при пересечении очередной изоклины, кривой придавался средний наклон, равный полусумме наклонов стрелок на данной изоклине и стрелок на следующей изоклине.
Как видно из графика, затухание поперечных колебаний происходит достаточно быстро — практически за один условный период. При этом декремент затухания равенРис. 5.7. Интегральные кривые (а) и изменение величины бокового ходаленты (б) на горизонтальном загруженном конвейере (1 —роликоопоры тип 1, 2 — роликоопоры тип 2) На рис. 5.7,6 показано затухающее поперечное колебание загруженной ленты с шириной 1000 мм при начальном отклонении S0 = 0,1 м.2) Загруженный конвейер, роликоопоры - тип 2.
Как было показано в гл. 2 на роликоопорах с шарнирным креплением к канатам става, при боковом сходе ленты возникает поперечная центрирующая сила, значительно меньшая, чем на подвесных роликоопорах с плечом крепления (тип 1). Следовательно, с учетом формулы (5.7), где определяется ш0, очевидно, что частота колебания ленты на конвейере сподвесными роликоопорами тип 2 будет значительно меньше, чем на ставе с роликоопорами тип 1. Конкретный расчет для конвейера с шириной ленты 1000 мм подтвердил это: со0 = 2,62 - тип 1; со0 = 1,48 - тип 2. Следовательно,в данной конструктивной системе (роликоопоры - тип 2) большее, чем в предыдущем случае (роликоопоры - тип 1), влияние оказывает коэффициент затухания ц,. Построение интегральной кривой для данного случая подтверждает сделанный вывод (рис. 5.7 - пунктир). Интегральная кривая практически, сделав один оборот, стремится к центру координат. Это всё ещё система колебательная (первый случай - ju 0), но несомненна тенденцияперерастания в лимитационное движение с последующим устойчивым узлом в центре координат.За один период отклонение ленты от S0 - 0,1 м уменьшается до 0,0006 м.Изменение величины бокового схода показано на рис. 5.7,6 (пунктир), подтверждая сделанные ранее выводы.3) Незагруженный конвейер, роликоопоры - тип 1.
Исследуем поперечное движение ленты на горизонтальном конвейере с подвесными роликоопорами (тип 1) при незагруженной ленте. Как изменится колебательное движение, рассмотренное в п.1 Поперечная восстанавливающая сила при боковом сходе ленты на незагруженном конвейере, естественно, уменьшится. Но уменьшится и приведенная плотность ленты, которая, как было показано в гл. 2 определялась по формуле р- рл + крг,
