CC BY
37
- © Е.Е. Шешко, 2014
УДК 622.647.2
Е.Е. Шешко
ОБОСНОВАНИЕ СТЕПЕНИ ЗАГРУЗКИ КРУТОНАКЛОННОГО КОНВЕЙЕРА С ПРИЖИМНОЙ ЛЕНТОЙ БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Рассмотрена возможность увеличения поперечного сечения груза на полотне крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Предложен метод определения предельной нагрузки на грузонесушую ленту крутонаклонного конвейера, основанный на моделировании напряженно - деформированного состояния лент конвейера. Моделирование проводилось с использованием метода конечных элементов и программного комплекса АМБУБ. Обоснованы рекомендации, позволяюшие увеличить поперечное сечение груза на грузонесушей ленте, а значит (при тех же скоростях) и производительность конвейера. Приведен пример определения напряженно -деформированного состояния лент конвейера при увеличении нагрузки на ленту крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Даны рекомендации по выбору типа лент и характеристик их жесткости. Показано, что современные конвейерные ленты большой прочности позволяют увеличить также длину установок. Ключевые слова: крутонаклонный конвейер с прижимной лентой, ширина ленты, степень загрузки, модуль упругости, моделирование напряженно-деформированного состояния лент конвейера.
В настоящее время можно считать доказанным, что отработка глубоких карьеров большой производственной мощности обеспечивается только при применении циклично - поточной технологии.
При этом часто наиболее простые схемы транспортирования, значительное уменьшение ее длины и улучшение состояния окружающей среды наблюдается при применении крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой и передвижных дробильно-перегрузочных комплексов, обеспечивающими короткое плечо откатки автосамосвалами.
Большая степень унификации крутонаклонного конвейера с прижимной лентой с ленточными конвейерами открывает широкие возможности компоновки трассы, конфигурация которой может сочетать участки, работающие как традиционные ленточные конвейеры, и как крутонаклонные, но без перегрузок.
Эксплуатация единичных, но высокопроизводительных экземпляров крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой на карьерах подтвердила их работоспособность и экономическую эффективность. [1]
Появление мощных крутонаклонных конвейеров показывает то, что современные методики позволяют обосновать основные параметры крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Вместе с тем, в большинстве отечественных и зарубежных методик расчета, площадь поперечного сечения груза на конвейере принимается не более 50-60% , чем для традиционного ленточного конвейера, что увеличивает затраты на ленты конвейера.
На рис. 1 представлено поперечное сечение крутонаклонного конвейера с прижимной лентой фирмы «СкИ>, ЮАР, из которого видно, что груз занимает незначительную зону возможного сечения.
Чрижимвая лента ' Груз
Рис. 1 Поперечное сечение крутонаклонного конвейера с прижимной лентой
Увеличение производительности обычно достигается увеличением ширины ленты и повышением скорости ее движения [2].
Причиной уменьшения полезной ширины ленты конвейера является возможность возникновения на крутонаклонной части конвейера деформаций и напряжений на отдельных участках лент, несовместимых с условиями нормальной работы конвейера из-за значительных сил, действующих на ленты со стороны транспортируемого материала.
Деформации краев грузонесущей ленты могут привести к просыпанию груза между лентами крутонаклонного конвейера. По результатам экспериментальных исследований величина деформаций не должна превышать 5 мм. При установлении ограничений натяжения участков лент принимают во внимание, что конвейерная лента не воспринимает даже незначительные сжимающие усилия: поскольку они могут вызвать потерю устойчивости, образование складок, расслоение прокладок, снижение срока ее службы. В мировой практике минимальное натяжение принимается равным » 6 Н/мм ширины ленты.
Определение режима работы крутонаклонного конвейера при увеличении степени его загрузки проводилось при изучении напряженно-деформированного состояние (НДС) элементов системы «прижимная лента - груз - гру-зонесущая лента». Конвейерная лента рассматривалась как оболочка с орто-
тропным линейно упругим свойством материала. Модули упругости по основе и по утку лент и значения реологических констант для учета динамических процессов были получены экспериментальным путем для рассматриваемого типа лент.
Моделирование НДС лент крутонаклонного конвейера проводилось с использованием метода конечных элементов и программного комплекса ЛНБУБ [3].
Геометрическая модель прижимной ленты была создана из пересекающихся трех дуг окружностей, повторяющих форму шапки груза и свободных краев грузонесущей ленты, а грузонесущей ленты - из трех пересекающихся дуг окружностей.
Координатная ось X направлена вдоль вектора движения грузонесу-щей ленты, ось Z - перпендикулярно движению ленты, а У - по нормали к плоскости Х^ (перемещения вдоль этих осей - и, V и и).
Силы, действующие на ленты, в значительной мере зависят от высоты слоя груза, находящегося на конвейерной ленте. Линейные веса прижимной ленты и прижимного усилия, рассматриваемого конвейера, пере-считывались в давление, действующее на элемент расчетной модели.
Для примера был принят крутонаклонный конвейер с углом подъема в = 43°, производительностью О = 2000 т/ч, при высоте подъема Н = 100 м, скорости движения V = 3,15 м/с и насыпной плотности транспортируемого груза у = 1,9 т/м3. В результате расчета получено, что ширина ленты, В = 1,2 м, грузонесу-щая лента должна иметь 5, а прижимная лента - 3 прокладки прочностью на разрыв Кг = 300 Н/мм. Минимальное линейное прижимное усилие -1206 Н/м. Минимальное натяжение
г-ф-
Рис. 2. Варианты загрузки конвейера: а) 60%; б) 80%; в) 100% - величины загрузки традиционного ленточного конвейера
грузонесущей ленты на переходном участке принято Бкргр = 12 500 Н, а прижимной ленты - Б = 10 000 Н.
кр.пр
Анализ показал, что НДС грузоне-сущей ленты крутонаклонного конвейера зависит не только от степени загрузки конвейера, натяжения ленты, линейного усилия прижимных модулей, но и в значительной степени от расстояния между роликоопорами: поэтому моделирование НДС грузоне-сущей ленты проводилось при варьировании всеми этими параметрами. Рассматривались следующие варианты загрузки крутонаклонного конвейера с прижимной лентой в процентах от загрузки традиционного ленточного конвейера (рис. 2): а - 60% загрузки; б - 80% загрузки; в - 100% загрузки.
Было выявлено, что при 60% загрузке конвейера деформации лежат в допустимых пределах: максимальные деформации середины ленты (ось У) не достигают 2 см, а деформации краев ленты (ось Z) на порядок меньше допустимых. Напряжения краев ленты по оси X не переходят в зону неустойчивого движения ленты, но находятся вблизи ее.
С увеличением площади груза (80% загрузки конвейера) увеличивается зона краев лент, воспринимающих нагрузки. Это вызыва-
ет увеличение деформаций по осям Z и У (рис. 3), как середины ленты, так и краев. Напряжения по оси X в краях ленты переходят в зону неустойчивого движения ленты.
Значительно изменяется характер НДС грузонесущей ленты при 100% загрузке конвейера в связи с увеличением нагрузок на края ленты (рис. 4). Максимальные деформации по оси У приходятся на края грузонесущей ленты и составляют 25 мм, что значительно превышает допустимые пределы, середина ленты по оси У деформируется почти на 10 мм. Деформации края ленты по оси Z сменили направление и составили 5,6 мм, также превысив допустимые пределы.
Появилось значительное понижение напряжений в краях ленты, кото-
Рис. 3. Деформации по оси Z (а) и по оси У (б) и напряжения по оси X (в) при 80%-й загрузке КНК
Рис. 4. Деформации по оси Z (а) и по оси У (б) и напряжения по оси X (в) при 100%-й загрузке конвейера
0,7 0.8 0,0 1 1,1 1,2 1.3 расстояние менаду роликов пора ми м
Рис. 5. Зависимость деформаций краев ленты по оси Z от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесушей ленты при 80%-й загрузке конвейера
рое может обусловить неустойчивость ее движения.
Отличие характера НДС в этом случае заключается в том, что максимальные деформации переходят с середины ленты на ее края. Загрузка, при которой происходит изменение вида НДС, лежит в пределах от 70% до 100% загрузки традиционного ленточного конвейера.
Для обеспечения работоспособности конвейера, например при 100%-й
загрузке, потребуется значительное увеличение натяжения грузонесущей ленты, что может обусловить необходимость применения более прочной (а значит и дорогой)ленты.
Другим способом обеспечения работоспособности конвейера может явиться уменьшение расстояния между роликоопорами на линейном участке.
Анализ зависимости НДС грузонесущей ленты от степени загрузки полотна конвейера показал, что имеется реальная возможность увеличения степени заполнения конвейера, варьируя расстояние между роликоопорами.
Были построены зависимости деформаций краев ленты по осям Z и У и напряжений по оси X, возникающих в нижней обкладке края ленты, от расстояния между роликоопорами при различных натяжениях гру-зонесущей ленты и степени загрузки конвейера.
На рис. 5-7 представлено НДС ленты рассматриваемого конвейера при 80%-й загрузке, где уже появились недопустимые напряжения и деформации. Красной чертой показаны максимальные значения деформаций и минимальные - напряжений для рассматриваемого конвейера.
Значения деформаций краев грузоне-сущей ленты по оси Z для принятого расстояния между роликоопорами (1,2 м) не выходят из допустимых границ даже при расчетном натяжении 12,5 кН, рис. 5.
Для обеспечения допустимых деформаций краев ленты по оси У необходимо или ограничить расстояние
0,012 0,010 о.ооа о.оое
0.004 0,002 о.ооо
между роликоопорами ве- о.ом личиной 0,9-1 м, или натяжение в начале линейного участка следует увеличить до 50 кН (что, как было сказано ранее, нельзя рекомендовать, рис. 6).
Напряжения, возникающие в краях грузонесущей ленты по оси X, являются наиболее сильным ограничивающим фактором, чем деформации (рис. 7). Обеспечение допустимого напряжения при расчетном минимальном натяжении 12,5 кН для ленты шириной 1,2 м возможно только при расстоянии между ро-ликоопорами - 0,5 м. При минимальном натяжении 25 кН расстояние между роликоопорами может быть увеличено до 0,9 м.
Установка роликоопор грузонесущей ленты с переменным шагом вначале линейного участка, где натяжение минимальное, и увеличивая его по мере увеличения натяжения ленты до расчетной величины, позволит снизить металлоемкость конвейера.
Так на расчетном конвейере через каждые 5 м на линейной части крутонаклонного конвейера натяжение ленты увеличивается на 5 кН, следовательно, допустимое расстояние между роликоопо-рами можно увеличить через каждые 5 метров на 0,3 м.
Как показал анализ - для более широких лент (1,4, 1,6 м), ограничения по напряжениям, возникающим в краях ленты более жесткие. Исследования влияния статического модуля упругости, в диапазоне (2-5)-108 Н/м2
НАТЯЖЕНИЕ 12 £*нУ = 0,041X5 - 0,096 IX2 + 0,0738* - 0,0181 ^ у = 0.0002К2 + 0,0007* - 9Е-05
- НАТЯЖЕНИЕ 25яН
НАТЯЖЕНИЕ Э6«Н
- НАТЯЖЕНИЕ 50яН
у = О.ОООЭж2 -7Е-05* +■ 0,0002 у = 0,002к2 -0.0014Х + 0,000В
- Критическая -дёформЗшй-
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1.2 1,3 расстояние не>аду роликоопорами, м
1.4 1.5
Рис. 6. Зависимость деформаций краев ленты по оси У от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесушей ленты при 80%-й загрузке конвейера
Рис. 7. Зависимость напряжений, возникаюших в нижней обкладке края ленты от расстояния между роликоопорами, при различном натяжении грузоне-сушей ленты при 80%-й загрузке конвейера
на НДС грузонесущей ленты показали, что деформация ленты уменьшается с увеличением жесткости последней, но резко увеличивается перенапряжение краев ленты.
Учитывая, что ограничения по напряжениям ленты являются, как правило, лимитирующими, модуль упругости ленты по основе должен составлять (3-3,5)108 Н/м2 .
Современные конвейерные ленты большой прочности, имеющие незначительное удлинение, позволяют создавать крутонаклонные конвейеры с прижимной лентой большой длины и производительности. При этом максимальный продольный модуль упругости современных лент различной прочности и разным количеством прокладок находится приблизительно в одном диапазоне, так как производители конвейерных лент целенаправленно ограничивают рост про-
1. Санакулов К.С., Умаров Ф.Я., Шеме-тов П.А. Технико-экономическая эффективность применения крутонаклонного конвейера на карьере «Мурунтау» // Горный журнал. - 2013.- № 8.- С. 24-28.
2. Bulk Materials Handling Knowledge Base CKIT-The Bulk Materials Handling Portal, http://www.ckit.co.za
3. КасаткинА.А. Моделирование лент крутонаклонного конвейера с прижимной лен-
дольного модуля упругости за счет изменения конструкции сердечника. [4]
Таким образом, увеличение производительности крутонаклонного конвейера при той же ширине ленты и скорости за счет увеличения линейного веса груза, применение современных лент высокой прочности и увеличение скорости движения ленты позволяют создавать высокопроизводительные крутонаклонные конвейеры с прижимной лентой при более низких затратах.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
той для обоснования их деформаций // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 2. - С. 260-265.
4. Галкин В.И., Сазанкова Е.С. Современные резинотканевые конвейерные ленты - возможная альтернатива резино-тросовым лентам для горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № 7. - С. 184192. ЕШЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Шешко Евгения Евгеньевна - кандидат технических наук, профессор, e-mail: esheshko@mail.ru, Московский государственный горный университет.
UDC 622.647.2
SUBSTANTIATION OF EXTENT OF LOADING OF THE SANDWICH BELT HIGH ANGLE CONVEYOR OF LARGE PRODUCTIVITY
Sheshko E.E., Candidate of Engineering Sciences, Professor, e-mail: esheshko@mail.ru Moscow State Mining University.
Possibility of increase of cross section of load on a belt of sandwich belt high angle conveyor is described in the article. The method of definition of a limited loading on carrying belt of sandwich belt high angle conveyor, based on modeling of stress- deformed condition of conveyor belt is offered. Modeling was conducted with use of method of final elements and the program complex ANSYS. The recommendations allowing to increase the cross section of load on carrying belt, so (at the same speeds) and conveyor productivity, are proved. The example of determination of stress- deformed condition of conveyor belts when sandwiched material was increased is given. The recommendations to choice of types of belts and characteristics of their rigidity are made. It is shown that modern conveyer belts of big durability allow to increase the length of installations.
Key words: sandwich belt high angle conveyor, width of a belt, extent of loading, module of elasticity, modeling of the strained-deformed state of belts of conveyor.
REFERENCES
1. Sanakulov K.S., Umarov F.Ja., Shemetov P.A. Gornyj zhurnal. 2013, no 8, pp. 24-28.
2. Bulk Materials Handling Knowledge Base CKIT-The Bulk Materials Handling Portal, http://www.ckit.co.za
3. Kasatkin A.A. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2009, no 2, pp. 260-265.
4. Galkin V.I., Sazankova E.S. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2012, no 7, pp. 184-192.
