Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.
1.1. Обзор исследований, посвященных применению неметаллических материалов в роликоодорах ленточных конвейеров 8
1 1.2. Обзор исследований, посвященных разработке конструкций роликоопор
1.3. Обзор исследований, посвященных определению динамических нагрузок, действующих на роликоопоры 26
1.4. Цель и задачи исследования 30
Глава 2. Обоснование выбора материала и конструкций роликоопор .
2.1. Постановка задачи 34
2.2. Пластмассы как новые материалы для изготовления конвейерных роликоопор 34
2.3. Методика разработки полимерных конвейерных роликоопор 41
2.4. Разработка рациональной конструкции и технологии изготовления деталей роликоопор
2.5. Выводы 60
Глава 3. Теоретические исследования ударного взаимодействия транспортируемых грузов с ролико-опорами ленточных конвейеров .
3.1. Постановка задачи 61
3.2. Особенности динамики вращения ролико-опор 62
3.3. Расчёт силы удара на границе раздела: лента - корпус ролика и корпус ролика - подшипники 70
Глава 4. Экспериментальные исследования новых полимерных роликоопор ленточных конвейеров .
4.1. Постановка задачи 79
4.2. Стендовые исследования 80
4.2.1. Выявление существования и распространения ударных волн в материалах ленты и роликоопоры при их взаимодействии с грузом 81
4.2.2. Определение силы удара на границе раздела: лента - корпус ролика и корпус ролика - подшипники 84
4.2.3. Определение ударных нагрузок на роликоопоры в зависимости от изменения скорости движения ленты 90
4.2.4.Определение ударных нагрузок в зависимости от изменения расстояния между роликоопорами 95
4.2.5.Оценка инерционности роликов 95
4.3. Исследования роликоопор в условиях промышленной эксплуатации 97
4.3.1. Определение сопротивления вращению роликоопор 97
4.3.2. Измерение мощности, потребляемой двигателем конвейера 104
4.3.3. Определение величины износа корпуса и подшипников скольжения роликоопоры 104
Глава 5. Экономическая эффективнооть применения полимерных роликоопор 116
Заключение 137
Список литературы 143
Приложение 165
- Обзор исследований, посвященных разработке конструкций роликоопор
- Пластмассы как новые материалы для изготовления конвейерных роликоопор
- Особенности динамики вращения ролико-опор
- Выявление существования и распространения ударных волн в материалах ленты и роликоопоры при их взаимодействии с грузом
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 годэ" отмечено, что одной из главных проблем в развитии промышленности является ускорение научно-технического прогресса, в том числе широкое внедрение непрерывного транспорта - конвейерного, особенно в горнорудной промышленности и на предприятиях строительного производства, и экономичное, рациональное использование материальных ресурсов.
Применение высокоскоростных и большой протяженности ленточных конвейеров способствует эффективному ведению работ по непрерывной транспортировке кусковой горной массы и сыпучих материалов, обеспечивает высокую производительность труда.
Предназначенный для стабильной, эффективной работы конвейерного транспорта ежегодный централизованный выпуск роликов, составлявший в целом по стране, начиная с 1975 года, свыше 15 миллионов штук , не удовлетворяет пока в достаточной мере потребностей ряда предприятий, которые вынуждены оснащать конвейерные установки роликоопорами собственного производства. Повышенная потребность в роликоопорах вызвана недостаточной их надёжностью, возросшими масштабами и интенсификацией промышленного производства, ростом объёма грузов, необходимых для транспортирования непрерывным потоком.
Низкая фактическая долговечность роликоопор, в среднем не превышающая одного годэ, обусловлена с одной стороны ударными нагрузками, возникающими при эксплуатации конвейеров, транспортирующих кусковые грузы, с другой - эксплуатацией конвейербв в агрессивных я абразивных условиях.
Широко применяемые металлические роликоопоры, во-первых, обладая большой массой, участвующей в соударении, способствуют усилению ударных нагрузок, воспринимаемых как лентой, так и самими роликоопорами; во-вторых, подвергаются интенсивному коррозийному и абразивному износу.
Пластмассовые конвейерные роликоопоры износостойки и отличаются высокой коррозийной стойкостью, обладают демпфирующим свойством и малым весом, что вследствие снижения инерции вращающихся частей облегчает пуск конвейера. При этом значительно уменьшаются динамические нагрузки, возникающие в ленте. Однако широкое внедрение конвейерных роликоопор из полимерного материала в настоящее время сдерживается из-за относительно большей стоимости пластмасс по сравнению со стоимостью металла.
Устранение вышеуказанных недостатков или уменьшение их влияния на технико-экономические и эксплуатационные показатели ленточных конвейеров является актуальной проблемой в связи с широким распространением конвейерного транспорта и перспективами его дальнейшего интенсивного развития.
Одним из возможных путей решения проблемы состоит во внедрении роликоопор из новых конструкционных полимерных материалов на основе сельскохозяйственных и промышленных отходов в рзциональных конструкциях с указанием их эксплуатационной возможности, позволяющее осуществить замену традиционных материалов и повысить эффективность ленточных конвейеров.
Частичному решению указанной проблемы посвящена настоящая работа, цель которой - совершенствование технико-экономических и эксплуатационных характеристик ленточных конвейеров на основе применения роликоопор, выполненных из конструкционных поли мерных материалов нового типа, отличающихся низкой стоимостью производства.
Б предлагаемой работе разработана методика выбора полимерных материалов и конструкций роликоопор; разработаны новые конструкции конвейерных роликов; исследован вопрос взаимодействия движущейся ленты с роликоопорой и получено уравнение, описывающее их динамику; выявлена физическая сущность ударного процесса, протекающего в динамической системе: лента - корпус ролика - подшипники; показана демпфирующая способность полимерных роликов на основе волновой теории удара; разработана новая методика и получена формула для расчёта сил яа границе раздела: лента - корпус ролика и корпус ролика - подшипники; даны рекомендации по использованию новых полимерных роликоопор на грузовой и порожней ветвях конвейера.
Обзор исследований, посвященных разработке конструкций роликоопор
Основными требованиями, предъявляемыми к современным конструкциям ролйкоопор, являются надёжная защита подшипников от пыли и влаги окружающей среды, абразивная и коррозийная стойкость, лёгкая вращаемость роликов на весь период эксплуатации, малая масса вращакщихся деталей и высокая технологичность при массовом производстве [ЬЗ] .
В настоящее время роликовые опоры отличаются чрезвычайным разнообразием конструкций и способов выполнения корпуса, оси, подшипникового узла и уплотнительных элементов [X, 25, 57, 98, 144, 146, 170, 172, 174] .
По конструкции ролики могут быть подразделены на два основных типа: со сквозной невращащейся осью и с полуосями (цапфами) р42, 143] ,
Ролики со сквозной осью имеют меньшее расстояние между подшипниками по сравнению с роликами на полуосях, а следовательно, меньшие напряжения изгиба обечайка корпуса ролика С143, 175] . При эксплуатации таких роликов отсутствует опасность заклинивания подшипников по причине деформации опорных конструкций, поэтому ролики со сквозной осью имеют более широкое практическое применение.
С целью экономии металла за рубежом применяются ролико-опоры, установленные на сквозной трубчатой оси [107, III] , состоящей из промежуточной части, выполненной из трубы, и концевых цапф с упорными дисками. Характерной особенностью роликоопор [б8» ЮІ, 102, 123, 124, 126, 128, ІЗІ] является замена сквозных осей полуосями. Такие ролики сложны в изготовлении и обладают большей чувстви тельностью к малейшим перекосам l20] , но имеют значительно меньший вес.
Роликоопоры по типу применяемых подшипников подразделены на опоры, установленные посредством подшипников качения и подшипников скольжения.
В конструкциях роликоопор,в основном,применяются шарикоподшипники, и только в отдельных конструкциях, изготовляемых в США, устанавливаются роликоподшипники [22, 98] . Роликовые опоры с коническими роликоподшипниками имеют неблагоприятные весовые показатели, и поэтому рекомендуется применять в особых случаях на специальных конвейерах с шириной ленты 2000 мм и более QII6J .
Роликоопоры на подшипниках скольжения JJ2, ІЗ, 35, НО, 125, 127, 129, 130, 164] устанавливаются на конвейерах, рабо тающих во влажных, запыленных и агрессивных средах, как менее реагирущие на тяжёлые подземные и открытые условия эксплуата ции С20] и повышающие работоспособность конвейеров, особенно при выполнении втулок скольжения роликоопор из полимерных ма териалов 154] .
Роликовые опоры по типу защитных уплотнений подшипников подразделены на опоры с лабиринтом - с взаимным расположением элементов уплотнения с зазором я со скользящим контактом l43] . Исследованиями [71, І4Ї] установлено, что уплотнения со скользящим контактом: войлочные, фетровые, резиновые обла дают высоким коэффициентом сопротивления вращению, поэтому не пригодны для ролйкоопор, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Высокую надёжность защиты подшипникового узла обеспечивает лабиринтное уплотнение 51, 52, 74, 143, 153, ZI0] . Эффективная работа указанного типа уплотнения обеспечивается при сухом и совершенно чистом от смазки элементов конструкций уплотнения [60, 7Ї] . Применение полимерных лабиринтных уплотнений, изготовляемых с большой точностью и не требующих механической обработки, способствующих снижению металлоёмкости ролйкоопор, является целесообразным и перспективным [6,9,26,49,54,87,145, 180] .
Роликоопоры по типу корпуса подразделены на ролики с корпусом из цельной трубы (обечайки); корпусом, состоящим из двух полуцилиндров; и наборным корпусом, содержащим отдельные цилиндрические секции (диски).
Ролики для ленточных конвейеров [5,11,76] содержат корпус, состоящий из двух полуцилиндров, скреплённых между собой кольцами, зафиксированными на корпусе завальцовкой.
Керамические наборные ролики [55,109,191,192,193Д2Т] выполнены из отдельных свободно вращающихся дисков одного типоразмера. Указанная конструкция позволяет унифицировать узлы ролйкоопор различной длины. Однако, дополнительные поверхности трения между дисками способствуют увеличению сопротивления: вращению роликов и потребления энергии приводом конвейера.
Пластмассы как новые материалы для изготовления конвейерных роликоопор
Полимерные материалы (пластмассы), из которых изготовляются детали машин,воспринимающие значительную силовуй нагрузку, называются конструкционными полимерными материалами (пластмассами). Определяющими параметрами (характеристиками)конструкцион-ных пластмасс являются механические свойства [7, 63 J .
К основным критериям качества конструкционных пластмасс относятся: прочность при растяжении, сжатии и изгибе, ударная вязкость. Конструкционные пластмассы, в зависимости от вышеуказанных свойств, разделены на группы низкой, средней и высокой прочности.
Пластмассы низкой прочности: Наибольшее распространение в этой группе долучили фторопласты и полиэтилены, относящиеся к термопластичным пластмассам (таблица І.І), которые при нагревании приобретают пластичность, при охлаждении возвращаются в жёсткое состояние, повторно и неоднократно плавятся без изменения физико-механических свойств. Фторопласты, полиэтилены, полипропилены и другие материалы данной группы отличаются высокой химической стойкостью, термостабильностью я малым коэффициентом трения. Особое место занимает фторопласт-4, который применяется преимущественно в подшипниках скольжения. К недостаткам полиэтилена и фторопласта следует отнести низкую механическую прочность.
Пластмассы средней прочности - фенопласты - это термореактивные пластмассы (таблица І.І), которые при нагревании переходят в вязко-текучее состояние на короткий промежуток времени,а потом превращаются в твёрдые неплавкие и повторной переработке не поддаются. Изделия из этих пластмасс выполняются, в основном, компрессионным прессованием.
Полиамиды обладают высокой механической прочностью, износостойкостью, коррозийной и химической стойкостью. Из отечественных полиамидов в качестве конструкционного материала применяются капрон, кадролон и др.
Поликарбонат - это материал,характеризующийся высокой прочностью при динамических нагрузках (ударная вязкость почтя в десять раз больше, чем у нейлона), высокой теплостойкостью и мо розостойкостыо. Характерной особенностью поликарбоната является очень незначительное изменение свойств и размеров деталей при колебаниях температуры. Пластмассы высокой прочности: К этой группе относятся стеклопластики, представляющие собой конструкционный материал, состоящий из стекловолокнистого наполнителя. Наполнителями могут быть стеклянные ткани, сетки, ленты, волокна, нити. Стеклопластики образуются, как правило, одновременно с изготовлением детали, и поэтому их свойства определяются не только характеристиками исходных компонентов, но и технологическими процессами 99, ЮО, 165] . Стеклопластики обладают стабильностью размеров во времени, повышенной водостойкостью и высокой ударной вязкостью. Конструкционные стеклопластики можно разделить на стеклотекстолиты (наполнитель-стеклоткань) и стекловолокнитБ (наполнитель - стекловолокно).
В настоящее время широко используются стеклонаполненные термопластичные пластмассы. Наилучшие показатели имеют поликарбонаты, полиэтилены, полипропилены, армированные стекловолокном. Фенопласты - пластические массы на основе феноло-альдегид-ных смол ГіОЗ] . В эту группу входят волокнистые, слоистые, порошкообразные и крошкообразные яреосматериалы. Волокниты - прессматериалы на основе дефицитного наполнителя - хлопковой целлюлозы. В настоящее время применяется воло-книт, армированный стекловолокном, обладающий более высокой механической прочностью, водо- и теплостойкостью, чем другие волокнистые материалы. Текстолиты относятся к слоистым прессматериалам. Наполнителем являются хлопчатобумажные ткани. Карболдты (К-ІЗ-2; К-І5-2 и др.) - это порошкообразные прессматериалы. Основным наполнителем служат: древесная мука, асбест, слюдяная и кварцевая мука, плавиковый шпат и др. Изделия из этих материалов не выдерживают ударных нагрузок. К порошкообразным материалам относится также новый пресс-материал АФ-ЗТ [Х68 I . Наполнителем служит порошок из нефтяного кокса (брак электродного производства). Данный материал обладает низкой ударной вязкостью (1+2 кг/см2). Крошкообразные прессматериалы изготовляются из кусков (крошки) различных тканей, бумаги, древесины и др. Они обладают повышенной удельной ударной вязкостью. Особое место в группе фенопластов занимают полимерные материалы с древесными наполнителями [26, 115, 132] . Широко используются массы древесные прессовочные (ЩІ) - древпластн. Различают следующие модификации МДП в зависимости от вида наполнителя: ЩІК - крошка, ВДІС - стружка ШЮ - опилки, ВДІВ - крошка или опилки дополнительно измельчённые. Новой модификацией древпластмасс является древесный пластик, композиционный, армированный (ДИКА) [76] , состоящий из 50-60$ измельчённой древесины лиственных пород, 20-15$ стекловолокна. Удельная ударная вязкость данного материала в 4 раза выше, чем у материала марки ЩІК. Конструкционные полимерные материалы нового типа - это прессматериалы на основе стеблей хлопчатника, на основе коротких волокон и костра кенафа и на основе рисовой лузги. Свойства указанных материалов определяются ах составом» структурой и технологией получения. По составу они относятся к волокнонадолнен-ным полимерным материалам с волокнистым наполнителем, поэтому их свойства и характеристики вполне могут быть описаны и расчи-таны по формулам l32] . Свойства новых полимерных материалов, определяемые их составом, зависят от свойств и количества, связующего компонента и в более значительной степени от свойств наполнителя; его прочности, плотности, размеров частиц.
В качестве связующего может быть применен любой полимер, так как стебли хлопчатника, волокно кенафа, являясь высокопористыми наполнителями (идеальными наполнителями с позиций адгезии), могут Оыть совмещены с любыми связующими.
Особенности динамики вращения ролико-опор
Исследованиями [82, I78J установлено, что вращение роликоопор вследствие налипания материала и биения обечайки корпуса ролика неравномерное, несмотря на то, что при установившемся рабочем режиме лента с грузом движется с постоянной линейной скоростью, определённой приводом конвейера. В работе [_150) показана взаимосвязь отмеченного фактора с моментом инерции роликов. Но в указанных работах отсутствует качественная оценка неравномерного вращения, поэтому изучение физической основы возникновения неравномерной угловой скорости вращения и уточнение степени влияния изменяющейся скорости на нагрузки, воспринимаемые лентой и роликоопорой, позволит решить вопрос: следует ли учитывать этот фактор при динамических расчётах.
Для решения поставленной задачи и выявления некоторых особенностей в динамике вращения роликоопор рассмотрим взаимодействие груженной ленты с поверхностью корпуса ролика.
В то же время, очевидно,что сила трения зависит от относительной скорости трущихся поверхностей ленты и корпуса роликоодоры.а, следовательно,от этого же зависит и момент М# От угла обхвата d зависит не только момент натяжения \4И , но и сила & . Следовательно, угол обхвата является определяющим параметром в уравнении вращения (3-І).
Полученное уравнение (3-17) показывает, что с приближением груза к ролику угловая скорость последнего возрастает. Но возрастание весьма незначительное, следовательно, изменение угловой скорости вращения существенного влияния в направлении увеличения нагрузки не оказывает. Значит, при решении задач по динамическому нагрукению системы: груз -лента - роликоопора, особенно, при использовании полимерных роликов, обладающих малой массой по сравнению с металлическими, фактором неравномерного вращения можно пренебречь.
При погрузке и транспортировке происходит ударное взаимодействие груза с лентой и роликоойорои и в результате действия силы удара в материалах ленты и ролика, очевидно, возникают волны напряжения, которые затем распространяются вглубь каждого материала.
Процессы распространения волн в однородных, изотропных, упругих материалах хорошо изучены теоретически 33, 77, 179]
Для материалов, не обладающих этими свойствами, в частности, для анизотропно-упругих и вязко-упругих материалов возникают серьёзные трудности при исследовании процессов распространения волн, так как уравнения движения при этом значительно усложняются.
Разработка теории распространения волн в таких композиционных материалах из-за неоднородности их структуры находится ещё на начальной стадии, даже для тел бесконечного размера, и фактически нет теории распространения волн для тел конечных, ограниченных размеров [ЗЗ-] .
При рассмотрении композитов с точки зрения механики,действительно, следует иметь в виду, что свойства дисперсной и матричной фаз в значительной степени различаются. Поэтому в строгой постановке нельзя считать, что композит является однородным-материалом. Однако, при равномерном распределении дисперсной фазы при проведении макроанализа можно полагать,что композит является однородным и ортотрошшм LI62_ .
Этя уравнения описывают распространение упругих плоских волн, дричём первое - распространение продольной плоской волны со скоростью е , а остальные - распространение поперечных волн со скоростью С ,
Рассмотрим случай падения плоской волны на границу раздела двух упругих сред, в нашем случае на границу: полиамид - древпластмасса и древдластмасса - сталь. При падении ударной волна на границу раздела упругих сред во второй среде возникает новая ударная волна, в то время как волна разгрузки отражается назад. При этом коэффициент отражения определяется как отношение средних (по времени) плотностей энергии в отраженной и падающей волнах. Для случая нормального падения плоской волны, когда угол & меяду направлением волны и осью % (6= о ) равен нулю, коэффициент отражения R- равен СГ79] :
Выявление существования и распространения ударных волн в материалах ленты и роликоопоры при их взаимодействии с грузом
Целью экспериментальных исследований явилось обнаружение ударных волн и установление физической сущности распространения их в материалах рассматриваемой системы.
При проведении экспериментов для создания силы удара была использована магнитно-импульсная установка МИУ-20/5 конструкции Экспериментального научно-исследовательского института кузнечно-прессового машиностроения. Установка состоит из зарядного трансформатора, ёмкостного накопителя и плоского спирального индуктора. Разряд энергии, запасённой конденсаторной батареей, производится на индуктор, являющийся преобразователем электрической энергии в механическую.
Экспериментальная схема упругих сред: конвейерная лента -- корпус ролика - подшипники, приведённая на рис.4.1, представлена в виде трёхслойной системы: резинотканевый лист 2, стальной (полимерный) ЛИСТ 3 и стальная плита 4, в которой выполнены два отверстия диаметром 50 мм, для размещения контрольных шайб 5, Для предотвращения деформаций и перемещений плита и листов было предусмотрено жёсткое плотное крепление их к основной стойке.
Первоначально эксперименты проводились со стальными и полимерными контрольными шайбами. После зарядки конденсаторной батареи до двух киловольт производился её разряд на индуктор I, при этом был зафиксирован отлёт шайб с большой скоростью как с поверхности стального, так и о поверхности полимерного листа.
Затем полимерные контрольные шайбы устанавливали на поверхность стального листа с помощью клея. После зарядки ёмкостного накопителя до четырёх киловольт и при последующей её разрядке на индуктор отлёта шайб не наблюдалось. Очевидно, это происходило из-за наличия жидкостного слоя, коэффициент отражения упругих волн которого близок к единице. После тщательной сушки клеевого слоя эксперимент был повторен, при этом, несмотря на возрастание силы клеевого соединения, достаточно было зарядки в три киловольта, чтобы произошёл отлёт шайб.
Таким образом проведённые эксперименты показывают, что при ударном воздействии на ленту и роликоопору в материалах возникают и распространяются ударные волны. Цель проведения экспериментов - качественная и количественная оценка силы удара, действующей на корпус ролика и подшипники.
Для проведения экспериментов были разработаны схемы (рис.4.2) и изготовлен специальный, но несложный по конструкции стенд (рис.4.3), снабжённый угломерной шкалой и свободно падающим ударником, наконечник которого выполнен в виде сферической поверхности радиусом 3 мм. Фиксация ударных импульсов производится пъезодатчиком, регистрация электрических сигналов - универсальным осцилографом СІ-65.
Экспериментальным исследованиям были подвергнуты плоские квадратные образцы размерами 80 х 80 мм из резинотканевой и полиамидной лент толщиной 10 мм, стального листа толщиной 4 мм и нового композиционного полимерного материала толщиной 20 мм. Кроме того, были также выполнены и испытаны кольцевые полимерные образцы диаметром 102 мм с поперечным сечением 20 х 20 мм.
Результаты экспериментальных исследований показывают: 1. При воздействии ударного импульса на лист дз резинотканевой ленты на поверхность стального листа действует сила, соответствующая амплитуде отклонения светового луча на осцилографе 27 мм (рис.4.4,1а), а на поверхность полимерного листа действует сила, соответствующая амплитуде 20,5 мм (2а). 2. При воздействии ударного импульса на полиамидную ленту амплитуда отклонения луча составляет 23 мм (5а) и 10 мм (6а), соответствующая стальному и полимерному материалам. В этомсду-чае полимерный материал воспринимает силу удара в 2,3 раза меньше, чем стальной, так как ударная волна распространяется из среди с большим (полиамидная лента) в среду с меньшим волновым сопротивлением (новый полимерный материал). 3. Амплитуда отклонения луча при проведении экспериментов но схемам 16 (рис.4,2) и 26 соответственно составляет 17,5 и 9,5 мм, а при проведении экспериментов по схемам 56 и 6d - ІЗ и 5.2 мм. Таким образом, из экспериментов 16 и 26 видно, что сила удара на второй границе раздела, то есть подшипники в полимерном корпусе воспринимают силу в 1,84 раза меньше, чем подшипники в стальном корпусе, а в экспериментах 56 и 66 это соотношение воз растает и принимает значение 2,5 раза. 4. Эксперименты 3 и 4 проведены с целью уточнения степени демпфирующей способности резиновых амортизаторов, устанавливае мых между корпусом и подшипниками качения для улучшения их дина мических характеристшс. При экспериментах с полимерным корпусам роликоопоры амплитуда отклонения луча по осцилограмме составля ет 15 мм с амортизатором и без амортизатора - 6,4 мм, то есть в данном случае резиновый амортизатор снижает силу удара в 2.3 раза.
