CC BY
19
© С.Е. Блохин, Д.Л. Колосов,
Н.В. Матысина, H.H. Шило, 2013
УДК 531.391+539.4:622.673
С.Е. Блохин, Д.Л. Колосов, Н.В. Маты1сина, H.H. Шило
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПЛОСКОГО РЕЗИНОТРОСОВОГО ТЯГОВОГО ОРГАН В ПРИЦЕПНОМ УСТРОЙСТВЕ
Рассмотрены вопросы, связанные с особенностями конструкции прицепных устройств, приемлемых для плоских тяговых органов; получена математическая модель напряженного состояния резинотросового каната в прицепном устройстве. Ключевые слова: плоский резинотросовый канат, прицепное устройство, напряженно-деформированное состояние, математическая модель.
Ш Ш рицепные устройства обес-
Л Л печивают соединение каната, включая и головного, с сосудом шахтной подъемной установки. Такое функциональное назначение устройства, его расположение в единой системе подвески груза накладывает на прицепные устройства особые условия по его прочности и надежности. Проведенные ранее исследования [1] посвящены разработке новой математической модели и исследованию напряженно-деформированного состояния плоского резинотросового каната на барабане шахтной подъемной машины. Были установлены закономерности распределения напряжений в канате при его изгибе на ведущем шкиве трения, обоснованы конструктивные параметры оболочки канатов. Дальнейшие исследования напряженного состояния каната в прицепных устройствах необходимы для обоснования норм эксплуатации канатов.
Наиболее важными техническими характеристиками для расчета параметров и конструкций резинотросо-вых канатов для шахтных подъемных установок являются надежность и долговечность их эксплуатации, а также экономический эффект от вне-
дрения. Ниже рассмотрены вопросы, связанные с особенностями конструкции прицепных устройств, приемлемых для плоских тяговых органов, исследовано напряженное состояние резинотросового каната в прицепном устройстве шахтной подъемной машины, где имеют место значительные контактные и сдвиговые напряжения циклического характера и большие деформации резины.
Целью выполняемых исследований является разработка теории и метода расчета напряженного состояния плоского резинотросового каната в прицепном устройстве грузовых сосудов для повышения сроков эксплуатации канатов большой единичной длины.
Для подвески сосуда к плоскому тяговому органу в подъемных машинах могут использоваться различные по конструкции прицепные устройства. Рассмотрим схему запанцеровки [2] (рис. 1), в соответствии с которой канат огибает основной (нижний) и обводной (верхний) барабаны; между основным барабаном и канатом действует сила трения. Таким образом, усилие от каната к сосуду передается рабочей и нерабочей ветвями, а также силами трения по барабану.
Рис. 1. Устройство зашанаеровки плоского каната (со снятой боковой шта-стиной)
Рис. 2. Расчетная схема нагружения каната на барабане шриаешного устройства
Наличие силы трения уменьшает натяжение в нерабочей ветви каната, следовательно при этом требуется меньшее усилие прижатия нерабочей ветви каната к рабочей ветви. Указанная схема взаимодействия каната с барабаном обеспечивает превышение усилия в рабочей ветви над натяжением в холостой. И это условие в процессе эксплуатации подвесного устройства должно постоянно выполняться. С этой целью обводной барабан присоединен шарнирно, что обеспечивает уравновешивание натяжения нерабочей и рабочей ветвей, следовательно, усилие в нерабочей ветви будет меньшим, чем половина усилия в рабочей ветви каната. Величины напряжений будут зависеть от радиусов барабанов и усилий натяжения каната в местах их взаимодействия. Нагрузки, передаваемые канатом, при проектировании прицепных устройств, являются исходными данными. Следовательно, допустимое напряженное состояние каната следует формировать только диаметрами барабанов. С учетом изложенного, примем следующую схему нагружения ветвей каната на основном барабане (рис. 2). Введем цилиндрическую систему координат. Начало оси хпомес-тим в сечение начала контакта каната с барабаном, как показано на рисунке. При этом текущее значение х будет определяться радиусом барабана (увеличенным на толщину каната), умноженным на текущий угол.
Решение поставленной задачи осуществлялось с использованием методов компьютерного конечно-элементного моделирования в среде универсального пакета СОБМОБШогкз, интегрированного в СДЭ-систему БоМШогкэ [3]. На барабане вырезали дуговой участок каната, определяемый центральным углом 5-6 градусов. Диаметр основного барабана при
Рис. 3. Конечно-элементная модель плоского каната
проведении расчетов изменяли в широком диапазоне и исследовали на-пряженно-деформированое состояние резиновой матрицы. Таким образом, диаметр барабана проверялся на условие обеспечения прочности резиновой оболочки каната; толщина резиновой оболочки принималась также и из условия ее прочности.
Принимались следующие условия закрепления тросов и задания внешней нагрузки в соответствии с расчетной схемой:
— тросы с обоих концов ветвей каната нагружены усилиями, определяемыми в соответствии с уравнением Эйлера;
— на контакте лент приложена сила трения, которая определяется в зависимости от давления лент друг на друга;
— нижняя поверхность ленты на барабане закреплена следующим образом: радиальные и боковые перемещения предполагались
невозможными, при этом учитывались перемещения по барабану вдоль тросов;
— приложена внешняя сила, направленная по касательной к поверхности каната. Эта сила моделирует силы взаимодействия нижней ветви каната с барабаном.
Конечно-элементная модель такого взаимодействия и результаты математического моделирования представлены на рис. 3—4.
Рис. 4. График эквивалентных напряжений по Мизесу
Рис. 5. Зависимость усилия в ветвях каната между основным и обводным барабанами в прицепном устройстве р0 от толщины резиновой оболочки каната и длины контакта каната с барабаном, выраженных соответственно через п и 1
На основе анализа полученных результатов, было исследовано влияние толщины резиновой оболочки каната и радиуса основного барабана на усилия в ветвях каната на участках между основным и обводным барабанами прицепного устройства. При этом для получения результатов в общем виде, приняли следующие зависимости для толщины резиновой прослойки и длины контакта барабана и каната Ь
И=(п + 1) п = 0,1,2,3... и Ь = 10л(/+ 1), != 0,1,2,3...,
где (1, И- диаметр троса и расстояние между тросами в полученной двухслойной конструкции
Из графика (рис. 5) видно, что увеличение толщины каната существенно снижает усилия в тросах каната на рассматриваемом участке. Тогда как увеличение длины контакта при малых толщинах резиновой оболочки несущественно влияет на это
усилие. Максимальное натяжение практически не превышает 15 % от рабочего усилия Р. На такое усилие необходимо рассчитывать обводной барабан устройства запанцеровки при условии отсутствия скольжения каната по барабану и относительного скольжения слоев. Следовательно, интеграл сил трения по дуге контакта в общем случае равен 85-100 % Р. В случае условного минимального усилия сцепления между слоями возникает распределенная переменная на дуге контакта а сила трения
А = Р
Л (ак-аМак
2
с началом в сече-
нии начала дуги контакта каната с барабаном.
Из анализа можно сделать также ряд выводов. Так, дальняя от барабана ветвь каната характеризуется следующими особенностями нагружения: а) она нагружена только усилиями растяжения;
б в сечении а = 0 (в сечении набегания на барабан) она нагружена ¿<0-< К
усилием а = Р—2—, которое в зависимости от соотношения коэффициентов трения может быть и большим и меньшим 0,5Р;
в) в сечениях а > а к она нагружена усилием растяжения вдвое меньшим по сравнению с усилиями, определенными по закону Эйлера. Это обусловлено наличием обводного барабана в конструкции прицепного устройства, когда в обеих ветвях действуют равные усилия натяжения.
Нагружение ветви, дальней от барабана в сечении а = 0 существенно зависит от соотношения значений коэффициентов трения каната по поверхности его взаимодействия с барабаном <0 и ветвей каната при взаимодействии
Ро = Р1
Ро
2
П
Рис. 6. Зависимости внутренних усилий в ветвях каната при а = 0 от угла охвати а (т + 1) та барабана канатом ак --т — от
10
значения
(п+1)
коэффиаиента
трения
Рис. 7. Зависимость внутренних усилий в ветвях каната от угла охвата барабана канатом и значения коэффиаиента трения
соответственно. Зависимость внутренних усилий в ветвях каната от угла охвата барабана канатом и от значения коэффициента трения показаны на рис. 7. Графическая зависимость построена при коэффициенте трения 0,1 < / < 1 и угле изгиба на барабане 0,1п<ак < 1,5п. Из анализа графиков видно, что при значениях коэффициента трения / < 0,5 и ак <п
ветви каната нагружены силами растяжения, а усилия в ветвях каната в
/ -
10
: а) для ветви, ближней к ба- сечении а - ак не превы0ают 20 %
рабану, б) для ветви, удаленной от барабана
между собой 1 В ней может действовать усилие: а) сжатия, если
0-/ )ак > 2 ; б равное Р, при /0 - / ; в)
меньшее, чем Р, если / < / .
На основании полученных решений построены графики зависимости внутренних усилий в ветвях каната при/ = 0,6, а- 0и при а - ак . На
рис. 6, а и б показаны зависимости для нулевой и первой ветви каната,
рабочей нагрузки. Такой характер распределения сил сохраняется и при условии, когда /1 = 1, что имеет место в реальных конструкциях прицепных устройств.
Вы1воды1
Разработана конечно-элементная модель плоского обрезиненного каната, позволяющая определять его напряженно-деформированное состояние при взаимодействии с барабаном прицепного устройства в наиболее опасных точках сечения. Показано, что увеличение толщины каната суще-
а
б
ственно снижает усилия в тросах каната на рассматриваемом участке. Увеличение длины контакта при малых толщинах резиновой оболочки несущественно влияет на это усилие. Максимальное натяжение практически не превышает 15 % от рабочего усилия. Нагрузки в дальней от барабана ветви в сечении набегания на барабан существенно зависят от соотношения коэффициентов трения каната по барабану и каната по канату. В ней может возникать: а) сжатие,
если ¿/0 <)а'к > 2; б) усилие, равное Р, если / = /; в) меньшее, чем Р, если / < / . Отклоняющий барабан следует рассчитывать на прочность из условия его нагружения усилием, которое составляет 40 % рабочей нагрузки. Его диаметр следует выбирать из условия нагружения каната усилием, равном 20 % от рабочей нагрузки. Предпочтительно, чтобы коэффициент трения каната по барабану не был меньшим, чем этот же коэффициент для ветвей каната.
1. Колосов Д. Л. Конечно-элементная модель плоского резинотросового каната на ведущем шкиве трения // Научный вестник Национального горного университета. - Днепропетровск, 2007. - №2. -С. 58-60.
2. Патент Украины № 34230. Подвес-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ное устройство для плоского каната / Д.В. Колосов, С. И. Чеберячко, Д.Д. Колосов; опубл. 16.06.2003. Бюл. №6.
3. Алямовский A.A. SolidWorks / COS-MOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 432 с. К2Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Блохин Сергей Евгеньевич— доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, Колосов Дмитрий Леонидович— кандидат технических наук, доцент, gelikoid@mail.ru, Матысина Наталья Валентиновна — кандидат технических наук, доцент, Национальный горный университет, Украина,
Шидо Николай Николаевич — ведущий инженер канатно-испытательной станции ремонтно-механического завода, Криворожский железорудный комбинат, disp@krruda.dp.ua
ГОРНАЯ КНИГА
Обогащение углей. Том 1. Процессы и машины
В.М. Авдохин 2012 год 424 с.
ISBN: 978-5-98672-308-2, 978-5-98672-309-9 UDK: 622.7:622.33 (075.3)
Даны основные сведения о составе и свойствах ископаемых углей. Изложены теоретические основы процессов дробления, грохочения, обогащения и обезвоживания углей. Описаны конструкции, принцип действия, технические параметры и предпочтительные области использования применяемого современного оборудования. Приведены технологические схемы компоновки и методы оценки эффективности разделительных процессов.
