Содержание к диссертации
Введение
1. Пути снижения динамических нагрузок на ленту конвейера при транспортировании крупнокусковой горной массы 16
1.1. Анализ современных ленточных конвейеров для крупнокусковых грузов 16
1.1.1. Конвейеры с податливой системой роликовых опорных элементов 21
1.1.2. Практика создания безроликовых конвейеров
1.2. Существующие пути снижения динамических нагрузок на ленту при загрузке конвейера крупнокусковым грузом 39
1.3. Опыт применения постоянных магнитов для подвеса транспортных средств 52
1.4. Цель и задачи исследований 63
2. Теоретические основы силового взаимодействия в системе подвеса ленты конвейера на магнитной подушке 66
2.1. Параметрическое и пространственное взаимодействие постоянных магнитов 66
2.1.2. Прямоугольные призмы конечных размеров 71
2.1.3. Многорядные системы 76
2.1.4. Многомагнитные системы матричного типа 79
2.2. Намагниченность постоянных магнитов при действии изменяющихся размагничивающих полей 84
2.2.1. Определение напряженности размагничивающих полей 84
2.2.2. Аппроксимация кривых размагничивания и петли магнитного возврата 94
2.2.3. Аналитическое определение намагниченности магнитов 97
2.3. Алгоритмизация магнитного взаимодействия
прямоугольных магнитных призм 103
Выводы 108
3. Обоснование параметров системы подвеса конвейера на магнитной подушке
3.1. Анализ факторов, влияющих на силы магнитного взаимодействия 110
3.2. Математическое моделирование поперечного смещения ленты 120
3.3. Оптимизация параметров магнитного подвеса конвейера на магнитной подушке 131
3.4. Магнитотвердые материалы элементов систем подвеса 138
3.5. Предпосылки создания промежуточного привода
для конвейера на магнитной подушке 142
Выводы 145
4. Анализ способов центрирования ленты конвейера на магнитной подушке 148
4.1. Устройства центрирования механического
действия 150
4.1.1. Механическое ограничение поперечного смещения 150
4.1.2. Устройства с опережающим перемещением опоры 154
4.1.3. Рычажные центрирующие опоры 155
4.2. Центрирование с помощью устройств на основе
прямолинейных проводников 160
4.2.1. Центрирование за счет изменения конфигурации магнитного поля опор 161
4.2.2. Формирование смещающего усилия с помощью сил Ампера. 165
4.3. Центрирование конвейерной ленты боковыми электромагнитами 168
4.3.1. Иследование напряженности магнитного поля в зоне возможного расположения электромагнитов 168
4.3.2. Исследование зависимости смещающей силы от положения электромагнита 172
4.3.3. Моделирование процессов компенсации смещающих усилий 180
Выводы... 182
5. Определение рациональных параметров устройства поддержания ленты конвейера магнитным полем в месте загрузки 184
5.1. Энергоемкость процесса амортизации двух отталкивающихся магнитов при воздействии ударных нагрузок 184
5.1.1. Критерий оценки амортизирующей способности двух отталкивающихся магнитов в форме прямоугольных призм 185
5.1.2. Оптимальные соотношения размеров амортизирующих магнитных призм 1 5.2. Взаимодействие между парами отталкивающихся магнитных призм 196
5.3. Выбор схемы расположения пар магнитов соответствующей полярности 202
5.4. Деформация верхнего полотна и магнитного поля поддерживающего устройства при изменяющейся нагрузке 207
5.5. Определение приведенной массы устройства поддержания ленты конвейера 216
5.6. Усилия и деформации в системе «лента - поддерживающее устройство» при ударном нагружении 220
5.7. Оптимизация параметров устройства поддержания ленты конвейера магнитным полем 233
Выводы 236
6. Экспериментальные исследования систем магнитного подвеса 239
6.1. Исследования системы магнитного подвеса конвейера 240
6.1.1. Влияние взаимного положения магнитов в ряду на величину подъемной силы 240
6.1.2. Определение влияния поперечного наклона магнитных
рядов и расстояния между ними на силовые характеристики 244
6.1.3. Измерение подъемной силы в многорядной системе подве 258
са и определение влияния арматуры на силы отталкивания
6.1.4 Влияние угла наклона основания опорных рядов на величину бокового давления
6.1.5. Экспериментальное моделирование поперечного смещения ленты
6.2. Исследование устройств поддержания ленты магнитным полем в месте загрузки
6.2.1. Определение силы отталкивания магнитотвердых тел конечных размеров 275
6.2.2. Форма прогиба ленты конвейера и магнитотвердого поддерживающего полотна 280
6.2.3. Зависимость силы удара и прогиба ленты и поддерживаю щего магнитотвердого полотна от натяжения ленты и полотна и от места удара 283
6.2.4. Определение силы удара и прогиба поддерживающего магнитотвердого полотна при различной кинетической энергии ударяющего тела 286
6.2.5. Влияние магнитного поля на вибрацию поддерживающего полотна при действии ударных нагрузок
6.3. Обработка экспериментальных данных 289
6.4. Анализ результатов экспериментальных исследо 6
ваний поддерживающего устройства 293
6.5. Уплотнения с магнитным подвесом наполнителя для подшипниковых узлов конвейеров 310
6.5.1. Исследование влияния параметров магнитно-порошкового уплотнения на его удерживающую способность 314
6.5.2. Исследование влияния дополнительных компонентов на полнителя на герметизирующую способность — 317
Выводы 323
7. Методика расчета систем магнитного подвеса конвейеров и применение в промышленных условиях магнитного амортизирую щего устройства 326
7.1. Компоновочные схемы конвейеров на магнитной подушке для транспортирования крупнокусковой горной массы 329
7.2. Методика расчета системы подвеса конвейеров на магнитной подушке 331
7.3. Методика определения рациональных параметров устройства поддержания ленты конвейера магнитным полем в месте загрузки 336
7.4. Результаты испытаний амортизирующего устройства 339
7.5. Определение годового экономического эффекта от
создания и использования устройства поддержания
ленты конвейера магнитным полем в месте загрузки... 349
Заключение 358
Список литературы
- Практика создания безроликовых конвейеров
- Намагниченность постоянных магнитов при действии изменяющихся размагничивающих полей
- Центрирование конвейерной ленты боковыми электромагнитами
- Влияние угла наклона основания опорных рядов на величину бокового давления
Практика создания безроликовых конвейеров
Ленточные конвейеры без роликоопор и, соответсвенно, без динамического взаимодействия опорных элементов на линейной части конвейера и транспортируемых кусков принято относить к специальным конвейерам. Безроликовое поддержание ленты конвейера дает предпосылки для возможности эффективного транспортирования крупнокусковых скальных грузов.
Ленточно-канатные конвейеры. В горнодобывающей промышленности в определенных условиях на протяжении нескольких десятилетий в России и за рубежом стали использоваться ленточно-канатные конвейеры, характеризующиеся наиболее низкой стои-мостью[43, 44]. Элементами конструкции ленточно-канатного конвейера являются грузонесущая лента с завулканизированными в нее в поперечном направлении металлическими стержнями или рессорами (рис. 1.2.6), стальные тяговые канаты, опорные конструкции, шкивы и ролики для поддержания канатов, приводная станция и натяжные устройства. Современные параметры и конструкция несущей ленты с рессорами позволяют перемещать породу крупностью до 0,4 м [13,45].
У ленточно-канатных конвейеров тяговые и грузонесущие функции разделены: лента является только грузонесущим органом; тяговое усилие передается ленте благодаря трению о стальные канаты, поддерживаемые по всей длине конвейера роликами или шкивами. К достоинствам ленточно-канатных конвейеров относятся: не 28 большая металлоемкость опорных конструкций, простота установки промежуточного привода, меньший расход энергии благодаря уменьшенной массе движущихся частей и небольшому коэффициенту сопротивления движению канатов по шкивам.
Недостатками ленточно-канатных конвейеров являются: более сложная и громоздкая конструкция приводных и концевых станций, интенсивный износ канатов и их неравномерная вытяжка, ограниченный (до 12) угол транспортирования из-за скольжения ленты по канатам.
За рубежом конвейеры данного типа получили применение главным образом в Великобритании и Германии. Крупнейшей фирмой, разрабатывающей такие конвейеры, является английская фирма "Кейбл Белт Лимитед", поставляющая эти конвейеры на карьеры Канады, ЮАР, Австралии, Бельгии. Фирма изготавливает конвейеры с лентой шириной 610-1524 мм, во всех лентах применена только одна тканевая прокладка. Срок службы ленты до 10 лет. По лицензии этой фирмы в Чехии выпускаются ленточно-канатные конвейеры производительностью 115-10000 т/ч [46].
В последнее время такие конвейеры стали популярны в США, Австралии и Франции. В США эксплуатируется несколько ленточно-канатных конвейеров. Наиболее представительным является конвейер длиной около 14,5 км, транспортирующий уголь от шахты в штате Кентукки до речного погрузочного пункта [47].
В Западной Австралии сооружается конвейерная система протяженностью свыше 48 км, предназначенная для транспортирования бокситов из горнорудного района на обогатительную фабрику компании "Уорели Алюмина". Система состоит из двух ленточно-канатных конвейеров длиной 29 и 19 км.
Французская компания REI также разработала два типа мощ 29 ных ленточно-канатных конвейеров большой протяженности, прямолинейных и изогнутых. Ширина ленты конвейеров достигает 3000 мм, скорость транспортирования - 6 м/с. Конвейеры перемещают сыпучий материал с максимальным размером куска 400 мм, попытка увеличить крупность кусков была неудачной [6].
Усовершенствование ленточно-канатных конвейеров добавлением центрального каната, а также боковых канатов или совместное использование канатов и траверс с целью обеспечения транспортирования горной массы с кусками более 400мм не дало устойчивых положительных результатов.
Опыт эксплуатации ленточно-канатных конвейеров показал, что срок службы ленты со встроенными стержнями, как уже отмечалось, может достигать 10 лет и существующие средства синхронизации движения многоконтурной системы успешно обеспечивают эффективную работу ленточно-канатных конвейеров.
Ленточно-колесные конвейеры на ходовых опорах предназначены для транспортирования грузов, размер которых соизмерим с шириной ленты, т.е. при применении таких конвейеров достаточно только первичного дробления горной массы. В отличии от ленточно-канатных конвейеров, на которых транспортируемый груз несколько перемещается (качается) при переходе от шкива к последующему шкиву, на ленточно-колесном конвейере транспортируемый груз после его загрузки на ленту практически не смещается. Впервые конструктивная схема такого конвейера была предложена чл.-корр. АН СССР А.О.Спиваковским. Основными элементами ленточных конвейеров на ходовых опорах являются тележки различной конструкции с ходовыми роликами, соединенные посредством конвейерной ленты для специального дополнительного замкнутого (цепного или канатного) органа (рис. 1.2. в) [48].
Намагниченность постоянных магнитов при действии изменяющихся размагничивающих полей
Этих недостатков лишены амортизирующие устройства с использованием поддерживающего полотна [81]. Поддерживающее полотно может быть подвижным и неподвижным. В устройствах с подвижным полотном в качестве амортизирующего элемента служит контур из конвейерной ленты, растянутой на барабанах под несущей лентой в месте загрузки (рис. 1.9, а). Вспомогательная лента приводится в движение либо за счет фрикционного взаимодействия с рабочей ветвью конвейера, либо барабаном конвейера. К недостаткам ленточного амортизатора следует отнести то, что его эффективная работа возможна только при натяжении, близком по значению к натяжению несущей ленты, что снижает надежность эксплуатации такой конструкции и затрудняет создание желоба. Наличие барабанов вспомогательного контура усложняет конструкцию и увеличивает габариты. Возникают сложности с центрированием вспомогательной ленты. Для снижения натяже V S Конструкции устройств для поддержания ленты конвейєра в месте загрузки с использованием поддерживающего полотна ния вспомогательной ленты и создания желобчатости необходимо устанавливать или только боковые ролики, или целые роликоопо-ры под вспомогательную ленту, что влечет за собой увеличение контактных напряжений в несущей ленте. Таких недостатков не имеют устройства с неподвижным поддерживающим полотном. За рубежом в особо тяжелых условиях загрузки получили распространение эластичные полотна [82-84] , закрепляемые непосредственно под лентой в месте загрузки (рис. 1.9, б). В нашей стране исследовались системы [85] с гибким полотном в виде желоба с поперечной амортизацией и демпфированием (рис. 1.9, в); с многослойным полотном, имеющим предварительное поперечное и продольное натяжение и другие. К этому же типу амортизирующих систем следует отнести устройства, в которых полотно выполнено в виде упругих удлиненных элементов или в виде цепного контура [86] .
В устройствах, в которых поддерживающее полотно закреплено по краям вдоль става конвейера или поперек его (рис. 1.9, б, в), основной эффект амортизации начинает проявляться тогда, когда ударная волна от падения куска груза распространится до места закрепления полотна к ставу (закрепление может быть жестким или с помощью амортизирующего элемента), что создает повышенную инерционность системы. Этого недостатка не имеют устройства, у которых основной амортизирующий эффект начинает проявляться почти сразу после касания падающего куска поверхности ленты конвейера, т.е. амортизация происходит не за счет увеличения натяжения поддерживающего полотна, а за счет упруго-вязких свойств "подушки", на которую опирается поддерживающее полотно всей нижней поверхностью [29,87,88].
Известны устройства, в которых подушкой является сыпучий материал, помещенный в ограниченную емкость (рис. 1.9, г), но поскольку сыпучий материал обладает только демпфирующими свойствами, появляется необходимость в применении специально 48 го рыхлителя с индивидуальным приводом, что значительно усложняет конструкцию [89]. Имеется опыт использования в качестве подушки брусков из полиуретана, расположенных определенным образом [90] или резины [91], однако такие устройства имеют недостатки, характерные для резиновых упругих элементов (большая начальная жесткость, чувствительность к температуре окружающей среды, влажности, подверженность окислению и т.д.) [92].
В качестве амортизирующей подушки можно использовать плоские пневмобаллоны. В этом случае кинетическая энергия грузопотока гасится за счет деформации оболочек пневмобаллонов, установленных один над другим и имеющих разное давление. Такие системы имеют высокий коэффициент восстановления скорости. Для его снижения пневмобаллоны снабжают клапанами, через которые воздух при действии ударных нагрузок выходит, а затем накачивается вновь до начального давления. Это усложняет конструкцию и снижает ее надежность [29]. Классификация амортизирующих устройств с использованием полотна приведена на рис. 1.10.
Применение электромагнитов для создания магнитной подушки в месте загрузки ленточного конвейера нецелесообразно в связи со сложностью и низкой надежностью такого устройства. В последние годы в связи с созданием магнитов из высококоэрцитивных материалов (3200 кА/м) с большой объемной плотностью магнитной энергии (430 кДж/м) появились предложения использовать эффект магнитной подушки на постоянных магнитах для поддержания ленты конвейера [93, 94].
Центрирование конвейерной ленты боковыми электромагнитами
Как показали исследования, целесообразно магнитный подвес в КМП осуществлять с помощью опор с дискретным расположением магнитов по ширине ленты, т.е. с продольными рядами магнитов (рис.2.3). При этом магнитожесткая обкладка ленты намагничивается полосами в соответствии с шириной и расположением опорных магнитов. Очевидно, в такой многорядной системе будет происходить взаимодействие соседних рядов, т.е. кроме взаимодействия опорного ряда с находящейся над ним намагниченной полосой обкладки ленты, его магнитное поле будет каким-то образом воздействовать на соседние намагниченные полосы.
Количественно определить степень этого взаимодействия на формирование подъемной и смещающей сил многорядной системы можно, воспользовавшись выражениями (2.10), (2.11).
Обозначим в многорядной системе номера опорных рядов индексом і, а номера намагниченных полос ленты индексом j (отсчет ги j начинается с одного и того же края системы). Тогда сила взаимодействия z-того опорного ряда с у -той полосой ленты будет определяться Fij=- i0- x(eij), (2.17) Zn где Z(ei,) " выражение отражает взаимосвязь геометрических параметров системы; е„- расстояние от вертикальной оси симметрии і -того опорного ряда до такой же оси j -той намагниченной полосы ленты, которое вычисляется по формуле j-1 i-1 =S+ E (a k+A k)- І (ак+Лк),м, (2.18) k=l k=l где Лк- расстояние между к - тым и к+l опорным рядом, м Л\ -расстояние между к - той и k+l полосами ленты, м. Используя принцип суперпозиций, можно записать следующие выражения для результирующей силы взаимодействия в многорядной системе U т п Fp=-%LIlI,(JiJ№e,),H, (2.19) 2.7U i=\ j=\ где т - число опорных рядов; п- число парящих рядов. Полученные выражения (2.17), (2.18), (2.19) соответствуют общему случаю расчета любой многорядной системы магнитного подвеса. Если система подвеса КМП состоит из равного числа опорных рядов и намагниченных полос ленты, причем опорные ряды идентичны по своим геометрическим и магнитным параметрам так же, как и намагниченные полосы ленты, то смещающая и подъемная силы определяются следующими соотношениями: FCM.P=nyf(S) + J] (п-1)р МЪ)-Г(т,)]9Н, (2.20) Fnod.p=nf(s) + nf (n-Op lfW + AmJlH, (2.21) i=\ где п - число рядов системы; y/(s) = FCM; f(s) = Fnod; tif mi - принимают значения tt = i(a + A) + S; mi = i(a + A)- S; A - расстояние между рядами, м; р - показатель полярности системы (при одноименной полярности р = I, при чередующейся р -I ). Выражения (2.20) и (2.21) являются частным случаем обобщающей формулы (2.19). Нетрудно заметить из (2.17) и (2.20), что при S = 0 Fc тоже равна нулю, т.е. смещающие силы, возникающие в результате взаимодействия между рядами, взаимно компенсируются. При вынужденном поперечном смещении ленты, в случае многорядной системы в КМП, кроме возникающей силы, лента будет испытывать силы взаимодействия магнитной опоры с ее магнитожестки ми обкладками y/(s) (U) и W(mi) результирующая которых будет направлена в сторону смещения. Если же произойдет вынужденное смещение магнитной опоры, которое опередит смещение ленты, то результирующая сила магнитного взаимодействия изменит свое направление и будет препятствовать сходу ленты.
Для того, чтобы определить результирующую силу отталкивания двух тел, в которые встроено множество магнитных призм, расположенных в виде матрицы (рис.3.4), недостаточно знать сумму сил отталкивания призм, находящихся друг над другом. Это вызвано тем, что каждая призма опорного тела взаимодействует не только с призмой, находящейся непосредственно над ней, но и со всеми остальными призмами парящего тела, и поэтому изменяется величина результирующей силы отталкивания.
Для практических расчетов необходимо располагать аналитической зависимостью результирующей силы отталкивания двух тел, снабжённых множеством магнитов, с учётом взаимодействия между парами (перекрестное взаимодействие) отталкивающихся магнитов.
В работах [148,153] приводятся зависимости для определения результирующей силы отталкивания в магнитных системах соответственно экипажа и конвейера на магнитной подушке с учётом сил взаимодействия между парами длинных полос из маг-нитотвёрдого материала. В системе с множеством магнитных призм конечных соизмеримых размеров взаимодействие магнитных полей значительно усложняется (рис.2.5), и поэтому использование зависимостей, полученных в указанных работах, не даст полной картины взаимодействия.
Сложность взаимодействия в системе (рис.2.4) заключается в том, что кроме поперечного взаимодействия, как в системе из полос, здесь добавляются продольные и диагональные взаимодействия. Характер распределения вертикальной составляющей вектора напряжённости магнитного поля призмы в плоскости верхней полюсной грани показан на рис.2.5 (по результатам расчёта выражений 2.16). Используя принцип суперпозиции магнитных полей, получим в общей постановке выражение для определения результирующей силы отталкивания двух тел, снабжённых множеством магнитных призм.
Влияние угла наклона основания опорных рядов на величину бокового давления
Наиболее сложной проблемой создания конвейера на магнитной подушке является устойчивость ленты. Магнитный подвес на основе постоянных магнитов неустойчив [164], однако, в каждой конкретной системе подвеса, варьируя управляемыми параметрами, можно добиться квазиустойчивости [120] или сравнительного улучшения параметров устойчивости. Для этого, прежде всего, необходимо смоделировать перемещение парящего тела в пространстве при действии всех реальных силовых факторов.
Рассмотрим взаимодействие одноименными полюсами двух постоянных магнитов в форме прямоугольных призм при небольшом первоначальном боковом смещении. Движение, как правило, происходит по сложной траектории, которая состоит из криволинейного движения центра масс парящего магнита с практически одновременным его поворотом относительно продольной оси симметрии. В результате, если хватает первоначальной высоты парения, падающий магнит переворачивается и притягивается противоположной полюсной гранью к опорному магниту. В случае, если первоначальной высоты не хватает для переворота магнита, он ударяется о боковую грань опорного магнита и остается в наклонном положении около боковой грани. Магнитный подвес ленты конвейера на магнитной подушке, как известно [153], целесообразно реализовывать с помощью многорядных систем. Как показали наблюдения, в такой системе подвеса при механической связи ленты с концевыми барабанами ее переворот практически невозможен, а при некотором начальном поперечном перемещении начинается плоскопараллельное движение до полной потери подъемной силы.
Следовательно, при поперечном смещении участка ленты конвейера на магнитной подушке со стороны магнитного взаимодействия будут действовать равномерно распределенные по длине данного участка ленты силы, результирующую которых можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие Fzy и Fxy соответственно. Момент, действующий в плоскости, перпендикулярной осевой линии ленты, не учитывается, поскольку в диапазоне реальных перемещений (примерно 40мм при ширине ленты 600мм и более) он весьма мал. По этим же причинам, учитывая, что длина конвейеров, используемых в горной промышленности, может составлять более километра, а лента достаточно эластична, изгибающими моментами, действующими на ленту в горизонтальной плоскости относительно оси Z (рис. 3.8), можно пренебречь.
В связи с тем, что сопротивление движению конвейерной ленты на магнитной подушке весьма незначительно, можно допустить, что натяжение от начала единичного отрезка Sj до его конца Sj+i не изменяется. Будем считать, что на концевых барабанах лента в поперечном направлении неподвижна.
Первоначально рассмотрим перемещение участка ленты в статике. Задавшись параметрами магнитного подвеса и некоторой нагрузкой для каждого пошагового изменения смещения, будем решать уравнение равновесия по оси Z (рис.3.8), определяя изменение высоты парения. Таким образом, получим траектории поперечного перемещения и изменение смещающей силы без учета динамических явлений (рис.3.9). Графики построены для четырехрядной системы подвеса (рис.3.7) при различных нагружениях со следующими параметрами: ЙІ=Й2=63,4ММ; ГІІ=27,7ММ; h2 =13,7мм; г:=20мм; г =40мм, материал магнитов 24СА200. Зависимости при т =140кг рассчитаны для ширины рядов 21,1мм без изменения объема магнитного материала, то есть, каждый ряд разбивался на 3.
Из рис. 3.9 можно заметить, что зависимости смещающей силы имеют существенные отличия от изменения смещающей силы при смещении в горизонтальной плоскости (рис. 3.4.5), поскольку к приращению смещающей силы при увеличении смещения добавляется приращение этой силы от уменьшения расстояния между лентой и магнитной опорой. Сопоставление графиков т=140кг и т =140кг (рис.3.9) показывает, что с уменьшением ширины ряда увеличивается первоначальная высота парения почти на 80% и увеличивается весьма важная величина - расстояние от начального положения по оси X до положения, при котором происходит потеря подъемной силы до нуля. Однако следует отметить, что при этом существенно увеличивается и смещающая сила.
Статические показатели магнитного подвеса необходимы, прежде всего, при проектировании КМП с вертикальными и горизонтальными роликами, ограничивающими поперечное смещение ленты.
Для моделирования поперечного смещения ленты с учетом динамики выберем i-тый отрезок ленты (рис. 3.8), находящийся в центральной части конвейера длиной L как наиболее тяжелый случай с позиции центрирования ленты. При этом будем считать, что остальные участки ленты не будут влиять на изменение натяжения ленты. Тогда поперечное смещение ленты в процессе схода будет моделироваться следующей системой уравнений: где m - масса груза и ленты, приходящаяся на единицу длины конвейера; St - натяжение ленты; FZ\x,z), FX\x,z) - вертикальная и горизонтальная составляющие силы магнитного взаимодействия, приходящейся на единицу длины магнитного подвеса КМП; L - длина конвейера; g - ускорение свободного падения. Данная система уравнений не имеет аналитического решения, поскольку функции составляющих FzS, FxZ силы магнитного взаимодействия заданы в неявном виде. Преобразованная система (3.2) для численного решения примет вид [165]:
