CC BY
32
© Е.Е. Шешко, А.Ю. Степанова, В.А. Мостаков, 2014
УЛК 622.001.89.622.68
Е.Е. Шешко, А.Ю. Степанова, В.А. Мостаков
ОБОСНОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПРИЖИМНОГО УСИЛИЯ НА КРУТОНАКЛОНННОМ КОНВЕЙЕРЕ С ПРИЖИМНОЙ ЛЕНТОЙ
Проведен анализ работ по определению, параметров крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Выявлены предпосылки определения величины усилия прижимного модуля для удержания груза в состоянии равновесия. Составлены программы расчета усилия прижимного модуля и построены графики зависимости его от угла наклона конвейера для конкретных условий.
Ключевые слова: крутонаклонный конвейер с прижимной лентой, прижимное усилие, устойчивость груза, деформированное состояние, нагрузка, давление.
Развитие горного дела и постоянное усовершенствование технологий и оборудования на карьерах рудных, нерудных и угольных месторождений приводит к необходимости использования техники с большей производительностью и отвечающей современным требованиям.
Циклично поточная технология с конвейерным транспортом в качестве подъемного звена при подъеме горной массы с глубины до150- 200 м экономически и экологически более целесообразна, чем автомобильный транспорт.
При глубине карьеров более 200-300 метров из-за возможности снизить длину транспортирования конвейером (при увеличении угла установки) и избежать перегрузок с конвейера на конвейер, а так из-за ужесточения требований к экологической обстановке карьера целесообразно применение крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой (КНК) на подъеме.
Особенностью конструкции таких конвейеров является наличие второго прижимного контура ленты, что исключает просыпание груза, так как он практически герметично закрыт между двумя лентами, что также благотворно влияет на окружающую среду.
Принципиальная схема крутонаклонного конвейера с прижимной лентой состоит из горизонтальных и слабонаклонных
загрузочного 8 и разгрузочного 9 участков, крутонаклонного участка 10 и двух переходных - нижнего 11 (от загрузочного участка к крутонаклонному) и верхнего 12 (от крутонаклонного к разгрузочному), (рис. 1). Принцип работы такого конвейера заключается в следующем: горная масса поступает из загрузочного устройства 4 на горизонтальный или слабонаклонный участок 8. Груженая ветвь основного (грузонесущего) контура 1 , опирающаяся на трехроликовые опоры, транспортирует горную массу до переходного участка 11, на котором груз удерживается силой прижатия грузонесущей ленты к прижимной ленте контура 2. В таком состоянии транспортируемый материал проходит по переходному участку до крутонаклонной части конвейера 10, где устанавливаются прижимные устройства 3. Далее горная масса поступает на переходной участок 12, на котором прижимная лента постепенно снимается с материала. Порожняковая ветвь контура 1 опирается на одно-роликовые опоры. Верхняя ветвь контура 2 опирается также на однороликовые опоры.
Анализ конструкций крутонаклонных конвейеров (KHK) с прижимной лентой показал, что часть проблем, связанных с расчетом параметров лент конвейера относительно полно освещены в технической литературе: параметры переходных участков, распределением мощности между приводами обоих контуров, совместное движение грузонесущей и прижимной лент, устойчивость груза на ленте, варианты загрузки конвейеров и некоторые другие. При этом анализ работ по обоснованию параметров конвейера показывает, что единой теории расчета KHK с прижимной лентой пока нет. Одним из важных вопросов в исследовании KHK с прижимной лентой является вопрос о рациональной величине прижимного усилия на ленту. Чем больше это усилие, тем больше сопротивление движению полотна конвейера, однако, оно должно быть достаточным для удержания груза в равновесии на крутонаклонной части. Влияние усилия прижимных модулей на устойчивость груза на полотне конвейера, на сопротивление движению лент, на напряженно-деформированное состояние обеих лент конвейера затрагивались многими учеными. Вместе с тем вопрос о минимально необходимой величине прижимного усилия остается открытым.
Рис. 1. Схема крутонаклонного конвейера с прижимной лентой: 1 - груженый контур; 2 - прижимной контур; 3 - прижимное устройство; 4 - загрузочное устройство; 5 - разгрузочное устройство; 6 - натяжное устройство; 7 -приводы для груженого и прижимного контуров; 8 - загрузочный участок; 9 - разгрузочный участок; 10 - крутонаклонный участок; 11 - нижний переходный участок; 12 - верхний переходный участок
Известно, что для обеспечения устойчивости груза необходимо выполнение условия равновесия сил на крутонаклонном участке конвейере
п (3 £ (я + члпр + чпг-}«*5 р ■/+ (члпр + чпг-}с05 (3 i
(1)
где ц - линейный вес груза, кг/м; цлпр - линейный вес прижимной ленты, кг/м; цпу - линейный вес прижимных устройств, кг/м; / - коэффициент трения груза о ленту; в - угол наклона конвейера, град
откуда после преобразований имеем
Если обеспечивается давление модулей нормально к прижимной ленте, это выражение имеет вид [2, 4]:
По исследованиям [3] этой величины недостаточно, так как должны выполняться условия равновесия груза и на поверхности соприкосновения груза с лентами:
гпр,л. тр
ЕШрЛ ^ Л р
1 -3 "прыгал, «я*
ПКЛгтрл ^ л с
,
и в толще груза:
<7* Р
"яр*г
£
шнич.
При этом получается, что уже при р=31 в толще груза существует (нулевая) точка, в которой условие равновесия нарушается. Нарушение равновесия происходит вследствие неравномерности распределения продольных напряжений и касательных напряжений трения, и при дальнейшем увеличении угла наклона в поперечном сечении появляется неустойчивая зона, размеры которой зависят от угла наклона и высоты слоя материала на ленте.
Исследования проводились при условии, что прижимное усилие прикладывается в 2- 3х точках, что существенно влияет на распределение давления. Потеря устойчивости слоями груза обуславливает дополнительные продольные силы, средняя величина которых на единице длины конвейера составляет
г > * ГО.ЛПИН X '
где (тТР • Г )с
ср. л риг
и (сг • Е)
\ пр 'с
ср.прив
(4)
соответственно средние
тр 'ср. прив V пр /ср.прив.
приведенные значения касательных сил трения и продольных сил в неустойчивом сечении на единице длины конвейера. На рис. 2 показано распределение касательных сил трения и продольных сил по высоте (2) сечения конвейера при различных углах наклона, обуславливающее неустойчивую зону.
Поскольку дополнительная продольная сила не удерживается трением груза о ленты, то она зависит от длины конвейера и в поперечном сечении груза, расположенном на расстоянии Ь от конца конвейера ее величина будет равна:
= Ч^пр. ^
Анализ полученных автором зависимостей и графиков изменения дополнительного давления в зависимости от угла наклона конвейера, представленных на рис. 3 (Ь=300).
100 200 300 400 500 600 700 800 Н
Рис. 2. Распределение величины неустойчивой зоны по высоте поперечного сечения груза в зависимости от угла подъема конвейера
Н/м* 1
.....■'** 1
^____■* ......
|
35 40 45 Я
Рис. 3. Изменение среднего бокового давления (1) н дополнительного давления (2) в зависимости от угла наклона конвейера
Автор отмечает, что при длине конвейера не свыше 50 м влияние неустойчивой зоны на давления можно не учитывать, при длинах конвейера порядка 50-100 м величина дополнительных давлений относительно невелика и составляет 18-25 % от Об.ср.. Поэтому при расчете конвейера указанной длины ее влияние рекомендуется учитывать путем увеличения об.ср на 20-30 %. При длине конвейера свыше 100 м дополнительное давление оказывает существенное влияние на напряженное состояние груза, превышая в отдельных случаях об.ср.
В работе исследовано также влияние типа конвейерных лент на величину прижимного усилия, (рис. 4),что подтверждает влияние модуля упругости лент.
В работе. [7] устойчивость определяется по соотношению сил трения, которые возникают между слоями груза и лентами, используя модель поперечного сечения конвейера, показанную на рис. 5. При этом отдельно рассматриваются давления на прижимную ленту и на груз.
В случае, когда только грузонесущая лента приводится в движение
(тш)^ • / > (шт)дм • /1 (5)
то 300 500 700 ООО
Рис. 4. Графики изменения линейного веса прижимных катков в за■ висимости от давления груза для различные типов лент
где - часть прижимных усилий, приходящаяся на края прижимной и грузонесущей лент, Н/м; - часть прижимных усилий, приходящаяся на транспортируемый материал, Н/м.
Е-В & С-С
Рис. 5. Модель поперечного сечения КНК с прижимной лентой
Минимально требуемое суммарное прижимное усилие может быть определено как:
(тт)*п - (пш)як - Шт)4м *)(т;»)Чм (тт),п:
где { - коэффициент внутреннего трения груза; ^ - коэффициент трения груза о ленту; я - линейный вес транспортируемого груза, Н/м; в - угол установки конвейера.
В работе [6], исследуя влияние угла наклона боковых роликов и формы поперечного сечения груза на величину прижимного усилия, также предложена модель груза на полотне конвейера, позволяющая обосновать величину прижимного усилия. Представив груз на полотне конвейера в виде идеально сыпучего тела, автор рассматривает факторы, влияющие на его устойчивость. Принимая часть конвейера в виде сосуда бесконечной высоты и ширины (рис. 6), автор делает расчеты, исходя из условия равновесия выделенного объема заключенного между лентами
Рис. 6. Схема конвейера, представленного в виде бесконечно длинного узкого сосуда
■2 НуЖс = 2
2 Ша
пр.ср
После интегрирования
а = Н у(1--Ц-)
пР п//К П1 1 х—-
Лх
(7)
(8)
Н
е
При исследовании напряженного состояния в толще груза в установившемся состоянии продольное давление не меняется вдоль высоты слоя. Касательные напряжения трения, действующие на верхнюю и нижнюю грани выделенного объема, равны нулю, следовательно, боковое давление в толще слоя постоянно. Для выделенного объема условие равновесия в силу постоянства продольного давления запишется следующим
образом: йттр = уйИ
Касательные напряжения трения возрастают линейно на удалении от центра слоя.
Данные выводы сделаны в предположении, что коэффициент внутреннего трения больше коэффициента трения груза о ленту. В этом случае при недостаточном боковом давлении равновесие, прежде всего, теряется на поверхности контакта груза и лент, в то время как в толще груза оно до определенного момента сохраняется.
В случае, если коэффициент внутреннего трения меньше коэффициента трения между грузом и лентами, бокового давления недостаточно, так как при таком давлении нарушается равновесие внутри слоя. В этом случае необходимо создать большее давление. Если боковое давление будет недостаточно велико, то в некоторой зоне вблизи лент в толще груза нарушиться равновесие, сыпучее тело в данном месте начнет пластически деформироваться, перемещая часть сыпучего тела, не потерявшую равновесие, вниз.
Автором получена зависимость наименьшего прижимного усилия:
Р Г5гпр 1 д
где Р - давление (прижимное усилие), кН/м, Б - площадь поперечного сечения груза, м2.
Из этого отношения выразим величину прижимного усилия:
Р & ■ у 1 " Р
(9)
д
В работе [5] рассматривались вопросы напряженно-деформированного состояния прижимной ленты крутонаклонного конвейера при различной степени загрузки полотна конвейера. Установлено, что давление прижимного устройства, рассчитанное по известным формулам недостаточно, так как может обусловить наличие недопустимых деформаций на прижимной ленте, в частности ее краев.
Деформации края грузонесущей ленты могут привести к просыпанию груза между лентами крутонаклонного конвейера. Напряжения, возникающие в ленте в направлении вектора ее движения, сказываются на устойчивости ее движения.
На деформации прижимной ленты в большей мере влияет прижимное усилие, а увеличение натяжения ленты оказывает незначительное действие. При минимально допустимом прижимном усилии, рассчитанном из условия устойчивости груза на крутонаклонной части (рассматриваемого автором конвейера), возникают значительные поперечные деформации, нарушающие герметичность системы «прижимная лента - груз - гру-зонесущая лента». Дискретно увеличивая прижимное усилие, им было установлено, что деформации прижимной ленты будут находиться в допустимых пределах только при увеличении линейного прижимного усилия до 2400 Н/м (рис. 7), т.е. практически вдвое больше по сравнению с расчетными значениями.
Используем рассмотренные нами выражения для определения линейной нагрузки прижимных устройств, при различных углах наклона (в диапазоне от 30° до 65°). Для этого были составлены программы в системе «Mathcad» для расчетов нагрузки прижимных роликов по зависимостям, полученных в упомянутых работах для крутонаклонного конвейера производительностью Q = 2000 т/ч, при высоте подъема H=100 м, насыпной плотностью груза у=1,9 т/м3. Скорость движения конвейерной ленты принимаем 1=3,15 м/с, а коэффициент трения груза f = 0,3, рис. 8.
Анализируя рис.8 видно, что при расчете одного параметра получены разные значения, хоть и находятся они в одном диапазоне.
Таким образом, изучением влияния прижимных модулей на состояние лент конвейера и обоснованием величины прижимного усилия модулей КНК занимались многие ученые. Мнения их не однозначны, поэтому вопрос о величине необходимого
а)
О .031424 .062В4а .094272 .125636
.015712 .047136 .07856 .109984 .141408
б)
мх
-.002793 .00472 .012232 .019745 .027257
. 964Е-03 .003 476 .015955 .023501 .031
Рис. 7. Деформированные состояние прижимной ленты при линейном прижимном усилии равном 1200 Н/м(а) и при погонном прижимном усилии равном 2400 Н/м(б)
650» 585» 5200 4550 39003250-
26001950-
1300
650-
q„P, н/м
2
ф
, * *
^ ф ф
ф ф ф ф ф
ф »» ф
ф ф
30
35
40
45
50
55
60
65
Рис.8. Графики зависимости величины нагрузки от угла наклона конвейера: 1 - прижатие силой тяжести прижимных катков (ф-ла 2), 2- по исследованиям[3], (рис. 2), 3 - по формуле 6, 4 - по формуле 9, 5 - по исследованиям [7], (рис.7).
прижимного усилия остается открытым и требует дополнительных исследований. Однако уже можно утверждать, что величина усилия в 2-2,5 раза превышает результаты, полученные по формуле (2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галкин В.И., Дмитриев В.Г., Дьяченко В.П., Запенин И.В., Шешко Е.Е. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. М.: МГГУ, 2011.
2. Картавый А.Н. Обоснование основных параметров крутонаклонного конвейера с прижимной лентой для карьеров с большими грузопотоками. // Дисс. на соиск. уч. степ. канд. Техн. Наук. М.: МГГУ, 2000
3. Курятников А. В. Установление рациональных параметров высокопроизводительных крутонаклонных конвейеров с прижимными элементами для горной промышленности.//Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - М.: 1976.
4. Шахмейстер Ё.Г., Дмитриев В.Г., Теория и расчет ленточных конвейеров - М.: Машиностроение, 1987.
5. Касаткин А.А. Выбор основных параметров линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой для горных предприятий. //Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - М.: 2009.
6. Шешко Е.Е., Терехов С.А. Обоснование формы роликоопоры крутонаклонного конвейера с прижимной лентой для горных предприятий. Горное оборудование и электромеханика. № 1, 2012 С. 33 - 37
7. Dos Santos J. A. Sandwich Belt High Angle Conveyors НАС. — Evolution to Date. Bulk solids handling, Vol. 6, № 2. USA, 1986. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шешко Е.Е., - проф., канд. техн. наук, «Горная механика и транспорт», [email protected]
Степанова А.Ю., аспирант, кафедра «Горная механика и транспорт», [email protected]
Мостаков В.А., - доцент канд. техн. наук, кафедра «Прикладная механика». МГИ НИТУ МИСиС
Sheshko E. E., - prof., cand. of tech. sciences, department of «Mining mechanics and transport», [email protected]
Stepanova A.U., post graduate student, department of «Mining mechanics and transport», [email protected]
Mostakov V.A., doc. cand. of tech. sciences, department «Applied mechanics», [email protected]
Moscow mining Institute National University of Science and Technology "MISIS" (MISIS)
REFERENCES
1. Galkin V.I., Dmitriev V.G., D'yachenko V.P., Zapenin I.V., Sheshko E.E. So-vremennaya teoriya lentochnykh konveierov gornykh predpriyatii (With-temporary theory of belt conveyors of mining enterprises). Moscow, MGGU, 2011 (in Russian).
2. Kartavyi A.N. Substantiation of the basic parameters of a steeply con Veyrier with pressure belt for mines with large traffic. Cand. Diss. Moscow, MGGU, 2000 (in Russian).
3. Kuryatnikov A.V. Establishment of rational parameters that bear heavily on highangle conveyor with clamping elements for mining industry. Cand. Diss. Moscow, 1976.
4. Shakhmeister L.G., Dmitriev V.G. Teoriya i raschet lentochnykh konveierov (Theory and calculation of belt conveyors). Moscow, Mashinostroenie, 1987.
5. Kasatkin A.A. The main parameters of the linear part krutonaklonnyj on conveyor with pressure belt for mining enterprises. Cand. Diss. Moscow, 2009.
6. Sheshko E.E., Terekhov S.A. Justification form rollers krutonaklonnyj-aqueous conveyor with pressure belt for mining enterprises. Mining equipment and electromechanics. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. No. 1, 2012, pp. 33 - 37.
7. Dos Santos J. A. Sandwich Belt High Angle Conveyors NAS. — Evolution to Date. Bulk solids handling, Vol. 6, no. 2. USA, 1986.
