Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные конструкции и методы проектирования специальных ленточных конвейеров .. 9
1.1. Металлоконструкции ленточных конвейеров 10
1.2. Металлоконструкции конвейеров с подвесной лентой 15
1.3. Условия и режимы эксплуатации конвейеров с подвесной лентой .. 26
1.4. Современные методы расчета металлоконструкций конвейеров 33
1.5. Оптимальное проектирование металлоконструкций ПТМ 38
1.6. Современные программные комплексы для расчета и оптимального проектирования металлоконструкций ПТМ
1.7. Выводы по Главе 1 43
1.8. Постановка целей и задач исследования 44
Глава 2. Постановка задачи оптимального проектирования металлоконструкции конвейеров с подвесной лентой 45
2.1. Структурные схемы металлоконструкций конвейеров с подвесной лентой 45
2.2. Расчетные случаи и действующие нагрузки на металлоконструкцию стационарного конвейера с подвесной лентой 57
2.3. Постановка задач параметрической оптимизации основных узлов стационарных конвейеров с подвесной лентой 60
2.3.1. Постановка задачи условной параметрической оптимизации металлоконструкции натяжной станции стационарного конвейера с подвесной лентой 62 Стр.
2.3.2. Постановка задачи условной параметрической оптимизации металлоконструкции линейной секции стационарного конвейера с подвесной лентой 72
2.3.3. Постановка задачи условной параметрической оптимизации металлоконструкции приводной станции стационарного конвейера с подвесной лентой 75
2.4. Постановка задачи условной оптимизации металлоконструкции стационарного конвейера с подвесной лентой в целом 79
2.5. Выводы по Главе 2 80
Глава 3. Оптимальное проектирование металлоконструкции конвейера с подвесной лентой в программном комплексе NX 82
3.1. Проверка исходного варианта металлоконструкции КПЛ по первой и второй группам предельного состояния 83
3.2. Анализ полученных результатов 90
3.3. Перестройка исходного варианта металлоконструкции КПЛ 93
3.4. Проверка перестроенного варианта металлоконструкции КПЛ по первой и второй группам предельного состояния 94
3.5. Получение оптимальной расчетной схемы МК конвейера 97
3.6. Проверка оптимального варианта металлоконструкции КПЛ по первой и второй группам предельного состояния 99
3.7. Выводы по Главе 3 102
Глава 4. Практическая реализация методики оптимального проектирования металлоконструкции конвейера с подвесной лентой 103
4.1. Проектирование оптимальной металлоконструкции стационарного конвейера с подвесной лентой 105
4.2. Расчет металлоконструкции ООО «Конвейер» 122 Стр.
4.3. Сравнительный анализ металлоконструкций стационарного конвейера с подвесной лентой 130
4.4. Выводы по Главе 4 131
Глава 5. Анализ влияния конструктивных параметров и режимов работы стационарного конвейера с подвесной лентой на результаты оптимизации металлоконструкции 133
5.1. Влияние длины конвейера с подвесной лентой на вклад масс основных конструктивных узлов металлоконструкции 133
5.2. Влияние производительности конвейера на напряженно-деформированное состояние оптимального варианта металлоконструкции 134
5.3. Влияние коррозионного воздействия на массу оптимального варианта металлоконструкции 139
5.4. Влияние материала на технико-экономические показатели оптимального варианта металлоконструкции 140
5.5. Выводы по Главе 5 141
Основные выводы и результаты 143
Список используемых источников
- Условия и режимы эксплуатации конвейеров с подвесной лентой
- Постановка задач параметрической оптимизации основных узлов стационарных конвейеров с подвесной лентой
- Перестройка исходного варианта металлоконструкции КПЛ
- Влияние производительности конвейера на напряженно-деформированное состояние оптимального варианта металлоконструкции
Введение к работе
Актуальность темы. Современным и перспективным типом конвейерного транспорта является конвейер с подвесной лентой (КПЛ), который хорошо зарекомендовал себя при транспортировке сыпучих грузов в сложных условиях: в по-жаро- и взрывоопасных условиях, при большом угле наклона конвейерной трассы и повышенных экологических требованиях.
Главными особенностями и преимуществами КПЛ являются:
отсутствие просыпей груза на всей протяженности рабочей ветви ленты;
уменьшенная до 1,5 раз энергоемкость транспортирования груза;
увеличение срока службы ленты в 1,5-2 раза;
уменьшение пыления и дробления груза при его транспортировке;
возможность изгиба конвейера с подвесной лентой в горизонтальной плоскости с радиусами до 15-20 метров.
Конвейеры с подвесной лентой используются в промышленности при транспортировании железной руды, окатышей, аммиачной селитры, глины, гранулированной серы и других материалов. Основные технические характеристики разработанных конструкций конвейеров следующие: производительность - 60...700 т/ч; скорость движения ленты - 0,75... 1,3 м/с; ширина грузонесущей ленты - 0,8... 1,2 м; длина конвейера - 24...98 м.
Важной технической задачей при проектировании стационарных конвейеров с подвесной лентой является снижение металлоемкости. При проведении исследований теоретического и практического характера данному вопросу было уделено недостаточно внимания. Поэтому оптимизация металлоконструкции является актуальной задачей на этапе разработки и создания стационарных конвейеров с подвесной лентой.
Объектом исследования является металлоконструкции стационарных конвейеров с подвесной грузонесущей лентой.
Цель работы: повышение эффективности использования стационарных КПЛ на основе снижения материалоемкости их металлоконструкций, улучшения мас-согабаритных показателей с учетом выполнения конструктивных, прочностных, жесткостных и коррозионных ограничений.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ известных в настоящее время металлоконструкций КПЛ и сформировать универсальные структурные схемы основных конструктивных узлов конвейера, подлежащие оптимизации.
-
Разработать оптимизационные математические модели металлоконструкции КПЛ, включающие целевые функции ее основных конструктивных узлов и системы конструктивных, прочностных, жесткостных и коррозионных ограничений.
-
Осуществить реализацию разработанных математических моделей, используемых в ходе проведения оптимизации, в программном комплексе NX.
-
Провести совершенствование конструктивных параметров, подлежащих оптимизации, и разработать рекомендации по оптимальному проектированию конвейеров с подвесной грузонесущей лентой.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе положений и методов математического моделирования, основ конструирования, проектирования и расчета ленточных конвейеров, оптимального проектирования, метода конечных элементов.
Научная новизна работы:
-
Разработаны оптимизационные математические модели основных конструктивных узлов (приводной, натяжной станций, линейной секции) металлоконструкций стационарных конвейеров с подвесной лентой, обеспечивающие наилучшие массогабаритные показатели с учетом конструктивных, прочностных, же-сткостных и коррозионных ограничений.
-
Предложены универсальные структурные схемы основных конструктивных узлов конвейера, подлежащие оптимизации, позволяющие учесть наличие избыточных элементов металлоконструкции.
-
Разработаны подходы, позволяющие осуществлять как полную процедуру оптимизации металлоконструкции КПЛ в целом, включающую оптимальное проектирование всех ее основных узлов, так и параметрическую оптимизацию, отличающуюся тем, что в процедуру оптимального проектирования металлоконструкции включается только линейная часть конвейера.
Практическая значимость работы:
-
Разработана методика формирования оптимальных конструктивных схем металлоконструкций основных узлов КПЛ на основе исключения избыточных стержней.
-
Разработана методика выбора оптимальных геометрических параметров поперечных сечений элементов металлоконструкций стационарных КПЛ.
-
Разработаны рекомендации по оптимальному проектированию металлоконструкций с учетом влияния конструктивных параметров и режимов работы конвейера с подвесной лентой.
4. Разработана конструкция КПЛ, защищенная патентом РФ № 113514.
Обоснованность и достоверность. Адекватность разработанных математических моделей и методики оптимального проектирования металлоконструкций стационарных КПЛ основывается на корректном использовании положений и методов теории упругости, прикладной механики, теории оптимального проектирования, метода конечных элементов, а также на опыте теоретических исследований, расчета и проектирования стержневых металлоконструкций машин непрерывного транспорта.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2013); на Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2013); на Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2014); на Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (Могилев, 2014); на XVIII Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робото-технические комплексы» (Москва, 2014); на Международной научно-практической конференции «Проблемы и инновации в области механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях» (Саратов, 2014); на Международной научно-технической конференции «Молодые ученые – основа будущего машиностроения и строительства» (Курск, 2014); на VII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов (Москва, 2014); на XIX Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспи-2
рантов и молодых ученых «Подъмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва, 2015), а также на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО БГТУ (Брянск, 2013 и 2014) и кафедры «Подъемно-транспортные системы» ФГБОУ ВПО МГТУ (Москва, 2014 и 2015).
Реализация работы. Результаты выполненных исследований используются ООО «Конвейер» (г. Брянск) при проектировании металлоконструкций стационарных КПЛ, ООО «Промбезопасность» (г. Брянск) при расчете, проектировании и экспертизе рамных и ферменных конструкций подъемно-транспортных машин и оборудования, в учебном процессе на кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» Брянского государственного технического университета.
Публикации. Результаты исследований, включенные в диссертационную работу, изложены в 17 публикациях общим объемом 2,75 п.л. (в том числе в 2 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК РФ), получен патент РФ на полезную модель RU № 113514.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 196 наименований. Работа изложена на 160 страницах, содержит 10 6 рисунков и 16 таблиц.
Условия и режимы эксплуатации конвейеров с подвесной лентой
Отклоняющий барабан может устанавливаться на специальную горизонтальную часть опоры приводного барабана 1 (Рис. 1.4), либо на кронштейн опоры 3 или крепиться сбоку к стойкам опоры приводного барабана 5, что менее удобно для монтажа и эксплуатации. Размер L (Рис. 1.4, а) для металлоконструкции опор приводного барабана с применением вставной воронки разгрузочного устройства имеет значения 550…1570 мм при ширине конвейерной ленты 400…1400 мм. Размер L (Рис. 1.4, б) для металлоконструкции опор совмещенного типа имеет значения 1150 мм при ширине конвейерной ленты 800 мм. Опоры с большим значением L рекомендуется применять для конвейеров, имеющих скорость свыше 1,6 м/с или транспортирующих крупнокусковой хрупкий материал, измельчение которого является нежелательным [41; 140; 174].
Опорная металлоконструкция линейной части конвейера – став, состоит из секций и стоек. Длина линейных секций выбирается из ряда: 2,4; 3,0; 4,8 и 6,0 м. Замыкающие секции прямолинейных участков имеют нестандартную длину. Из линейных секций собираются прямолинейные участки трассы конвейера. Вогнутые собираются из целого числа секций длиной 3,0 м, а выпуклые участки представляют собой специальную секцию, состоящую из целого числа частей длиной 1,0 м. Секции могут быть рядовыми, составляющими основную часть опорной конструкции конвейера, и загрузочными. На указанных секциях устанавливаются соответственно рядовые и амортизирующие ролико-опоры [130; 178]. Секции могут быть так же с настилом и без него [39; 144]. Настил предназначен для защиты нижней ветви от просыпи груза с верхней ветви ленты. Он увеличивает металлоемкость конструкции, поэтому при транспортировании ряда грузов может не применяться.
Секции средней части либо крепятся к опоре приводного барабана, либо устанавливаются на стойках, не доходя до опоры [41].
Стойки средней части могут быть нормальными и специальными, а также с кронштейном и без него [182; 189]. В нормальных стойках их опорная часть приварена к самой стойке, а в специальных – крепится с помощью болтового соединения, что позволяет располагать секцию под углом к стойке. Используя стойки без кронштейна, роликоопоры нижней ветви ленты крепятся к секциям снизу, что менее удобно, чем располагать для нижней ветви ленты верхние прямые роликоопоры на кронштейнах стоек [41; 140; 177].
При монтаже секций средней части между собой, со стойками и опорами, собираются на болтовых соединениях. Крепление некоторых секций между собой и с опорами производится сваркой. Опоры и стойки крепятся к строительным конструкциям болтовыми соединениями [39; 130].
Ограждения и укрытия конвейеров относятся к средствам безопасности [26; 41; 111], исключающим возможность травмирования обслуживающего персонала движущимися или вращающимися частями конвейера, а также уменьшающим пыление и просыпь груза в загрузочных и разгрузочных устройствах и при транспортировании на самом конвейере. Конструкции ограждений конвейеров регламентируются различными отраслевыми нормативными документами по эксплуатации и технике безопасности [28; 86; 130].
Конвейер с подвесной лентой с традиционным стационарным приводом [81; 49; 137] фактически является гибридом обычного ленточного конвейера и рельсового транспорта (Рис. 1.6). Он состоит из сварного металлического става 1, привода 2, натяжного 3 и приводного 4 барабанов. Рис. 1.6. Конвейер с подвесной лентой [46]: 1 – став; 2 – привод; 3 – натяжной барабан; 4 – приводной барабан; 5 – лента; 6 –направляющие; 7 – узел крепления; 8 – кронштейн; 9 – ролик; 10 – подвеска; 11 – ленточка; 12 – груз Став состоит из стоек, к которым с помощью кронштейнов 8 крепятся направляющие элементы 6, выполненные в виде замкнутых, вытянутых вдоль конвейера труб, расстояние между которыми выбрано таким, чтобы обеспечить требуемую желобчатость ленты на всей длине конвейера. Конвейерная лента 5 с помощью гибких ленточек 11 и узлов крепления 7 подвешивается к подвеске 10, основным элементом которой являются ходовые ролики 9 с вогнутыми или цилиндрическими поверхностями катания. Ходовые ролики катятся по поверхности трубчатой направляющей, обеспечивая плавное перемещение ленты с грузом 12. При этом вблизи барабанов трубчатые направляющие 6 имеют отгибы в горизонтальной плоскости (выполаживающие участки), позволяющие ленте в местах ее взаимодействия с барабаном принять плоскую форму [81].
Конструктивно данный конвейер может быть крутонаклонным, трубчатым, замкнутым в горизонтальной плоскости, замкнутым в вертикальной плоскости или имеющим пространственную конфигурацию. Металлоконструкция конвейера включает опорные стойки 1, на которые устанавливаются направляющие качения 2. Подвески (приводные 6 и неприводные 7) через промежуточные элементы (ленточки) соединяются с конвейерной лентой 4 и обеспечивают ее перемещение по направляющим 2.
Приводные подвески снабжены мотор-редукторами, которые получают питание от токопроводящего контура (токоподвода) 3, установленного вдоль трассы конвейера по обе стороны направляющих качения.
Конструкция конвейера с подвесной лентой и линейным приводом [9; 14] состоит из опорных стоек 1 (являющихся частью металлоконструкции), расположенных симметрично по обе стороны конвейера. На них устанавливаются замкнутые криволинейные направляющие качения 2 с возможностью движения по ним подвесок 3 и крепления 4, на которых располагаются статоры 5 - первичные неподвижные элементы линейных асинхронных двигателей, представляющие собой одно или двусторонний маг-нитопровод с обмоткой, получающий энергию из сети. К подвескам 3 с одной стороны крепятся гибкие промежуточные элементы 7 (ленточки), к которым подвешивается бесконечно - замкнутая в горизонтальной плоскости конвейерная лента 8 с грузом, с другой стороны к подвескам 3 крепятся роторы 6 - вторичные подвижные элементы линейных асинхронных двигателей, которые выполняются в виде листа (полосы) из немагнитного металла или сложного пакета прилегающих друг к другу полос из немагнитного и ферромагнитного металла. Таким образом, привод распределен по всей длине конвейера и движется совместно с конвейерной лентой 8 [14].
Постановка задач параметрической оптимизации основных узлов стационарных конвейеров с подвесной лентой
При длительной эксплуатации металлоконструкций в условиях мокрой (влажности воздуха не менее 98%) и влажной (влажности воздуха от 50-70% до 98%) атмосферной коррозии могут возникнуть значительные коррозионные повреждения. Например, скорость коррозии стали Ст3 под воздействием талой снеговой воды составляет 36 г/м2 в год, а для стали 0,8кп – 7,1 г/м2 в год [154].
В [113] даны рекомендации по выбору профилей поперечных сечений деталей металлоконструкции в зависимости от агрессивности внешней среды. Также металлические конструкции сооружений на открытом воздухе следует проектировать такой формы, которая исключала бы возможность скопления на поверхности элементов конструкций атмосферной влаги, конденсата, производственной пыли и жидких агрессивных сред и не затрудняла бы их удаление [113].
Сложная конфигурация сечений, малые толщины проката, зазоры в элементах из парных уголков уменьшают коррозионную стойкость решетчатых элементов покрытий. Повышенная влажность воздуха, агрессивные по отношению к металлу компоненты способствуют развитию равномерной коррозии в ферменных конструкциях. Интенсивные местные коррозионные поражения возникают в опорных узлах стропильных и подстропильных ферм. Коррозионный процесс ускоряется при скоплении пыли на металлоконструкции, особенно при ее увлажнении. Наибольшая скорость коррозии элементов покрытия наблюдается в травильных и гальванических производствах, связанных с наличием открытых емкостей с агрессивными жидкостями [133].
Общие коррозионные поражения подкрановых конструкций, сплошных колонн и ветвей сквозных колонн сравнительно невелики вследствие большой мощности сечения, открытых, хорошо обдуваемых профилей и вертикального расположения элементов, исключающего отложение пыли [133]. Повреждения металлоконструкций мостовых кранов в виде коррозии и трещин наблюдаются в местах наличия полостей (карманов), щелей, возникающих при сварке прерывистыми швами, или неплотного прилегания элементов из-за большого шага заклепок. При длительном хранении кранов или при их эксплуатации на открытом воздухе происходят коррозионные повреждения внутренних поверхностей коробчатых балок. В козловых кранах очагами коррозии являются щели, имеющиеся в составных элементах – узлах соединения пролетного строения с опорами [167].
В [20] приводятся основные коррозионные дефекты металлоконструкций портальных кранов, которые носят язвенный или поверхностный характер.
В [21; 113; 133] представлены способы защиты металлоконструкций от коррозии. По виду материалов защитные покрытия для строительных металлоконструкций бывают лакокрасочные, металлические, оксидные и изоляционные. Возможны комбинации различных видов покрытий. По механизму защитного действия покрытия классифицируются как барьерные (обеспечивают только изоляцию), протекторные и с комбинированным барьерно-протекторным действием [113].
При конструировании конвейеров, подвергающихся интенсивному коррозионному воздействию (при транспортировке серы, поташа и других агрессивных грузов), для защиты металлоконструкций от коррозии иногда применяют специальное защитное покрытие [50].
Сера и ее соединения – сернистый ангидрид (SO2), сероводород (H2S) и т.д. являются достаточно агрессивными, коррозионноактивными веществами. Расплавленная сера химически активна и реагирует почти со всеми металлами. В ее присутствии сильно корродирует медь, олово, свинец, в меньшей степени – углеродистая сталь и титан, и незначительно – алюминий [162].
В процессе эксплуатации вагонов-хопперов (минераловозов) и полувагонов (думпкаров), предназначенных для транспортирования навалом сыпучих минеральных удобрений, соды, серы, поташа и других аналогичных материалов в порошкообразном, гранулированном или кусковом виде, их внутренние по 32 верхности подвергаются интенсивному разрушению. Учитывая масштабы железнодорожных перевозок таких грузов, потери от износа подвижного состава очень существенны. Такие же проблемы характерны и при эксплуатации другого транспортного и складского оборудования, поверхности которого непосредственно контактируют с химически агрессивными сыпучими средами [51].
Перевозимые сыпучие материалы с развитой удельной поверхностью интенсивно адсорбируют влагу из воздуха, в результате чего образуются растворы солей, кислот или оснований, являющиеся сильными электролитами. Это приводит к электрохимическому коррозионному разрушению металлического кузова вагонов. Скорость коррозии углеродистой стали в таких средах составляет 0,4-0,6 мм/год [51].
В [1; 178] представлены динамические процессы, возникающие в ленточных конвейерах. Рассмотрены вопросы пуска и торможения конвейера, при которых на тяговый элемент кроме статических действуют также динамические силы, зависящие от величины движущихся масс и ускорения. В [189] изложен расчет динамических процессов в ленточных конвейерах. При транспортировании груза ленточный конвейер работает в стационарном (установившемся) режиме. Однако при пуске и торможении возникают дополнительные динамические усилия, и конвейер начинает работать при нестационарном режиме, в котором возможны два случая. В первом, пуск (торможение) конвейера осуществляется без груза на ленте. Это допустимо в начале (конце) работы конвейера. Во втором случае, конвейер начинает (заканчивает) работать с полной загрузкой ленты, что может произойти при незапланированной остановке и дальнейшем пуске конвейера.
В [114] представлены значения коэффициента динамичности kд, учитывающего ударный характер нагрузки при движении крана по неровностям пути и на стыках рельсов. Коэффициент динамичности kд принимают равным: при шаге колонн не более 12 м: 1,2 - для группы режима работы 8К; 1,1 - для групп режимов работы 6К и 7К, а также для всех подвесных кранов. При шаге колонн более 12 м kд принимают равным 1,1 для группы режима 8К.
Перестройка исходного варианта металлоконструкции КПЛ
Конфигурация металлоконструкции стационарного КПЛ характеризуется совокупностью значений - геометрическими характеристиками его отдельных конструктивных элементов (размерами поперечного сечения и длинами участков МК). Часть из них не подвергается изменению (варьированию) в ходе поиска оптимального результата, т.к. в процессе оптимизации этими параметрами либо невозможно, либо нецелесообразно управлять. К их числу относятся те, которые либо определяются другими параметрами металлоконструкции, либо уже определены на предыдущих этапах расчета или указаны в техническом задании на проектирование. К числу параметров, которые необходимо учитывать при расчете и проектировании металлоконструкции и которыми невозможно управлять, относятся также эксплуатационные нагрузки, режимы и условия работы, определяемые техническим заданием на проектирование конвейера. Помимо неуправляемых существуют управляемые параметры, которыми возможно варьировать для поиска оптимального результата. Из них формируется вектор неизвестных размеров {х}, подлежащих определению в процессе оптимизации. Вектор управляемых {х} и вектор неуправляемых {zj параметров полностью определяют геометрические характеристики оптимальной металлоконструкции конвейера.
Задача оптимального проектирования металлоконструкции КПЛ в общем виде сформулирована следующим образом: для конкретного варианта МК требуется найти такое сочетание ее варьируемых размеров, при котором достигается минимум массы с учетом конструктивных, прочностных, жесткостных и коррозионных ограничений где Ц - целевая функция (вес металлоконструкции конвейера); ет ,/„ , gp , js , ки - системы конструктивных, прочностных, жесткостных и коррозионных ограничений соответственно. Процесс оптимального проектирования металлоконструкции основан на расчете по первой группе предельного состояния стационарного режима работы КПЛ при полной загрузке ленты.
Расчеты нестационарных режимов работы по первой группе предельного состояния с полной загрузкой ленты и без загрузки при пуске и торможении КПЛ являются проверочными.
Для оптимального варианта МК конвейера также выполняются проверочные условия по второй группе предельного состояния при стационарном и нестационарном режиме работы. При расчетах и оптимальном проектировании металлоконструкции стационарного конвейера с подвесной лентой принимаются допущения: не учитывается продольное растяжение конвейерной ленты; при движении конвейерной ленты груз на ней распределен равномерно и лежит неподвижно; при движении не учитывается отставание (опережение) конвейерной ленты от гибких элементов, служащих связывающим промежуточным элементом между подвеской и конвейерной лентой; при пуске конвейера с подвесной лентой разгон происходит равноускоренно. Данное допущение усредняет определение продольного усилия в направляющих, т.к. для каждого конвейера с подвесной лентой механические характеристики двигателя индивидуальны.
Постановка задачи условной параметрической оптимизации металлоконструкции натяжной станции стационарного конвейера с подвесной лентой На Рис. 2.8 представлена универсальная расчетная схема МК натяжной станции конвейера с подвесной лентой, включающая все потенциально возможные стержни и раскосы. Она позволяет, не меняя структуру целевой функции, выполнять расчет металлоконструкции с различными конструктивными схемами натяжной станции.
В связи с тем, что исходная универсальная структурная схема трансформируется в процессе оптимизации, т.е. отдельные стержни могут исключаться из МК, для учета этого обстоятельства вводится коэффициенту,, который определяет факт наличия (jt =1) или отсутствия (jt =0) z-го конструктивного элемента в оптимизируемой металлоконструкции.
В универсальной расчетной схеме МК натяжной станции учитываются внешние нагрузки со стороны натяжного барабана RH6, конвейерной ленты N1, продольных Т1 и Т2 и поперечных F1 и F2 нагрузок на направляющие от подве сок, ленты и груза на грузонесущей и холостой ветвях соответственно.
В конструкции между верхними продольными стержнями 4 и 7 устанавливаются опорные крепления натяжного барабана, распределяя тем самым свою нагрузку Rнб в местах крепления. К продольным стержням 4 крепится поперечный стержень длиной 10 , на который устанавливаются стойки грузовой 8 и холостой 9 ветвей. На них крепятся трубчатые направляющие, на которые со стороны кареток действуют продольные Т1 и поперечные F1 силы на участке грузонесущей ветви и Т2 и F2 – на участке холостой ветви соответственно. Также на металлоконструкцию действует усилие со стороны конвейерной ленты N1.
Масса металлоконструкции натяжной станции зависит минимум от тридцати восьми, максимум от пятидесяти пяти размерных величин. Из них варьируемыми могут быть минимум тридцать, максимум – сорок семь. Из этих величин состоит вектор управляемых параметров, который для расчетной схемы металлоконструкции натяжной станции (Рис.2.8) в зависимости от выбранного оптимального поперечного сечения стержней 1-11 в соответствии с Рис. 2.2 имеет следующие величины: где r - показатель формы поперечного сечения (г = п - прямоугольная труба; г= ш - швеллер; г= у - уголок; г= к - круглая труба); / - элемент узла МК (Рис. 1.3); Wj - количество управляемых параметров МК натяжной станции.
Длины стержней 1 и 10 ограничиваются длиной обечайки натяжного барабана. Вертикальные стержни 3 , 8 и 9 зависят от диаметра натяжного барабана. Продольные стержни 4, 6 и 7 зависят от диаметра натяжного барабана и от заданного условием перемещения (хода) натяжного барабана вдоль станции.
В процессе эксплуатации на металлоконструкцию КПЛ возможно негативное коррозионное воздействие как со стороны окружающей среды, так и со стороны транспортируемого материала. С течением времени оно приводит к постепенному удалению материала с поверхности конструктивных элементов МК и, таким образом, к уменьшению площади и моментов инерции их поперечных сечений. Это обстоятельство обуславливает необходимость включения в оптимизационные математические модели основных узлов КПЛ коррозионных ограничений, учитывающих изменение геометрических характеристик конструктивных элементов узлов и позволяющих прогнозировать их значения к моменту времени исчерпания заданного срока эксплуатации МК конвейера.
Коррозионные ограничения представляют собой условия превышения площадью поперечного сечения корродированного элемента в течение заданного срока службы МК конвейера тсс минимально допустимого по условиям прочности и жесткости поперечного сечения:
Влияние производительности конвейера на напряженно-деформированное состояние оптимального варианта металлоконструкции
На первоначальном этапе осуществлялась проверка исходного варианта МК при условии стационарного режима работы конвейера с полной загрузкой ленты по первой группе предельного состояния.
Исходный вариант металлоконструкции представляет собой каркасную модель (Рис. 3.2), построение которой осуществлялось в CAD-подсистеме NX. Вся металлоконструкция стационарного конвейера с подвесной лентой состоит из приводной станции, семи линейных секций и натяжной станции.
Далее осуществлялось преобразование каркасной модели в конечноэле-ментную расчетную схему. При этом элементы конструкции разделялись по группам, в дальнейшем в разной степени участвующим в процессе оптимизации. Каждая деталь группы разбивалась на конечное число элементов, которое составило 20 элементов на метр, для расчета металлоконструкции МКЭ. Данное число конечных элементов позволило получить точный результат при относительно малых затратах времени на вычисление. Для каждой группы элементов из библиотеки материалов выбирался требуемый материал – сталь 09Г2С (Рис. 4.2) .
Для деталей каждой группы предварительно назначался тип профиля поперечного сечения, который выбирался из базы данных справочных материалов. В качестве предпочтительного был принят прямоугольный профиль поперечного сечения с геометрическими размерами 60303 (Рис. 4.3).
Коррозионные ограничения учитывались на начальном этапе проектирования путем равномерного уменьшения толщин стенок поперечных сечений всех стержней и раскосов металлоконструкции. В течение установленного нормативного срока эксплуатации стационарного конвейера с подвесной лентой и снижение профиля всех конструктивных элементов составило 1 мм.
Формирование сетки конечных элементов выполнялось в модуле Advanced Simulation программного комплекса NX, предназначенном для осуществления инженерного анализа (Рис. 3.3). В местах контакта МК конвейера с опорной поверхностью устанавливались жесткие заделки, и осуществлялся ввод эксплуатационных нагрузок (п. 3.1).
Помимо указанных нагрузок (Таблица 8) учитывался собственный вес металлоконструкции, а также условия работы конструкции. Исходная расчетная схема МК представлена на Рис. 3.6-3.9.
Далее проводились расчеты металлоконструкции КПЛ по первой и второй группам предельных состояний. Результаты представлены на Рис. 4.4-4.8.
Внутреннийсиловой фактор,деформация Стационарныйрежим с загрузкой ленты Нестационарныйрежим с загрузкой ленты Нестационарныйрежим беззагрузки ленты Осевая сила N, кН - растяжение -сжатие 1,782,67 2,21 3,13 1,692,95 Поперечная сила Q, кН 0,95 1,19 0,84 Изгибающий момент М, Нм 310 975 206 Эквивалентное напряжение, МПа 169,8 202,3 108,7 Стрела прогиба, мм 6,8 8,4 4,4 Проведя анализ полученных результатов МК конвейера, выявлено:
1. Наибольшее значение осевой силы N=3,13 кН возникает в раскосах приводной станции с профилем квадратной трубы 60303. При этом допускаемое значение осевой силы составляет 119 кН. В нижних стержнях и раскосах всей металлоконструкции действуют минимальные осевые силы.
2. Поперечная сила имеет максимальное значение Q=1,19 кН, которое возникает в продольных стержнях натяжной станции и поперечных стержнях линейных секций и является незначительным. В нижних стержнях и раскосах металлоконструкции действуют наименьшие поперечные силы.
3. Максимальный изгибающий момент возникает в прямолинейных направляющих (М=975 Нм), имеющих профиль в виде круглой трубы 533,5. Допускаемое значение изгибающего момента круглой трубы М = [] Wx = 2342 Нм. В нижних стержнях и раскосах натяжной и приводной станций дей 110
ствуют моменты, имеющие минимальные значения (менее 10% от максимального изгибающего момента).
4. Наибольшие эквивалентные напряжения = 202,3 МПа, полученные в результате расчета МК, не превышают предельных напряжений []= 265 МПа для стали 09Г2С. Минимальные значения напряжений возникают в конструктивных элементах приводной и натяжной станции металлоконструкции (менее 5% от максимальной величины напряжения) и в стержнях линейной секции.
5. Максимальная стрела прогиба металлоконструкции f = 8,4 мм имеет место на участках прямолинейных направляющих и соответствует допускаемому значению для круглой трубы длиной 4 метра [ f ]= (l / 200)= 20 мм. Минимальные прогибы возникают в нижней части металлоконструкции (менее 10% от наибольшей величины прогиба). Также для стержней линейной секции максимальная стрела прогиба составляет f = 1,7 мм при допускаемом значении прогиба данного стержня длиной 0,8 метра [ f ]= (l / 120)= 6,7 мм.
Металлоконструкция удовлетворяет условиям первой и второй групп предельных состояний, поэтому проектирование в среде NX Nastran заканчивается. На основании полученных результатов (Рис. 4.4-4.8) осуществлялся анализ исходного варианта металлоконструкции. Для МК натяжной станции (Рис. 2.2) лишними оказались стержни 1, 6 и 11. Для МК линейной секции (Рис. 2.4) лишние стержни – 1, 7 и 9. Для МК приводной станции (Рис. 2.6) лишними являлись стержни 1, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 16. Выполнялась перестройка исходного варианта МК, заключающаяся в удалении из структурной схемы МК элементов, в которых действуют незначительные напряжения (Рис. 4.9).