CC BY
31
© В.И. Галкин, С.В. Громов, 2005
УДК 622:621
В.И. Галкин, С.В. Громов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ТЕЛА ВОЛОЧЕНИЯ В ТРУБЧАТОМ СКРЕБКОВОМ КОНВЕЙЕРЕ
НГ-2004, семинар № 16
ТЪ настоящее время в горной про-
X# мышленности к транспортным машинам предъявляется требование минимизации негативного воздействия процесса транспортирования на окружающую среду. Одним из наиболее перспективных и экологически безопасных средством непрерывного транспорта является трубчатый скребковый конвейер.
Этот тип конвейера состоит из трубчатого грузонесущего органа, внутри которого с определенным интервалом на тяговой цепи закреплены диски (стальные или чугунные которые могут быть футерованы полимерными материалами). Скорость движения дисков внутри трубы не превышает 0,35 м/с, производительность достигает 30 м3/ч, а трасса конвейера может быть пространственной, с наличием вертикальных, горизонтальных и наклонных участков. Транспортируемый груз перемещается волочением между дисками в замкнутом пространстве внутри трубы.
Так как перемещение сыпу-
Рис. 1. Стадии формирования тела волочения в месте загрузки трубчатого скребкового конвейера: 1 - труба конвейера; 2 - стенки загрузочного конвейера; 3 - впере-диидущий скребок; 4 - тело волочения; 5 - перемещающийся скребок
чего груза скребками в трубчатом конвейере является достаточно сложным процессом, попытаемся установить форму и размеры тела волочения груза между скребками.
Анализ процесса загрузки и формирования тела волочения в промежутке между двумя последовательными скребками позволяет выделить четыре основные стадии (рис. 1). На первой стадии происходит свободное насыпание груза по двум (передней и задней) наклонным поверхностям. Передняя наклонная поверхность начинается от ближней стенки загрузочного отверстия (2) и продолжается до впередиидущего скребка (3) (рис. 2.1, а, б). Площадь загрузки растет
во времени по нелинейной зависимости и в продольном разрезе ограничена кривой линией.
Для случая, когда скорость движения скребков мала, по сравнению со скоростью увеличения уровня груза в трубе, передний фронт тела волочения будет крутым, что приведет к скатыванию части груза вперед и давлению его на впередиидущий скребок (рис. 1, а). При этом касательная линия, проведенная к переднему фронту тела волочения не должна иметь угла наклона к горизонтали, превышающего угол естественного откоса груза. В случае, когда скорость движения скребков достаточно высока, по сравнению со скоростью увеличения уровня груза, передний фронт тела волочения а давления груза на впередиидущий скребок не будет (рис. 1, б). В обоих случаях (см. рис.1, а, б) задний фронт тела волочения формируется обратным скатыванием груза от вершины, а угол его наклона будет равен углу естественного откоса.
Вторая стадия формирования тела волочения образовывается, при его перемещении скребком (рис. 1, в). При этом, согласно [2], перед скребком в зоне выпора груза верх (на рисунке эта зона ограничена пунктирной линией) формируется уплотненное ядро
Рис. 2. Варианты сформированного в месте загрузки тела волочения: 1 - труба; 2 - впередиидущий скребок; 3 - перемещающий скребок; 4 -уплотненная зона; 5 - остаточная зона; 6 - зона неизв.
груза (на рисунке заштриховано). Вершина тела волочения сдвигается вперед, а на передний фронт тела волочения продолжается свободное насыпа-ние груза. Варианты формирования переднего фронта, показанные на рис. 1, а, б, остаются прежними.
Третья стадия формирования тела волочения начинается, когда впередиидущий скребок достигает передней кромки загрузочного отверстия (рис. 1, г). При этом фиксируется сформировавшийся ранее передний фронт тела волочения из двух, представленных на рис. 1, а, б, и продолжается продольное сжатие тела волочения скребком за счет значительно увеличивающихся сил трения груза на заднем фронте, который становится очень пологим.
На четвертой стадии формирования тела волочения его верхняя часть срезается и сдвигается назад кромкой трубы, в которую она входит под передней кромке загрузочного отверстия. При этом возрастает общая площадь контакта груза со стенками трубы, и как следствие суммарной силы трения. После полного вхождения тела волочения в трубу возможно формирование один из четырех вариантов представленных на (рис. 2).
Из-за действия значительных сил трения о стенки трубы угол наклона переднего фронта тела волочения может быть выше, чем угол естественного откоса груза [2].
Представленное на рис. 2, уплотненное ядро перед перемещающим скребком, заштриховано, и транспортируемый груз находится в непредельном состоянии, а система внутренних напряжений в нем (нормальных и касательных) статически не определима.
При вариантах (рис. 2, а, б) давления тела волочения на впередиидущий скребок нет. Вариант 2, б, г предполагает наличие остаточной зоны выпора, в которой груз не полностью заполнил поперечное сечение трубы (например, из-за высокого коэффициента внутреннего трения).
В остаточной зоне выпора груз находится в предельном состоянии, причем давление от веса груза здесь является пассивным. В остальной части тела волочения, не принадлежащей к уплотненному ядру или остаточной зоне выпора и обозначенной на рис. 2 цифрой 6, характер напряженного состояния неизвестен. Эта часть тела волочения может включать несколько зон с различными видами напряженного состояния (минимального, максимального, непредельного). При этом обычно, при расчетах скребковых конвейеров считают напряженное состояние груза на переднем фронте тела волочения предельным, причем на горизонтальном участке конвейера давление от веса груза является активным, таким же, очевидно, можно считать и напряженное состояние груза на поверхности контакта тела волочения с впередиидущим скребком.
При этом рис. 2, а соответствует очень низкому значению коэффициента использования приемной способности конвейера, а рис. 2, в - наоборот, значению этого коэффициента, близкому к единице. В связи с этим установить, какой вариант тела волочения образуется при конкретных значениях производительности и скорости движения конвейера, можно исходя из коэффициента заполнения трубы конвейера и среднего угла откоса материала, принятого с учетом некоторого его увеличения под действием продольного сжатия силами трения, а также скатывающими силами на наклонных участках. При этом объемом пустоты над остаточной зоной выпора (рис. 2, б, г) можно пренебречь, поэтому расчетный коэффициент заполнения сечения считают близким к единице.
Результаты выполненного анализа процесса формирования тела волочения при загрузке трубчатого скребкового конвейера
позволяют построить расчетную схему равновесия сил, действующих на тело волочения в целом. Согласно работе [1], различают два вида предельного равновесия сыпучего тела: предельное равновесие тела в целом и предельное состояние в точках сыпучей среды, из которой состоит это тело. Поскольку тело волочения в трубчатом скребковом конвейере после своего формирования в месте загрузки движется относительно трубы по всей поверхности контакта с ней, оно находится в предельном равновесии.
Результаты выполненного анализа процесса формирования тела волочения при загрузке трубчатого скребкового конвейера позволяют построить расчетную схему равновесия сил, действующих на тело волочения в целом. Согласно работе [1], различают два вида предельного равновесия сыпучего тела: предельное равновесие тела в целом и предельное состояние в точках сыпучей среды, из которой состоит это тело. Поскольку тело волочения в трубчатом скребковом конвейере после своего формирования в месте загрузки движется относительно трубы по всей поверхности контакта с ней, оно находится в предельном равновесии
Если рассматривать общий случай наклонного участка конвейера, то в продольном направлении на тело волочения действуют, с одной стороны, силы трения скребка о трубу Ртр , скатывающая сила рск, образованная проекцией веса тела волочения на продольную ось трубы, и сила реакции рвс на пассивное давление груза со стороны впередиидущего скребка. С другой стороны - сила активного давления РПС со стороны перемещающего скребка (силы сцепления груза с тяговой цепью пока не рассматриваем) (рис. 3, а). В плоскости поперечного сечения трубы конвейера на тело волочения действуют нормальная проекция силы его собственного веса Рн и распределенные по периметру трубы силы ее реакции д на давление груза (рис. 3, б).
Поскольку форму тела волочения на прямолинейном участке конвейера (как горизонтальном, так и наклонном) можно считать неизменной, движение частиц груза
Рис. 3. Расчетная схема предельного равновесия тела волочения: а - в продольном направлении; б - в плоскости поперечного сечения; 1 -труба; 2 - впередиидущий скребок; 3 - перемещающий скребок; 4 - передний фронт тела волочения
относительно трубы имеет место только вдоль оси трубы (конвейера).
С учетом этого, и силы трения груза о трубу направлены строго вдоль оси конвейера, а их проекции на плоскость поперечного сечения трубы и тела волочения равна нулю, поэтому в поперечном сечении на границах тела волочения могут иметь место только силы нормального к ним давления. В этом существенное отличие рассматриваемой нами задачи от задачи равновесия слоя груза на ленте глубокой желобчатости крутонаклонного ленточного конвейера. Если в работах [3, 4] отсутствие окружных сил трения являлось приближенным условием равновесия, то в рассматриваемой нами задаче оно является точным.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зенков Р.Л. Механика насыпных грузов. -М.: Машиностроение, 1964.-256с.
2. Эйдерман Б.А. Закономерности формирования грузопотока и энергозатрат на скребковых конвейерах. - М.: Наука, 1984. - 133 с.
3. Шешко Е.Е., Гущин В.М. Крутонаклонный конвейер с лентой имеющей форму глубокого жёлоба. Сборник «Развитие и совершенствование
шахтного и карьерного транспорта». - М.: Недра. 1973. - С. 120-125.
4. Шешко Е.Е., Курятников А.В. Устойчивость слоев внутри насыпного груза на крутонаклонном конвейере с прижимными элементами. Сборник «Шахтный и карьерный транспорт», вып. 6. - М.: - Недра. 1980. - С. 111-115.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------
Галкин В.И. - профессор, доктор технических наук,
Громов С.В. - аспирант,
кафедра «Горная механика и транспорт», Московский государственный горный университет.
