CC BY
13
© К.К. Мулухов, 3.Н. Бсслскосва, 2012
УДК 622.674.2:622.34
К.К. Мулухов, 3.Н. Беслекоева
ИССЛЕДОВАНИЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛОПАСТНОГО ПИТАТЕЛЯ ДЛЯ БЕЗУДАРНОЙ ЗАГРУЗКИ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ КРУПНОКУСКОВЫМИ ГРУЗАМИ
Проведен динамический анализ конструкции лопастного питателя для безударной загрузки ленточных конвейеров крупнокусковыми горными породами и рудами. Элементы питателя подвергаются значительным ударным нагрузкам. В результате анализа получены формулы для расчета на прочность основных частей питателя: лопастей, лопастного колеса и опорных катков. Для уменьшения динамических нагрузок предлагается устанавливать над лопастями амортизирующие отбойные балки. Восемь опорных катков питателя рационально устанавливать попарно на балансирах, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки на катки и уменьшает концентрацию напряжений. Указанные конструктивные меры позволяет существенно сократить собственную массу питателя.
Ключевые слова: поточная технология, рекультивация карьера, вагоноопрокиды-ватель, опорный каток.
Создание поточной технологии и специальных средств непрерывного транспорта при разработке скальных и полускальных пород и руд представляет собой качественное повышение технологического уровня развития горнодобывающей промышленности. Наибольшее распространение в качестве средств поточного транспорта получили ленточные конвейеры. Это объясняется малыми энергетическими и эксплуатационными затратами, высокой производительностью, возможностью полной автоматизации транспортных процессов и экологической чистотой.
Как показывает опыт эксплуатации ленточных конвейеров, причиной преждевременного выхода из строя конвейерной ленты в большинстве случаев является ее разрушение на погрузочных пунктах. Подача крупнокусковых скальных грузов характеризуется большими ударными нагрузками на ленту, могущими вызвать про-
пробой рабочей обкладки, а иногда и каркаса ленты. Кроме того, крупные куски вызывают продольные прорывы рабочей обкладки ленты в период ускорения на ней груза до скорости движения ленты. Следовательно, создание эффективных загрузочных устройств, обеспечивающих подачу груза на конвейерную ленту с минимально возможной высоты и со скоростью, близкой к скорости ленты, как по величине, так и по направлению занимает исключительно важное место для использования конвейеров для крупнокусковых горных грузов.
В этих целях основное применение получили пластинчатые, скребковые, валковые и вибрационные питатели. Однако все они, за исключением вибрационных питателей, подают груз с высоты около 1 м, что может вызвать сквозной пробой ленты. Вибрационные питатели способны подавать горную породу на ленту с минимально возможной высоты 30-50 мм и при
этом рабочий орган питателя позволяет формировать грузопоток в форме, соответствующей поперечному сечению ленты. Однако вибропитатели не могут применяться при наличии липких фракций в транспортируемом грузе. Кроме того, скорость подачи горной массы с вибропитателей меньше чем 1—1,5 м/с, то есть скорости ленточно-колесного конвейера, предназначенного для транспортирования крупнокускового груза. Разность скоростей вызывает продольные раздиры ленты.
В наибольшей степени поставленным требованиям отвечают лопастные перегружатели.
Известные лопастные питатели имеют тот существенный недостаток, что лопасти при своем вращении внедряются в грузопоток. При загрузке крупнокусковых скальных грузов это неизбежно приводит к заклиниванию отдельных кусков между лопастями и направляющим лотком. С целью исключения этого недостатка был предложен специальный лопастный перегружатель [1].
Устройство предлагаемого усовершенствованного лопастного питателя представлено на рис. 1, а, б, в.
Лопастный питатель конвейера содержит два обода 1, расположенные на опорных катках 2. С внутренней стороны к ободам 1 прикреплены диски 3 и 4, на которых установлены радиальные лопасти 5. На раме питателя 6 смонтированы: лоток 7 и привод 8. Катки 2 попарно установлены на балансирах 9, которые шарнирно соединены с рамой 6. Над лопастями 5 размещены отбойные балки 10. Между балками 10 и лопастями 5 установлены упругие элементы 11 (рис. 1, в). Лопастный питатель работает следующим образом. Груз подбункер-ным питателем 12 подается сверху на лоток 7 и лопастями 5 перемещается
на загружаемый конвейер 13. Балан-сирная подвеска катков 2 обеспечивает равномерное распределение нагрузки между соответствующими катками. Грузопоток поступает на отбойные балки 10. При этом ударная нагрузка на лопасти 5 уменьшается за счет деформаций упругих элементов 11. При повышенных ударных нагрузках более эффективными могут быть стальные цилиндрические пружины сжатия.
Так как кромка лотка 7 установлена непосредственно над лентой конвейера 13 груз подается на нее с минимально возможной высоты 30-50 мм и со скоростью, близкой к скорости движения ленты конвейера 13. Это исключает преждевременный выход из строя дорогостоящей конвейерной ленты.
Использование предлагаемого устройства по сравнению с ранее предложенной конструкцией обеспечивает уменьшение нагрузок на элементы питателя, что позволит сократить их размеры и массу, а также повысить долговечность работы.
В ряде случаев при разработке месторождений и последующей рекультивации карьеров возникает необходимость в двусторонней загрузке ленточного конвейера (с обеих сторон от продольной оси конвейера). Предлагаемый питатель обеспечивает такую возможность (рис. 2). В отличие от предыдущей схемы (рис. 1) в привод включена цепная передача, при этом ведомые звездочки крепятся к ободьям лопастного колеса (на рис. 2 цепная передача условно не показана). Аналогичная схема привода используется в мощных вагоноопрокидывателях и передвижных бетономешалках.
Лопастный перегружатель работает в очень тяжелых динамических условиях. Падение кусков груза, масса которых может достигать 1 т и более
с высоты 0,5-1,0 м вызывает большие ударные нагрузки (рис. 3).
Точный расчет упругих систем и в особенности систем с распределенной массой на ударную нагрузку весьма сложен. Кроме того, часто сами соударяющиеся детали имеют настолько сложную конфигурацию, что схематизация их в виде бруса является приближенной. В практике применяют упрощенные методы расчета на ударную нагрузку.
Для проведения сравнительной оценки эффективности введения в конструкцию амортизирующей отбойной балки над лопастью рассмотрим конструктивные и расчетные схемы для обоих вариантов рис. 3, а, б, в, г. Значение динамического коэффициента существенно зависит от способа крепления ударяемого тела. Крепления лопастей к дискам следует делать разъемными посредством болтов, поставленных без зазора, работающих на срез и смятие. Граничные условия опирания лопастей являются при этом защемлением с обеих сторон.
Определение напряжений и деформаций при ударе - одна из наиболее сложных задач сопротивления материалов и смежных наук. В практике расчетов используют следующие основные допущения [2]:
кинетическая энергия ударяющего тела полностью переходит в потенциальную энергию ударяемого тела;
закон распределения деформаций и напряжений остается таким же, как и при статическом действии;
удар считается неупругим и после соударения оба тела (кусок груза и лопасть питателя) движутся совместно, при этом энергией пластической деформации груза пренебрегают.
С учетом собственной массы лопасти и отбойной балки, а также, рассматривая удар сосредоточенным в
середине лопасти или отбойной балки, выражения для динамического коэффициента кд в обоих случаях имеют вид
2Н
1 + 0,45 •
Р13
192Ы:
2Н
1+0,45Р
РГ
192Я/Л
+Р+О- 5
(1)
(2)
где Н- высота падения груза, мм; Р — вес наибольшего по массе куска груза, Н; Qл - собственный вес лопасти, Н; Qб -собственный вес отбойной балки, Н; 1 — длина пролета, мм; Е — модуль продольной упругости материала, МПа; ^ - моменты инерции
сечения лопасти относительно оси х,
4 г
мм ; иуо — момент инерции сечения отбойной балки относительно оси уо> мм4; д - чувствительность (податливость) упругого элемента, установленного в опоре отбойной балки, мм/Н.
Напряжения, деформации и силы при ударной нагрузке определяются по формулам [2].
4 = С • ; ^Л = Р ^ ^ (3),
где ст Т , т Т , , ГД — соответственно нормальные, касательные напряжения, деформации и силы при статическом приложении нагрузки от куска груза весом Р; ст Л , т Л , , Р —
соответственно нормальные, касательные напряжения, деформации и силы с учетом ударного характера нагрузки.
Особенностью работы лопастного питателя является также и то, что лопасть испытывает удар и при перемещении груза по направляющей после падения (рис. 3). При этом уже ло-
Кл =
ст = ст • к т = т • к
Л СТ Л . Л СТ Л
п-в
Рис. 1. Лопастный питатель для безударной загрузки ленточных конвейеров крупнокусковыми грузами: а — общий вид питателя; б - вид А на питатель; в - схема установки амортизирующих отбойных плит над лопастями
пасть ударяет по куску груза, доводя его скорость от нулевого значения до
скорости движения грузонесу-щей ленты конвейера. Полученные формулы для динамического коэффициента (1), (2) применимы и в данном случае с учетом того, что удар в данном случае происходит в другой плоскости, перпендикулярной плоскости при ударе лопасти сверху. Значение Н следует определять по скорости соударения, равной скорости конвейера.
Рассмотрим численный пример сравнительного расчета. Исходные данные:
• вес наибольшего куска груза - Р =10 кН (масса куска-1 т);
• высота падения куска — Н=500 мм;
• длина пролета — /=1400 мм (ширина ленты конвейера-2000 мм);
• вес лопасти - Qл=5 кН (задаемся предварительно);
• вес отбойной балки -Qб=2 кН (задаемся предварительно);
• высота лопасти - Л=1200 мм;
• модуль продольной упругости материала лопасти и балки-£=2,М05 МПа;
• допускаемое нормальное напряжение для лопасти и отбойной балки [с]=300 МПа (примем в качестве материала сталь Ст6, о"в=600^720 МПа, при коэффициенте запаса прочности -[^=2-2,5);
• чувствительность (податливость) отдельного упругого элемента — ¿=2^10-6м/Н (назначается предварительно из
условия статической осадки, равной 12 мм).
в
Рис. 2. Лопастный питатель при двусторонней загрузке конвейера
Рис. 3. Конструктивные и расчетные схемы лопасти и лопасти с амортизирующей отбойной балкой: а, б - конструктивная и расчетная схемы лопасти; в, г — конструктивная и расчетная схемы лопасти с амортизирующей отбойной балкой
Определение численных значений динамических коэффициентов воз-
можно при известных размерах поперечного сечения лопасти, которые могут оказаться не соответствующими последующему расчету по допускаемым напряжениям. Поэтому, вначале следует выразить динамические коэффициенты в зависимости от толщины лопасти (размер Ь) и, проведя расчет по допускаемым напряжениям, найти величину Ь, а затем значения самих коэффициентов.
Приняв в первом варианте расчета ширину лопасти Ь=100 мм (размер Н определяется конструктивно, исходя из наибольшего размера куска), а для отбойной балки — уголок равнобокий с номером профиля 25 и толщиной полки 30 мм, получим следующие значения динамических коэффициентов для обоих случаев (1), (2)
ка = 4150; к'д = 17,3
Налицо многократное уменьшение динамического коэффициента при введении отбойной балки на упругих опорах. Однако это еще не означает возможности для существенного снижения размеров и массы лопастей, так как необходимо провести дополнительно расчет лопасти на «боковой» удар по куску при ускорении движения куска по направляющей (рис. 4)
Лопасть питателя испытывает ударную нагрузку в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Расчет на боковой удар (рис. 4)
Рис. 4. Расчетная схема лопасти при боковом ударе по куску груза
Рис. 5. Расчетная схема взаимодействия лопастного колеса с опорными катками
аналогичен расчету на удар при падении груза с той разницей, что высота падения должна соответствовать конечной скорости движения куска, равной скорости конвейера. Выражение для динамического коэффициента в этом случае приобретает вид
к =
и2
д • + 0,45 • Р" Р/3
192ЕЫ у
где и - скорость движения конвейера, м/с; д - ускорение свободного падения, 9,8 м/с ; Ыу - момент инерции сечения относительно оси у, мм4.
Численный расчет для указанных выше исходных данных и скорости конвейера и=1 м/с показывает, что потребная толщина лопасти остается примерно такой же, как и при падении куска с высоты 0,5 м. Это объясняется резким уменьшением момента сопротивления сечения изгибу при переходе от оси х (удар сверху) к оси у (боковой удар). Выигрыш в снижении массы лопастей может быть при скорости движения конвейера менее 0,8-1,0 м/с. Однако это не означает того, что введение амортизирующей отбойной плиты не дает эффекта.
Резкое уменьшение динамической нагрузки при ударе лопасти сверху приводит к пропорциональному уменьшению нагрузки на опорные катки и ободья лопастного колеса, а так же на болты крепления лопастей к колесу. Расчетная схема для определения контактных напряжений в зоне контакта опорного катка с ободом колеса приведена на рис. 5.
Контактные напряжения, возникающие в зоне контакта опорного катка с ободом лопастного колеса, рассчитываются по известной формуле Герца для случая перекатывания двух цилиндров (рис. 5).
ст н = 0,418
Я • Е
Р,
(4),
где Ьк - ширина катка (по длине контактной линии), мм; Рк - нагрузка, приходящаяся на один каток, Н; я = Ек/Ьк — удельная нагрузка, Н/мм; рпр — приведенный радиус кривизны, мм;
1 = 2+2
Рш Лк ¿о
Величина нагрузки на отдельный каток определяется с учетом динамических коэффициентов (1), (2).
Принимая расчетные напряжения оИ за допускаемые можно определить потребную ширину катков. Понижение нагрузки на катки за счет введения амортизирующей отбойной балки позволяет существенно сократить ширину катков и обода лопастного колеса. При этом соответственно уменьшаются размеры и собственная масса питателя.
Структурная схема лопастного питателя с восьмью опорными катками и независимой установкой характеризуется неравномерностью распределения нагрузки на катки и большой концентрацией напряжений, что обусловлено наличием избыточных связей. Устранение этого недостатка возможно за счет использования балансирной попарной установки катков. Такая схема, например, находит применение в конструкциях тяжелых и мощных ваго-ноопрокидывателей. Некоторое усложнение конструкции оправдывает
себя тем, что механизм удовлетворяет требованию приспособляемости к деформациям звеньев.
Опорные катки следует выполнять одноребордными и с небольшой конусностью (или бочкообразностью) для устойчивого движения лопастного колеса.
Таким образом, в результате проведенного динамического анализа и синтеза предлагаемого лопастного питателя можно сделать следующие основные выводы:
• размеры основных элементов питателя должны рассчитываться с учетом ударного характера нагрузки по формулам (1), (2), (3), (4);
• установка амортизирущих отбойных балок над лопастями значительно уменьшает нагрузки и напряжения в деталях питателя и позволяет существенно сократить собственную массу питателя;
• для обеспечения равномерного распределения нагрузки и уменьшения концентрации напряжений опорные катки следует попарно устанавливать на балансирах.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мулухов К.К. Ленточно-колесные кон- 2. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матве-вейеры. — Владикавказ: Терек, 2000. ев В.В. Справочник по сопротивлению мате-
риалов. Киев, Наукова Думка, 1988. и'.'-^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мулухов Казбек Казгериевич — профессор, доктор технических наук, email: skgtu@skgtu.ru, Беслекоева Залина Николаевна — кандидат технических наук, email: bezalina60@yandex.ru, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет).
А
