CC BY
0д.т.н. Корнеев С. В., к.т.н. Доброногова В. Ю., Захаров О. В.
(ДонГТИ, г. Алчевск, ЛНР)
НАГРУЗКИ В ШАРНИРНОМ МЕХАНИЧЕСКОМ СОЕДИНЕНИИ ТИПА «ФЛЕКСКО» РЕЗИНОТКАНЕВЫХ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ
Приводятся результаты компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS Workbench напряженно-деформированного состояния шарнирных механических стыков типа «Флекско» резинотканевых конвейерных лент при прохождении ими обводного барабана. Для типичных условий эксплуатации установлены коэффициенты концентрации напряжений и запасы прочности в элементах механического стыка.
Ключевые слова: конвейерная лента, шарнирное механическое соединение, моделирование, напряженно-деформированное состояние, концентратор напряжений, запас прочности.
УДК 621.876.212
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Конвейерные ленты участковых шахтных конвейеров, как правило, соединяются встык механическим способом: заклепками внахлестку, проволочными или П-образными скобами, а также пластинами в сочетании с болтами или заклепками. Наиболее совершенными являются заклепочные пластинчатые (Rivet Solid Plate) и болтовые пластинчатые (Bolt Solid Plate) соединения типа «Флекско» (рис. 1). В механических стыках равномерно распределенная нагрузка в ленте сосредотачивается в болтовых или заклепочных соединениях. Прочность ленты, ослабленной сквозными отверстиями под болт или заклепку, которые к тому же являются концентраторами напряжений, остается крайне низкой, причем механизм ее разрушения под нагрузкой изучен недостаточно. Вместе с тем в отраслевых стандартах обозначен нижний допустимый предел прочности механического стыка — 60 % от прочности целой ленты [1]. В работе [2] обосновывается компьютерная модель и получены некоторые результаты исследования напряженно-деформированного состояния механических стыков ленты на участках трассы, где она выполаживается. Аналогичная модель [3] разработана для исследования изогнутой на обводном бара-
бане резинотканевой конвейерной ленты с неразъемным механическим соединением. Изгибные нагрузки составляют 5 % от растягивающих нагрузок. Установлены расчетные коэффициенты концентрации напряжений и запасы прочности ленты в зоне стыка. Коэффициент концентрации ленты с неразъемным механическим соединением равен 1,3. Запасы прочности ленты в зоне стыка по основе составляют 6, а по утку, соответственно, 6,6, что не превышает нормативного запаса прочности [1]. Результаты исследования указывают на недостатки неразъемных соединений. В частности, при достаточно длинных соединительных пластинах вследствие перекоса болтов в отверстиях в ленте возникают дополнительные области напряжения, что снижает запас прочности стыка. С этой точки зрения, и не только, менее жесткой представляется конструкция разъемных (шарнирных) механических соединений, позволяющих снизить изгибные нагрузки на конвейерную ленту и пластины, увеличить запасы прочности. Однако в количественном плане поведение шарнирных стыков на приводных и различного рода обводных барабанах и их преимущества остаются недостаточно исследованными. Также очевидно, что есть необходимость в определении оптимального сочетания гео-
метрических параметров соединения, таких как диаметр болта (заклепки), шаг и схема (однорядная, двухрядная, шахматная и т. д.) установки соединительных элементов, при которых достигаются наибольшие прочность и долговечность стыка.
Целью работы является адаптация разработанного в работах [2, 3] метода компьютерного исследования с применением программного комплекса ANSYS Workbench напряженно-деформированного состояния механических соединений резинотканевых конвейерных лент для шарнирных соединений типа «Флекско» и установление коэффициентов концентрации напряжений и запасов прочности ленты в области стыка для случая прохождения им обводных барабанов.
Изложение материала и результатов исследования. В программном комплексе ANSYS Workbench разработана модель ленты с шарнирным механическим соединением (МС) на обводном барабане (рис. 2). В процессе моделирования к
Рисунок 2 Геометрическая модель обводного барабана и ленты с шарнирным механическим соединением
концам ленты будет приложена изгибающая и растягивающая нагрузка, в результате которой лента изогнется вокруг обводного барабана.
а
1 — конвейерные ленты; 2 — металлические пластины; 3 — гайки; 4 — болты; 5 — заклепки; 6 — тросик
Рисунок 1 Конструкция разъемного (а) и неразъемного (б) механических соединений конвейерных лент типа «Флекско»
При построении модели принимаются следующие положения:
1) резинотканевая лента — слоистая композиция из упругих ортотропных тканевых прокладок, изотропных резиновых прослоек и обкладок;
2) барабан и элементы механического соединения — абсолютно твердые тела;
3) с целью сокращения продолжительности компьютерного моделирования фрагмент стыка представляется в виде двух продольных отрезков ленты шириной 0,2 м, соединенных между собой тремя П-образными скобами и пропущенным через них металлическим тросиком;
4) на свободные концы ленты действует равномерно распределенная по ширине ленты изгибающая сила S, направленная вдоль оси конвейера.
В ANSYS Workbench приняты следующие допущения:
1) элементы системы «лента — барабан» моделируются объемными трехмерными конечными элементами (КЭ) в виде призм и тетраэдров;
2) между КЭ прокладок и КЭ окружающих их прослоек и обкладок осуществляется связь типа Bonded;
3) между поверхностями нижней обкладки и барабана, металлическими пластинами механического соединения и обкладками ленты, внутренней поверхностью пластин и тросом принимается контакт типа Frictional;
4) резиновые обкладки и прослойки ленты представляются в виде двухпара-метрической модели Муни — Ривлина, которая обычно используется для описания гиперупругих материалов. Модель определяется материальными коэффициентами C10 и C0i в зависимости «напряжение — деформация». Значения коэффициентов, полученные расчетным путем на основании известных экспериментальных зависимостей «нагрузка — деформация»: Cio = 0,66 МПа, Coi = 0,324 МПа [4].
При моделировании принимаются следующие исходные данные: ширина отрезков
ленты ЕР800/4 — 0,2 м, число прокладок n = 4, обкладочная резина класса А; изгибающее усилие, действующее на отрезок ленты вдоль оси конвейера на первом этапе нагружения, — 10 Н; растягивающее усилие S, прикладываемое к концам отрезка ленты по окончании изгиба, — 15 кН (~10 % от прочности отрезка ленты); параметры тканевой прокладки ленты: модули упругости по осям х, y и z: Ех = 1,45108 Па,
7 7
Еу=6 10 Па, Ez = 6 10 Па; модули сдвига по осям х, y и z: Gx=2,8510 Па, Gy=Gz = 1,14-108 Па; коэффициенты Пуассона: для тканевой прокладки по основе ^г о = 0,275 и по утку ^ у=0,135, для резины — = 0,4; прочность тканевых прокладок по основе [а]х и по утку [o]y равна соответственно 166,7 и 45,8 МПа; толщина тканевых прокладок 5п = 1,2 мм; толщина резиновых прослоек (сквиджей) 5с = 0,5 мм; диаметр барабана D = 500 мм.
Тип исследуемых шарнирных МС — Flexco Bolt Solid Pkte. Диаметр стержней d и шаг их установки l принимаются равными соответственно 11 и 50 мм.
Моделирование проходит в два этапа: на первом этапе к концам ленты прикладывается изгибающая сила; на втором этапе по окончании изгиба к ленте прикладывается растягивающее усилие. Такой подход позволяет избежать значительной динамики процесса деформирования модели, получить данные отдельно при изгибе ленты и при ее изгибе с растяжением, а также установить соотношение между этими составляющими. В результате моделирования на каждом этапе определялись нормальные и касательные напряжения на площадках, нормальных к осям х, y и z локальной системы координат.
На рисунке 3 отражено положение ленты после первого этапа моделирования. На рисунке 4 показано распределение нормальных напряжений ох в прокладках ленты вокруг центрального отверстия, полученных при изгибе. В прокладках наблюдаются зоны растяжения (ох>0) и сжатия (ох<0). Наибольшему напряжению при изгибе подвер-
Машиностроение и машиноведение
гается верхняя прокладка, наибольшие на- свою очередь при изгибе ленты на обводном
пряжения растяжения ох изг возникают на барабане подвергается сжатию. При давле-
поверхности отверстия и достигают нии стержня на тканевые прокладки в них
0,79 МПа (в неразъемном МС это значение образуется зона сжатия, максимальное на-
составляет 1,03 МПа). Нижняя прокладка в пряжение в этой зоне достигает -0,54 МПа.
Рисунок 3 Положение ленты с разъемным (шарнирным) соединением, изогнутой на обводном барабане
Рисунок 4 Распределение напряжений ох (МПа) в прокладках ленты вокруг центрального отверстия при изгибе на обводном барабане
Машиностроение и машиноведение
На рисунке 5 отображена аналогичная картина распределения напряжений оу вокруг центрального отверстия. Максимальное значение напряжения оу изг в области растяжения составляет 0,15 МПа (в неразъемном МС, соответственно, 0,4 МПа). При чистом изгибе ленты на обводном барабане с использованием разъемного (шарнирного) соединения изгибные напряжения примерно в 1,5 раза меньше аналогичных напряжений, полученных при использовании П-образных неразъемных механических соединений [3]. Уменьшение изгибных напряжений объясняется тем, что конструкция разъемного МС с более короткими пластинами, соединенными шарнирами, позволяет существенно уменьшить перекосы болтов относительно оси отверстий в ленте.
На рисунках 6 и 7 показаны результаты второго этапа моделирования — растяжения изогнутой на обводном барабане ленты со стыком под воздействием приложенной к концам ленты и распределенной по ее ширине силы, равной 15 кН. Максимальные напряжения ох тах (см. рис. 6), равные 21,36 МПа, наблюдаются на поверхности отверстия в верхней прокладке (в неразъемном МС, соответственно, 24,7 МПа).
Для определения наибольшего напряжения ох раст от растяжения по основе, при условии соблюдения принципа суперпозиции усилий, необходимо из максимального
суммарного напряжения ox max, полученного на втором этапе нагружения, вычесть изгибные напряжения ox изг, полученные на первом этапе моделирования
^х раст _ ^х max _ ^х изг. (1)
В рассматриваемом случае при cx max = 21,36 МПа и ох изг = 0,75 МПа получается ox раст = 20,61 МПа.
Составляющая напряжения от изгиба ленты по основе составляет 3,5 % от суммарной нагрузки (изгиб с растяжением), что в данном случае позволяет пренебречь изгибными нагрузками по основе.
Коэффициент концентрации напряжений в верхней прокладке
kx оx max /оx р ,
(2)
где ох р — расчетное нормальное напряжение в сечении прокладки плоскостью yz, проходящей через оси отверстий. Расчетное нормальное напряжение
S
ох р =■
5пn(B - 3d)
- + о.
(3)
где т — число болтов (заклепок) в рассматриваемом сечении ленты. В данном случае ^ = 1,1. Фактический коэффициент запаса прочности прокладки по основе
= [°L /кхохр = 166,7/1,1-19,7 = 7,6. (4)
Рисунок 5 Распределение напряжений оу (МПа) в прокладках ленты вокруг центрального отверстия при изгибе на обводном барабане
Машиностроение и машиноведение
Рисунок 6 Распределение напряжений ох (МПа) в прокладках ленты вокруг центрального отверстия при изгибе и растягивающей нагрузке на обводном барабане
Рисунок 7 Распределение напряжений оу (МПа) в прокладках ленты вокруг центрального отверстия при изгибе и растягивающей нагрузке на обводном барабане
Полученный запас прочности по основе разъемного МС в 1,2 раза больше, чем в случае неразъемного МС (пх = 6) [3]. Запас прочности разъемного МС, впрочем, как и неразъемного, не превышает нормативного запаса прочности МС пн.мс, который должен составлять не менее 60 % нормативного запаса прочности ленты пн (обычно пн равно 8.. .10), т. е. пн.мс = 5...6.
Напряжение от растяжения по утку определяется аналогичным образом
ау раст _ ау тах — ау изг, (5)
ау раст = 5,7 - 0,15 = 5,55 МПа.
Составляющая напряжения от изгиба ленты по утку составляет 2,6 % от суммарной нагрузки (изгиб вместе с растяже-
нием), что также позволяет пренебречь из-гибными нагрузками по утку.
Фактический коэффициент запаса прочности прокладки по утку
Пу =Иу / а у тах = 45,8/5,7 = 8. (6)
Выводы и направления дальнейших исследований. В типичных условиях эксплуатации изгибные напряжения по основе и по утку, полученные в случае применения шарнирных механических соединений типа «Флекско», составляют 3,5 % и 2,6 % от суммарной нагрузки при изгибе и растяжении, что в 1,5 раза меньше по сравнению с аналогичными напряжениями, полученными в случае неразъемных механических соединений. В случае шарнирного соединения напряжения при изгибе соизмеримы с погрешностями моде-
лирования, поэтому при расчетах напряженно-деформированного состояния элементов стыка ими можно пренебрегать.
Коэффициент концентрации напряжений по основе верхней прокладки конвейерной ленты, полученный при ее растяжении и изгибе на обводных барабанах, в случае применения болтовых шарнирных механических соединений типа «Флекско» составляет 1,1, что на 18 % меньше, чем в случае применения неразъемных соединений того же типа. Коэффициент запаса прочности верхней прокладки по основе в случае шарнирного механического соединения равен 7,6, тогда как в случае неразъ-
Библиографический список
емного соединения — минимально допустимому значению 6. Таким образом, применение шарнирных механических соединений является предпочтительным не только с позиций технологичности процесса монтажа-демонтажа стыка, но и с точки зрения обеспечения необходимых запасов прочности.
В дальнейшем предполагается проведение аналогичных исследований напряженно-деформированного состояния в элементах механического соединения при прохождении им приводных барабанов и оптимизация геометрических параметров стыка для повышения запасов прочности его элементов.
1. ДСТУ 10124183643.001-2003. Змикання та ремонт гумовотканевих конвеерних стргчок розтмними з'еднувачами. Вимоги до технологи виконання [Текст]. — Чинний в1д 2003-10-14. — Кигв : Мтпаливенерго Украгни, 2003. — 46 с.
2. Моделирование напряженно-деформированного состояния механических стыков конвейерных лент [Текст] / С. В. Корнеев, В. Ю. Доброногова, В. П. Долгих, О. В. Захаров // Сб. научн. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ», 2018. — Вып. 54. — С. 101-109.
3. Моделирование с применением ANSYS Workbench напряженно-деформированного состояния резинотканевой конвейерной ленты с механическим стыком при изгибе на обводных барабанах [Текст] / С. В. Корнеев, В. Ю. Доброногова, В. П. Долгих, О. В. Захаров // Сб. научн. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2020. — Вып. 61. — С. 101-109.
4. Корнеев, С. В. Коэффициенты модели Муни — Ривлина в пакете программ ANSYS Workbench, полученные для обкладочной резины шахтных конвейерных лент [Текст] / С. В. Корнеев, В. П. Долгих // Сб. научн. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2014. — Вып. 42. — С. 45-49.
© Корнеев С. В. © Доброногова В. Ю. © Захаров О. В.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТИ Леоновым А. А., к.т.н., доц., зав. каф. ЭиТС СИПИМЛНУ им. В. Даля Петровым А. Г.
Статья поступила в редакцию 26.11.2020.
Doctor of Technical Sciences Korneev S. V., PhD in Engineering Dobronogova V. Yu., Zakharov O. V. (DonSTI, Alchevsk, LPR)
LOADS IN "FLEXCO" TYPE SWIVEL MECHANICAL JOINT OF FABRIC-PLY CONVEYOR BELTS
There have been given the results of computer simulation in the ANSYS Workbench software of stress-strain state of "Flexco" type swivel mechanical joints of fabric-ply conveyor belts when they pass the bend pulley. For typical operating conditions, stress concentration factors and strength reserves in mechanical joint elements are established.
Key words: conveyor belt, swivel mechanical joint, modeling, stress-strain state, stress concentrator, strength margin.
