CC BY
1д.т.н. Корнеев С. В., к.т.н. Доброногова В. Ю., Долгих В. П., Захаров О. В.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СТЫКОВ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ
Приводится модель и результаты моделирования напряжённо-деформированного состояния механического стыка конвейерных лент в программном комплексе ANSYS Workbench. В процессе моделирования устанавливаются характеристики напряжённо-деформированного состояния механического стыка, а именно: компоненты тензора, главные напряжения, направляющие косинусы, коэффициенты концентрации напряжений и фактические запасы прочности конструктивных элементов.
Ключевые слова: конвейерная лента, механический стык, напряжённо-деформированное состояние, моделирование, ANSYS Workbench.
Машиностроение и машиноведение
УДК 621.876.212
Проблема и её связь с научными и практическими задачами. Конвейерные ленты с резинотканевым каркасом соединяют механическим способом или вулканизацией в соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей, руководствами по стыковке лент и отраслевыми стандартами по эксплуатации ленточных конвейеров [1, 2, 3, 4].
Для конвейеров, расположенных в участковых горных выработках угольных шахт, особенно в выработках, прилегающих к очистным и подготовительным забоям, характерно периодическое сокращение или наращивание става. Это приводит к частым перемонтажам стыков ленты для изменения длины конвейера; для телескопических конвейеров обычно — на 40...50 м. В этих условиях стыки, как правило, выполняются механическим способом. К преимуществам механических стыков, если сравнивать их со стыками, выполненными холодной или горячей вулканизацией, прежде всего, следует отнести простоту стыковки при малых затратах времени: до 2.4 часов на один стык. Кроме того, механические соединения рекомендуются при непродолжительной работе ленточного конвейера на одном рабочем месте, при отсутствии необходимых для
вулканизации материалов и оборудования, а также в тех случаях, когда вулканизация стыков затруднена или нецелесообразна по причине пылевого или газового режима работы конвейера [3].
Соединение лент механическим способом осуществляется заклёпками, П-образными и крючкообразными скобами. В мировой практике наибольшее распространение получили шарнирные соединения скобами «Штальгру-бер», «Мато» (Германия), «Флекско» (США).
Для стыковки конвейерных лент, например в Кузбассе, применяются заклёпочные шарнирные механические соединения «Флекско» типоразмеров R51^, R6/RAR6, R8/RAR8. Средний срок службы механического стыка на шахтах Кузбасса составляет 2.6 месяцев, а максимальный — 14.15 месяцев [5].
Стандартом на соединение пластинчатыми или проволочными скобами и ремонт резинотканевых лент шириной 800, 1000, 1200 мм с агрегатной прочностью не более 1000 Н/мм и толщиной 7.13 мм предусмотрено отношение прочности соединения к прочности ленты не менее 60 % и срок службы не менее 5 месяцев [6].
Опыт эксплуатации показывает, что относительные прочность и долговечность
Машиностроение и машиноведение
механических стыков в среднем составляют: для заклёпочных соединений соответственно 39 % и 13 %; для стыков с крючкообразными скобами — 51 % и 19 %; с П-образными скобами — 77 % и 35 %. В результате применения на шахтах Кузбасса и Воркуты соединений типа «Флекско», например, установлено, что их прочность на резинотканевых многослойных лентах достигает 60 %, а на лентах с цельнотка-ным каркасом — 75 % от прочности ленты.
Анализ конструктивных особенностей и опыт эксплуатации также указывают на ряд недостатков механических стыков, таких как: малый срок службы — 2...5 месяцев; большие эксплуатационные расходы на подстыковку и перемонтаж стыков; повышенная динамика при их взаимодействии с элементами конвейера и, как результат, снижение срока службы и износ обечайки барабанов и роликов. При некачественном стыке и образовании в ряде случаев волнистой кромки ленты или деформациях скоб возможно образование зазоров между концами ленты, а затем — просыпи транспортируемого груза и засорение подконвейерного пространства, что приводит к заштыбовке роликов става и увеличению сопротивления движению ленты.
Большой разброс устанавливаемых опытным путём значений прочности и долговечности механических стыков указывает на скрытые возможности их совершенствования применительно к условиям эксплуатации. Вместе с тем в настоящее время при значительной потребности соединений конвейерных лент механическим способом и необходимости повышения прочности и долговечности механических стыков отсутствуют теоретические исследования и методики расчёта напряжённо-деформированного состояния (НДС) и оптимизации параметров их конструктивных элементов.
Постановка задачи. Задачей работы является разработка модели механического соединения резинотканевых конвейерных лент для исследования статического напряжённо-деформированного состояния элементов стыка.
Изложение материала и его результаты. Задача исследования решается в результате моделирования с использованием программного комплекса ANSYS Workbench [7]. В процессе моделирования устанавливаются характеристики НДС механического стыка, а именно: компоненты тензора, главные напряжения, направляющие косинусы, коэффициенты концентрации напряжений и фактические запасы прочности конструктивных элементов.
Применение ANSYS Workbench, основывающегося на методе конечных элементов (КЭ), позволяет при достаточно глубокой детализации элементов стыка и значительном объёме информации об их геометрических параметрах и физико-механических свойствах максимально приблизить модель механического соединения к реальному объекту и рассчитывать сложные НДС элементов стыка. Данная работа является первым этапом планируемых обширных исследований механических соединений лент. Рассматривается плоская задача исследования НДС, что, впрочем, отвечает реальным участкам ленты, которая при прохождении тягового контура выполаживается перед различного рода барабанами и после них.
При составлении модели механического стыка принимаются следующие допущения:
1) основным конструктивным элементом любой соединительной скобы или заклёпки является взаимодействующий непосредственно с лентой абсолютно жёсткий цилиндрический стержень;
2) лента ввиду симметрии стыка относительно поперечной оси шарниров на начальном этапе исследований представляется в виде одного плоского отрезка с рядом отверстий, в которых расположены фиксируемые в продольном направлении и способные перемещаться вместе с лентой в поперечном направлении нормальные к поверхности ленты цилиндрические стержни скоб;
3) лента является слоистой композицией из упругих тканевых прокладок, представляемых в виде ортотропного материа-
ISSN2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 11 (54)
_Машиностроение и машиноведение_
ла, и изотропных резиновых прослоек и обкладок;
4) на свободный конец ленты действует равномерно распределяемое между прокладками и по ширине ленты растягивающее усилие S.
Расчётная схема механического стыка как системы, состоящей из набора конструктивных элементов ленты и соединительных скоб, представлена на рисунке 1.
В качестве исходных данных принимаются геометрические параметры и физико-механические свойства конструктивных элементов механического соединения ленты. Для оценки её технического состояния под воздействием растягивающей нагрузки также принимаются во внимание прочностные свойства прокладки — разрывные нормальные напряжения [о]^ и [о]^ соответственно в продольном (по основе) и поперечном (по утку) направлениях. Моделирование стыка проводится поэтапно согласно структурной схеме, приведённой на рисунке 2.
Вначале в блоке Engineering Data из набора типовых моделей выбираются модели, наилучшим образом отражающие определённые физико-механические свойства структурных элементов механического стыка.
Резиновые обкладки и прослойки ленты представляются в виде двухпараметриче-ской модели Муни - Ривлина, которая обычно используется для описания гиперупругих материалов. Модель определяется коэффициентами Сю и Coi в зависимости «напряжение - деформация». Значения коэффициентов получены расчётным путём [8] на основании известных экспериментальных зависимостей «нагрузка - деформация». Установлено: Cio=0,66 МПа, Coi=0,324 МПа.
Построение трёхмерной геометрической модели механического стыка реализуется в модуле Design Modeler (блок Geometry).
После нанесения конечно-элементной сетки (блок Model) задаются параметры контактного взаимодействия элементов и внешние воздействия на систему.
Рисунок 1 Расчётная схема механического соединения конвейерной ленты
▼ A
1 143
2 0 Engineering Data
3 (¡fi) Geometry
4 # Model
5 ($1 Setup
6 (¿¿j Solution
7 ^ Results
Explicit Dynamics
Рисунок 2 Структурная схема моделирования в ANSYS Workbench механического соединения ленты
Геометрическая модель механического стыка и нанесённая на неё конечно-элементная сетка отражены на рисунках 3 и 4. Оси координат x, y и z направлены, соответственно, вдоль (по основе), поперёк ленты (по утку) и по нормали к её поверхности. Задается минимальное значение шага сетки. В процессе моделирования шаг сетки, обеспечивающий заданную точность расчётов, может увеличиваться программой автоматически.
Для имитации натяжения ленты к её торцу прикрепляется абсолютно жёсткая планка, к центру которой приложена растягивающая сила S, равномерно распределяющаяся между прокладками и по ширине ленты. Также следует отметить возможность свободного перемещения по оси y вместе с лентой стержней, что отвечает реальной работе стыка.
Машиностроение и машиноведение
Рисунок 4 Конечно-элементная сетка модели механического стыка ленты
Процесс моделирования завершается при достижении установившегося напряжённо-деформированного состояния (НДС) ленты.
В качестве примера произведено моделирование НДС механического стыка четы-рёхпрокладочной резинотканевой конвейерной ленты 800 ЕР-800/4-5+2 фирмы «Phoenix» (Германия) П-образными скобами.
Исходные данные: обкладочная резина класса А; ширина ленты — 0,8 м; натяжение ленты в направлении оси х — 10 кН; параметры тканевой прокладки ленты: модули упругости по осям х, y и z — Ех=3 108 Па,
7 8
Еу=610 Па, Ez=5 10 Па, модули сдвига по осям х, y и z — Gx=2,85 108 Па, Gy=Gz=1,14 108 Па [9]; коэффициент Пуассона для тканевой прокладки: по основе — ^г о=0,275, по утку — ^г у=0,135, для рези-
ны — др=0,4; прочность тканевых прокладок по основе [о]х и по утку [о]у равна 166,7 и 45,8 МПа соответственно; толщина тканевых прокладок 5п=1,2 мм; толщина резиновых прослоек (сквиджей) 5с=0,5 мм. Диаметр d и шаг установки I стержней принимаются равными 11 и 50 мм соответственно. Стержни устанавливаются в один ряд.
В результате моделирования определены нормальные и касательные напряжения на площадках, нормальных к осям х и у, главные о1, о2 и о3.
На рисунках 5 и 6 отражено распределение нормальных напряжений ох в прокладках ленты вокруг отверстия. В прокладках наблюдаются области растяжения (ох>0) и сжатия (ох<0). Все прокладки
Машиностроение и машиноведение
нагружаются с определённой регулярностью и практически одинаково.
Максимальные напряжения растяжения прокладок ох тах возникают на поверхностях отверстий в плоскости, проходящей через оси отверстий, и достигают 15,01 МПа. При этом коэффициент концентрации напряжений
^х = О х тах / О х ср , (1)
где ох ср — среднее нормальное напряжение в сечении прокладки плоскостью уг, проходящей через оси отверстий. В данном случае Лх=4,7.
Фактический коэффициент запаса прочности прокладки по основе в этом же сечении
пх = [с]х / К ° хер = (2)
= 166,7/4,7 • 2,6 = 13,6.
Рисунок 5 Распределение нормальных напряжений ох в прокладках ленты 800 ЕР-800/4-5+2
(сечение в плоскости ху)
2,500 7.500
Рисунок 6 Распределение нормальных напряжений ох в прокладках ленты 800 ЕР-800/4-5+2
вокруг отверстия (сечение в плоскости уг)
Машиностроение и машиноведение
В рассматриваемом примере запас прочности превышает его нормативные значения пн (обычно пн=8...10). При изменении натяжения S или параметров стыка ситуация может измениться, что в случае пх<пн может привести к разрыву ленты по основе.
Для большей наглядности на рисунке 7 приводится распределение напряжений ох в одной из прокладок в виде диаграммы с указанием зон растяжения и сжатия.
На рисунках 8 и 9 отражена аналогичная картина распределения напряжений oy в прокладке ленты по утку. Максимальное значение напряжения oy max в области растяжения составляет 4,2 МПа.
Фактический коэффициент запаса прочности прокладки по утку в этом же сечении
Пу = My/Oy тах = 45,8/4,2 = 10,9. (3)
Анализ результатов моделирования:
1) наблюдается практически регулярное распределение нагрузок ох в поперечных сечениях ленты, что позволяет ограничиться
анализом НДС участка ленты, расположенного между осями двух смежных стержней;
2) нагрузка распределяется равномерно между прокладками, что указывает на возможность рассмотрения НДС одной прокладки;
3) максимальные нагрузки растяжения в прокладках в продольном направлении возникают между стержнями на поверхности отверстий, которые в данном случае являются концентраторами напряжений, максимальные нагрузки в поперечном направлении — на поверхности отверстий, обращённой к кромке стыка;
4) при заданной нагрузке расчётные значения запасов прочности превышают нормативные значения, т. е. нагрузки удовлетворяют условиям прочности стыка;
5) разработанная модель механического соединения ленты позволяет провести дальнейшие исследования НДС при различных значениях геометрических параметров стыка (диаметра и шага установки стержня, числа рядов стержней и т. д.) для их оптимизации.
Рисунок 7 Фрагмент диаграммы распределения нормальных напряжений ах в прокладке ленты 800 ЕР-800/4-5+2
Машиностроение и машиноведение
а
y
Рисунок 8 Распределение нормальных напряжений <у в прокладке ленты 800 ЕР-800/4-5+2
вокруг отверстия (сечение в плоскости ху)
Рисунок 9 Распределение нормальных напряжений <у в прокладке ленты 800 ЕР-800/4-5+2
вокруг отверстия (сечение в плоскости хг)
Машиностроение и машиноведение
Выводы и направления дальнейших исследований. Разработана компьютерная модель механического соединения резинотканевых конвейерных лент с применением программного комплекса ANSYS Workbench, позволяющая проводить исследования напряжённо-деформированного состояния элементов конвейерной ленты
Библиографический список
при всём многообразии их геометрических параметров, физико-механических свойств ленты и внешних воздействий. Предполагается адаптация модели для исследования напряжённо-деформированного состояния стыка на криволинейных поверхностях барабанов и определения зависимостей напряжения ленты от параметров стыка.
1. Правила технической эксплуатации ленточных конвейеров на предприятиях чёрной металлургии [Текст]. — М. : Металлургия, 1987. — 104 с.
2. ДСТУ 10124183643.001-2003. Змикання та ремонт гумовотканевих конвеерних стр1чок розммними з'еднувачами. Вимоги до технологи виконання [Текст] : чинний в1д 2003-10-14. — Кигв : М1нпаливенерго Украгни, 2003. — 46 с.
3. Руководство по выбору и эксплуатации конвейерных лент ЗАО «Курскрезинотехника» [Текст ] / Под ред. Ю. А. Михайлова, Ю. А. Кондрашина. — [2-е изд., перераб. и доп.]. — М. : ЗАО «Курскрезинотехника», НПК «Трансбелт», 2004. — 132 с.
4. Скворцов, А. М. Совершенствование стыковки конвейерных лент [Текст] / А. М. Скворцов, Б. А. Кроль, В. В. Шконда // Шахтный и карьерный транспорт. — М. : Недра, 1983. — Вып. 8. — С. 26-30.
5. Кондрашов, Ю. А. Опыт эксплуатации механических соединений «Флекско» для стыковки конвейерных лент на угольных шахтах и промышленных предприятиях России [Текст] / Ю. А. Кондрашов, А. Н. Комраков, Вальтер Зюльцле, Рудольф Вебер и др. // Горная промышленность. — М. : Гемос Лимитед, 2002. — № 2. — С. 39-45.
6. Комраков, А. Н. Применение механических соединений для стыковки конвейерных лент на угольных шахтах и промышленных предприятиях России [Текст] / А. Н. Комраков,
A. Ю. Кондрашин, Р. Н. Николаев // Горный инженер : горный информационно-аналитический бюллетень.—М. : Горная книга, 2009. — № 10. — С. 44-55.
7. Бруяка, В. А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench [Текст] : учеб. пособ. / В. А. Бруяка,
B. Г. Фокин, Е. А. Солдусова. — Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2010. — 271 с.
8. Корнеев, С. В. Коэффициенты модели Муни - Ривлина в пакете программ ANSYS WORKBENCH, полученные для обкладочной резины шахтных конвейерных лент [Текст] /
C. В. Корнеев, В. П. Долгих // Сб. научн. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ИПЦ «Ладо», 2014. — Вып. 42. — С. 45-49.
9. Галкин, В. И. Влияние типов и характеристик лент на эксплуатационные параметры специальных ленточных конвейеров [Текст] / В. И. Галкин, Е. Е. Шешко, Е. С. Сазанкова // Горный журнал. — М. : Издательский дом «Руда и металлы», 2015. — № 8. — С. 88-91.
© Корнеев С. В. © Доброногова В. Ю. © Долгих В. П. © Захаров О. В.
Рекомендована к печати к.т.н., проф. каф. ММК ДонГТУ Ульяницким В. Н., к.т.н., доц., и. о. зав. каф. ГЭиТС СУНИГОТЛНУ им. Даля Петровым А. Г.
Статья поступила в редакцию 17.09.18.
Машиностроение и машиноведение
д.т.н. Корнеев С. В., к.т.н. Доброногова В. Ю., Долгих В. П., Захаров О. В. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ МЕХАН1ЧНИХ СТИК1В
коивЕерних стр1чок
Наводиться модель i результати моделювання напружено-деформованого стану механичного стику конвеерних стрiчок в програмному комплекс ANSYS Workbench. В процес моделювання встановлюються характеристики напружено-деформованого стану мехатчного стику, а саме: компоненти тензора, головт напруження, напрямт косинуси, коефщенти концентрацИ на-пружень i фактичт запаси мiцностi конструктивних елементiв.
Ключовi слова: конвеерна стрiчка, мехатчний стик, напружено-деформований стан, моделювання, ANSYS Workbench.
Doctor of Tech. Sc. Korneiev S. V., PhD Dobronogova V. Yu., Dolgikh V. P., Zaharov O. V.
(SEIHPE "DonSTU", Alchevsk, LPR)
MODELING THE STRESS-STRAIN STATE OF MECHANICAL JOINTS OF CONVEYOR BELT
There have been given the model and the results of modeling the stress-strain state of mechanical joint of conveyor belt in software environment ANSYS Workbench. When modeling there has been determined the characteristics of stress-strain state of mechanical joint, namely: tensor components, principal stresses, directional cosines, stress concentration factor and real strength reserves of design elements. Key words: conveyor belt, mechanical joint, stress-strain state, modeling, ANSYS Workbench.
