CC BY
16
УДК 621.86
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-341-348
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВОЙ СПОСОБНОСТИ САМООЧИЩАЮЩИХСЯ БАРАБАНОВ ШАХТНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ
В.Ю. Анцев, П.В. Витчук, НА. Витчук, Д.С. Федосеев
Для обеспечения долговечности и производительности шахтных ленточных конвейеров необходимо осуществлять мероприятия по очистке от налипшего груза их рабочих элементов - приводного и натяжного барабанов, а также ленты. Классические методы очистки являются малоэффективными в тяжелых и весьма тяжелых условиях эксплуатации шахтных конвейеров. Перспективным методом очистки является включение в конструкцию шахтных ленточных конвейеров самоочищающихся барабанов. Самоочищающиеся барабаны имеют сквозное строение, захватывающее и отбрасывающее в сторону просыпанные фрагменты транспортируемого груза. Помимо функции самоочистки данные барабаны незначительно деформируют ленту, обеспечивая сброс с нее налипшего груза. Однако, применение самоочищающихся барабанов в качестве приводных барабанов в многобарабанных системах мощных шахтных ленточных конвейеров осложняется отсутствующими данными о их тяговой способности. Производители не предоставляют эксплуатационных данных, а вся информация, приводимая об этих перспективных конструкциях, носит разрозненный и преимущественно рекламный характер. Также существует основание полагать, что расчет таких барабанов по классической формуле Эйлера даст недопустимую погрешность. Это обуславливает актуальность разработки экспериментального стенда определения на нем тяговой способности самоочищающихся барабанов. В статье представлена конструкция экспериментального стенда для исследования тяговой способности барабанов ленточных конвейеров. Для стенда изготовлены модели двух типов самоочищающихся барабанов. Проведены экспериментальные исследования их тяговой способности в сравнении с классическим гладким барабаном.
Ключевые слова: шахтный ленточный конвейер, самоочищающийся барабан, тяговая способность, передача трением, экспериментальный стенд.
Шахтные ленточные конвейеры, работающие в тяжелых условиях горнодобывающей промышленности, требуют принятия эффективных мер по очистке приводного и натяжного барабанов, а также ленты от налипающего груза для обеспечения их долговечности и производительности. Налипающий груз ускоряет износ ленты и поддерживающих роликовых опор, снижает общее тяговое усилие привода, повышая риск проскальзывания; увеличивает вероятность бокового схода ленты; приводит к снижению производительности конвейера [1-3].
Классические методы очистки, такие как установка скребковых, плужковых и щеточных очистителей [4, 5], являются малоэффективными в тяжелых и весьма тяжелых условиях эксплуатации высокопроизводительных шахтных конвейеров.
Более эффективным методом очистки является применение виброочистителей [6], использующих ударную нагрузку для встряхивания ленты, сбивая с нее налипшие фрагменты груза. Тем не менее, установка подобного типа очистителей практически невозможна для реализации непосредственно на приводных и натяжных барабанах.
В зарубежной практике для очистки барабанов и ленты широкое применение нашли самоочищающиеся барабаны. Существует множество конструктивных исполнений таких барабанов [7, 8], но всех их объединяет единый принцип самоочистки: сквозное строение, захватывающее и отбрасывающее в сторону просыпанные фрагменты транспортируемого груза. Помимо функции самоочистки данные барабаны незначительно деформируют ленту, обеспечивая сброс с нее налипшего груза.
На основе анализа зарубежных каталогов [7, 8] было выделено два принципиально отличающихся друг от друга конструктивных исполнения самоочищающихся барабанов (рис. 1):
1) Крыльчатый самоочищающийся барабан - представляет собой сварную конструкцию, состоящую из ступицы, с приваренными по ее цилиндрической поверхности лопастями, оканчивающимися планками, которые контактируют с лентой.
2) Спиральный самоочищающийся барабан - у которых поверхность, контактирующая с лентой, имеет вид двунаправленной спирали, состоящей из навитых вертикальных или горизонтальных стержней.
Рис. 1. Конструктивные исполнения самоочищающихся барабанов
Однако, применение самоочищающихся барабанов в качестве приводных барабанов в многобарабанных системах мощных шахтных ленточных конвейеров осложняется отсутствующими данными о их тяговой способности. Производители не предоставляют эксплуатационных данных, а вся информация, приводимая об этих перспективных конструкциях, носит разрозненный и преимущественно рекламный характер.
Также существует основание полагать, что расчет таких барабанов по классической формуле Эйлера даст недопустимую погрешность по причине того, что конструкция этих барабанов нарушает допущения, использованные для вывода данной формулы [9].
Это обуславливает актуальность разработки экспериментального стенда определения на нем тяговой способности самоочищающихся барабанов.
Разработка экспериментального стенда. Поскольку помимо непосредственного исследования тяговой способности самоочищающихся барабанов планируется последующее использование экспериментального стенда в учебном процессе при проведении лабораторных работ по курсу «Машины непрерывного транспорта», то к нему был предъявлен ряд требований:
1) возможность задания и точного определения усилий в набегающей и сбегающей ветвях ленты Т] и T2 ;
2) возможность задания точного значения крутящего момента на барабане;
3) возможность регулирования угла обхвата лентой барабана;
4) возможность быстрой замены барабана;
5) конструкция стенда должна быть простой и содержать максимально возможное количество стандартных и покупных элементов;
6) стенд должен иметь минимальную массу.
Разработанный стенд (рис. 2) представляет собой сборную пространственную раму 1, на которой установлены исследуемый барабан 5 и винтовое устройство 6 с отклоняющим роликом 11. Фиксация барабана на раме осуществляется посредством опор подшипников скольжения разборной конструкции 9, что облегчает замену испытуемой модели барабана. Лента 4, перекинутая через барабан, с обоих концов закрепляется на фиксирующей рейке 10 через динамометры 2 и талрепы 3. Талрепы служат для нагружения набегающей и сбегающей ветвей ленты растягивающей нагрузкой. Стенд оборудован двумя типами ленты - резинотросовой и резинотканевой. На выходном валу барабана посредством штифтового соединения установлен рычаг 7 с грузами 8 (условно не показаны). Грузы служат для нагружения барабана крутящим моментом.
С целью уменьшения массы стенда его рама собрана из алюминиевого П-образного профиля, местами усиленного плоским профилем. Сборка рамы осуществлялась с помощью алюминиевых заклепок.
Винтовое устройство (рис. 3) предназначено для регулирования угла обхвата лентой барабана в диапазоне 150...210". Винтовое устройство состоит из направляющих 1, внутри которых штифтами 4 зафиксированы глухая 2 и сквозная 3 опоры. Отклоняющий ролик 5 жестко фиксируется на оси 6, установленной в ползунах 7. Положение ползуна, благодаря установленных в нем гайках 9 под заглушками 10, в направляющих определяется винтом 8. К шляпкам винтов приварены гайки с накаткой 11.
Для обеспечения возможности быстрой замены барабана были изготовлены разъемные подшипниковые опоры (рис. 4). Подшипниковые опоры и некоторые другие элементы стенда (отклоняющий ролик, части винтового устройства, втулки, заглушки и фиксаторы) были изготовлены с помощью 3D FDM печати. В качестве основного материала был использован пластик PLA (полилактид) - биоразлагаемый, термопластичный, алифатический полиэфир. В качестве материала для вкладышей подшипниковых опор был выбран нейлон. Данный материал обладает высокой устойчивостью к истираю, а также низким коэффициентом трения скольжения. Кроме этого, нейлон обладает высокой гигроскопичностью, что позволяет пропитать вкладыши синтетическим маслом для снижения коэффициента трения скольжения в опорах.
8_ 7
Рис. 2. Экспериментальный стенд: 1 - рама; 2 - динамометр; 3 - талреп; 4 - лента; 5 - барабан; 6 - винтовое устройство; 7 - рычаг; 8 - место навешивания грузов; 9 - подшипниковая опора; 10 - фиксирующая рейка; 11 - отклоняющий ролик
3
/ / Л ю
в 9
Рис. 3. Винтовое устройство с отклоняющим роликом: 1 - направляющие;
2 - опора глухая; 3 - опора сквозная; 4 - штифт; 5 - отклоняющий ролик; 6 - ось;
7 - ползун; 8 - винт; 9 - гайка; 10 - заглушка; 11 - гайка с накаткой
Для стенда были изготовлены модели двух типов самоочищающихся барабанов - с продольным ребрами (аналог зарубежного барабана Snap-Back) [7] и с ребрами, расположенными под углом (аналог зарубежного барабана Eradicator) [8], а также классического гладкого цилиндрического барабана (рис. 5). Барабаны представляют собой сборные конструкции, состоящие из двух полых половин 1, соединенных посредством штифтов 2. Барабан устанавливается на оси с помощью радиального штифта 3, а фиксируется от осевого смещение с помощью двух втулок 4.
б 3
половина корпуса; 3 - болт; 4 - гайка; 5 - заглушка; 6 - вкладыш; 7 - рама;
8 - крепление к раме
Рис. 5. Исследуемые барабаны: 1 - половина тела барабана; 2 - штифт сборочный;
3 - штифт радиальный; 4 - втулка
Исследование тяговой способности. Исследование тяговой способности осуществлялось по известным методикам [10-14] учетом конструктивных особенностей стенда.
Усилия в набегающей 7] и сбегающей 72 ветвях ленты задавались талрепами, значения этих усилий фиксировались динамометрами.
Крутящий момент на барабане задавался рычагом и набором грузов.
При установке талрепами значений 7] = 72 система «лента-барабан» находится в покое.
344
В этот момент на дуге обхвата существуют два участка: дуга упругого скольжения и дуга покоя. Наличие дуги покоя свидетельствует о необходимом для нормальной работы приводного барабана запасе сил сцепления с лентой. При значении угла дуги покоя равном нулю будет наблюдаться полное использование сил сцепления, а тяговое усилие, которое в этом случае и будет являться полным тяговым коэффициентом.
Чтобы добиться этого состояния в ходе испытания, необходимо постепенно ослаблять талреп набегающей ветви ленты, то есть уменьшать T до момента начала проскальзывания барабана по поверхности ленты под действием момента от груза на рычаге барабана. Полученное в ходе исследования отношение 72 /T] = efa и будет являться действительным значением полного тягового коэффициента передачи, где f - приведенный коэффициент трения ленты о тяговый барабан, а - угол обхвата лентой тягового барабана.
Поскольку коэффициент запаса кз конвейерной ленты по допустимой разрывной
нагрузке [T ] составляет 8...10 в зависимости от типа ленты и режима работы конвейера, то рабочий диапазон ленты по усилию в сбегающей ветви составляет 72 = [T]/8...10 = (0,10...0,125)[T]. Для проведения исследования был выбран несколько больший диапазон значений T2 = (0,025...0,15)[T] с шагом T2 = 0,025[T].
Опыты в исследовании повторялись троекратно для каждого из сочетаний нагрузки.
Угол обхвата лентой тягового барабана во всех рассмотренных случаях составлял а =180°.
Зависимость приведенного коэффициента трения f от усилия в сбегающей ветви T2, выраженной в процентах допустимой разрывной нагрузки [T ], для барабана с продольным ребрами, барабана с ребрами, расположенными под углом, в сопоставлении с классическим гладким цилиндрическим барабаном дана на рис. 6.
12,5
15
Т2/[Т],%
f 2,5 5 7,5 10
0,34
0,33
0,32
0,31
0,3
0,29
0,28
х Гладкий барабан • Барабан с продольным ребрами а Барабан с ребрами, расположенными под углом Рис. 6. Зависимость / от усилия в сбегающей ветви 72
Рабочий диапазон ленты
к 1
-is. t. I " J
1 1 -1 — ■ -J !— F
Результаты, полученные для гладкого барабана, хорошо согласуются с данными, приводимыми в классической литературе по машинам непрерывного транспорта [4, 5]. Результаты, полученные для барабана с продольным ребрами и барабана с ребрами, расположенными под углом, в рабочем диапазоне нагрузок на ленту не отличаются от результатов, полученных для гладкого барабана в пределах 5 %. Это позволяет сделать вывод, что в рабочем диапазоне нагрузок наличие оребрения не оказывает значимого влияния на тяговую способность барабана. Поэтому в проектных расчетах для самоочищающихся барабанов могут быть приняты значения коэффициентов трения, приводимых для гладких барабанов.
Список литературы
1. Бибиков П.Я. Очистка конвейерной ленты, взгляд на проблему // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 3. С. 300-302.
2. Николаев Е.Д., Костерин Л.С., Дмитрин В.П. Теоретические, экспериментальные и практические исследования очистки конвейерных лент // Горный журнал. 2000. № 4. С. 45-49.
3. Чаплыгин В.В., Николев Е.Д. Практичная теория очистки конвейерных лент // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2015. № 2(12). С. 9-18.
4. Зенков Р.Л. Машины непрерывного транспорта. М.: Машиностроение, 1987. 432 с.
5. Ромакин Н.Е. Конструкция и расчет конвейеров. М.: ТНТ, 2012. 504 с.
6. Толоконников А.С., Потапов С.А., Витчук П.В. Машины непрерывного транспорта. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 245 с.
7. Каталог конвейерных барабанов. Официальный сайт компании Van Group. [Электронный ресурс] URL: https://www.vangorp.biz/wp-content/uploads/2015/11/vg-catalog.pdf (дата обращения 09.06.2022).
8. Каталог конвейерных барабанов. Официальный сайт компании PCI. [Электронный ресурс]. URL: https://www.pcimfg.com/conveyor-pulleys-menu (дата обращения 09.06.2022).
9. Андреев А.В. Передача трением. М.: Машиностроение, 1978. 176 с.
10. Семенов Л.Н. Передача силы трением гибкого элемента о шкив: метод. указания к лаб. работам. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1970. 22 с.
11. Исследование тяговой способности канатоведущего шкива лебедки: метод. указания к лаб. работе по курсу «Подъемники» / Курносов Н.Е., Лобачев В.В. [и др.] / Под. ред. Н.Е. Курносова. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. 12 с.
12. Анцев В.Ю., Витчук П.В., Витчук Н.А., Рейхерт Н.Д. Экспериментальное исследование тяговых характеристик полиуретановой ленты // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2020. Вып. 7. С. 73-79.
13. Анцев В.Ю., Витчук П.В. Обеспечение долговечности лифтовых канатоведущих шкивов // Тяжелое машиностроение. 2013. № 11-12. С. 37-41.
14. Анцев В. Ю., Витчук П.В., Федоров А.В. Способы увеличения тяговой способности канатоведущего шкива // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 436-446.
Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, An-zev@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доцент, Vitchuk@bmstu.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»,
Витчук Наталья Андреевна, канд. техн. наук, доцент, Vitchuk.Natalya@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского,
Федосеев Денис Сергеевич, студент, denis.fedoseev. 99@mail. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
EXPERIMENTAL STUDY OF TRACTION CAPACITY OF MINE BELT CONVEYOR
SELF-CLEANING PULLEY
V.J. Anzev, P.V. Vitchuk, N.A. Vitchuk, D.S. Fedoseev
To ensure the durability and productivity of mine belt conveyors, it is necessary to carry out measures to clean their working elements -the drive and idler pulleys, as well as the belt — from the stuck cargo. Classical cleaning methods are ineffective in severe and very severe operating conditions of mine conveyors. A promising method of cleaning is the inclusion of self-cleaning pulleys in the design of mine belt conveyors. Self-cleaning pulleys have an end-to-end structure that captures and throws aside the spilled fragments of the transported cargo. In addition to the self-cleaning function, these pulleys slightly deform the tape, ensuring the discharge of stuck cargo from it. However, the use of self-
346
cleaning pulleys as drive pulleys in multi-drive systems of powerful mine belt conveyors is complicated by the lack of data on their traction capacity. Manufacturers do not provide operational data, and all the information provided about these promising designs is scattered and mainly promotional in nature. There is also reason to believe that the calculation of such pulleys according to the classical Euler formula will give an unacceptable error. This determines the relevance of the development of an experimental stand for determining the traction capacity of self-cleaning pulleys on it. The article presents the design of an experimental stand for the study of the traction capacity of the pulleys of belt conveyors. Models of two types of self-cleaning pulleys were made for the experimental stand. Experimental studies of their traction capacity in comparison with the classical smooth drum have been carried out.
Key words: mine belt conveyor, self-cleaning pulley, traction capacity, friction transmission, experimental stand.
Anzev Vitaliy Jur'evich, doctor of technical science, professor, manager of department, An-zev@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, docent, zzzVentor@yandex.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch,
Vitchuk Natalia Andreevna, candidate of technical science, docent, vitchuk.natalya@mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga State University named after K.E. Tsiolkovsky,
Fedoseev Denis Sergeevich, student, denis.fedoseev.99@mail.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
