Оптимизация энергоемкости транспортирования насыпных грузов ленточными конвейерами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© В.Ф. Монастырский, С.В. Монастырский, Р. В. Кирия, 2008

УДК 622.867.2

В. Ф. Монастырский, С.В. Монастырский, Р.В. Кирия

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НАСЫПНЫХ ГРУЗОВ ЛЕНТОЧНЫМИ КОНВЕЙЕРАМИ

Решена задача оптимизации энергоемкости транспортирования и, как следствие, повышения эффективности работы ленточных конвейеров и обоснования экономической целесообразности их применения.

Семинар № 21

/ И енточные конвейеры общего на-

•/Л. значения получили широкое распространение на шахтах и карьерах, так как они являются связующим звеном между оборудованием карьеров, рудников (шахт) и обогатительных фабрик, а также неотъемлемой частью всех передовых технологий (циклично-поточной и поточной; любого комбинированного способа доставки горной массы большой производительности).

Опыт эксплуатации ленточных конвейеров в промышленных условиях показал, что на их эффективность работы оказывают существенное вли-яние горно-технические факторы, условия эксплуатации и параметры ленточных конвейеров. В этом случае наблюдаются как внезапные отказы (выход из строя роликоопор, ленты, загрузочных устройств, элементов привода и др.), так и постепенные (износовые, усталостные, повышение сопротивления вращению роликов и энергозатрат на транспортирование груза).

Однако до сих пор остаются нерешенными вопросы влияния многообразия условий эксплуатации, вибрации, структуры насыпных грузов, параметров конвейеров и загрузочных устройств, энергопотребления на показатели надежности и работоспособности ленточ-

ных конвейеров. В то же время энергозатраты на транспортирование насыпных грузов ленточными конвейерами являются основными эксплуатационными затратами. Поэтому для повышения эффективности работы ленточных конвейеров и обоснования экономической целесообразности их применения в данном разделе поставлена и решена задача оптимизации энергоемкости транспортирования насыпных грузов ленточными конвейерами.

Постановка задачи оптимизации энергоемкости транспортирования насыпных грузов

Согласно [1] энергоемкость транспортирования насыпных грузов в общем виде определяется:

Эк = (Бтах - БСц) Ул /1000, где 8тах, Бсц- соответственно натяжение ленты при набегании на приводной барабан и необходимое для их сцепления.

Максимальное натяжение ленты при набегании на приводной барабан определяется [1]:

Smax ^ц +(%+Чл +Чгр)Ь 8тР + ’№р1(0,

(1)

где qp ^л ^гр - соответственно погонные массы вращающихся частей, ленты, насыпного груза; Ь- длина конвейеров; в -угол наклона конвейера; ’^,10;) - сопро-

тивление движению ленты по ролико-опорам ленточного конвейера.

При оптимизации энергоемкости транспортирования рассматривалась следующая расчетная схема: ленточный конвейер имеет Np роликоопор, расстояние между которыми 1р; длина ролика вР; угол наклона бокового ролика вр; коэффициент сопротивления вращению роликов юр; натяжение ленты S и ее скорость Ул; на ленте транспортируется мелкокусковый груз (угол естественного откоса р) с крупными кусками, размещенными в общем объеме по случайному закону. Под действием силы привода преодолевается сопротивление движению ленты, на каждой роликоопоре происходит процесс деформации ленты с грузом [qj, + qip(t)] и изменение формы поперечного сечения груза, сопровождающееся его подъемом в пределах площади AF;. Главными параметрами этого процесса являются переменный угол а - угол набегания ленты на роли-коопору и усилие протягивания - сила тяги привода.

Для конвейеров в = 0, Smax зависит от Wpi(t), значение которого определяется из выражения [2]:

Wpi(t) = °сжAFi (1 + apct9a) +

+[(ЯЛ + Ягр УР + FP: (ti) + (2)

+4S sin a + Pa]rap,

где стсж - напряжение сжатия ленты с грузом роликами при ее протягивании; F^.(t)- сила взаимодействия груза с ро-ликоопорами; Ра - усилие на боковой ролик от изгиба ленты и бокового распора груза.

Уравнение цели для оптимизации энергоемкости транспортирования принималось в виде:

Wpi^ min; (3)

Ограничениями к уравнению цели (3) являются:

5кН < S < 500 кН;

0,005Fmax< AFi < 0,015Fmax; (4)

5° < a < 50°,

где Fm3x - допустимая площадь поперечного сечения груза на ленте.

Решение задач оптимизации. Анализ и обобщение полученных результатов

В качестве метода оптимизации поставленной задачи был выбран однокритериальный метод нелинейного программирования [3], обладающий хорошей наглядностью и информативностью для проектировщика и позволяющий учесть специфику данной задачи:

dW. (a) 2

---------= -B/sin a + 4Scosa = 0,

da

(5)

где В = <Усж AF а p ; Осж- напряжение

сжатия насыпного груза при протягивании ленты через сечение роликоопоры; AFi- площадь

поперечного сечения груза,

сопровождавшееся его подъемом при протягивании ленты с грузом через ролйнооноруюбразований выражение (1) для определения минимального угла a примет вид:

C0S 3 amin - C0S amin + B /4S = 0 (6)

На рис. 1. представлено графическое решение уравнения (6) для значения B / 4S = 0,1.

В пределах ограничений для a, S, AFi и принятого B/4S = 0,1 получены корни уравнения (6) ai = - 18,5о; a2 = 84,5о (лишены физического смысла в рамках решаемой задачи) и a3 = 19,0о, при котором вторая производная по a больше нуля, что говорит о достижении минимального значения исследуемой функцией в точке a3.

На рис. 2 представлены зависимости изменения минимального угла а от параметров Б/48 = 0,2, 0,3, 0,35. (кривая 1). Нетрудно видеть, что решение задачи определения минимальных углов а, соответствующих различным значением Б/4Б, аналогично рис. 2, но при этом изменятся пределы атт от 8-500 (кривая 1).

Для конвейера с заданными параметрами Б, Б величина Б/4Б^ 0 при да, но в реальных условиях натяжение ленты допустимо в пределах:

Бсц < Б < Smax,

где Бсц - натяжение ленты, при котором обеспечивается отсутствие проскальзывания ленты на приводном барабане; Бтах - возникающее на приводном барабане конвейера максимальное натяжение ленты, при котором величина её пластической деформации за весь период ее эксплуатации не должна превышать ход натяжного устройства.

Эксплуатация конвейера экономически целесообразна, если энергоемкость транспортирования груза при заданной производительности не превосходит стоимости роликов на протяжении срока их службы [2]. Исходя из этого условия, с учетом (2.) получим систему уравнений для определения Б:

г - а

Аоід ат

4 5 біп ат

(Ял + Яр )1р + РрІ (І,) + 2/ 3 Р,

А = АР (5)

АЕ (5) = 2АГб/ + АГС/

(7)

Ч.

где

АЕ

бі

АР

- соответственно

площади сечения деформаций боковой и средней части ленты (рис. 3);

Ъ = 1000КрСр / (СэУлЬр); Ьр - срок службы роликов; Ср, Сэ - стоимости соответственно ролика и электроэнергии. Взаимосвязь АР = /(5) определялась из решения следующей задачи (рис. 3). Конвейерную ленту представляли в виде короба, состоящего из трех частей, разделенных между собой ребрами, деформациями которых можно пренебречь [4]. Каждая боковая часть ленты представляет собой пластину шириной В/3 и длиной 1р, на которую оказывают давление силы бокового распора груза Ра. На среднюю часть ленты действует равномерно распределенная нагрузка (qл+qгр). Для боковых пластин расчетную схему представляем в виде упругой нерастяжимой нити, жестко защемленной на боковых роликах и растянутой силами Б. Для средней пластины расчетную схему представляем в виде двух параллельных пружин, нагруженных одновременно насыпным грузом, общую жесткость которых находим из условия, что лента шириной В/3 и длиной 1р опирается на роликоопоры, растянута силами Б и с

Рис. 1. Графическое решение

уравнения (6) при В/4Б= 0,1

и

Рис. 2. Зависимость минимального угла набегания ленты на роликоопору от В/48 (кривая 1) и натяжения ленты 8 (кривая 2)

■АП

Рис. 3. Формоизменение поперечного сечения ленты с грузом при протягивании через ролико-опоры

двух сторон по ширине шарнирно закреплена к ребрам. В каждом из указанных случаев максимальный прогиб пластины можно определить из выражений:

7 - М~

изб

Y =

S М

„зС + (q л + чгР).

S

Ми

и

KCn

Мз

(8)

в

AF (S)=it

Мизб +■

2

(9)

4 S/n a„

1б KSinan

S -■

= 0

Л2 Z 1 б KS/n a„

S -

Рис. 4 Зависимости изменения потребляемой электроэнергии ленточным конвейером от его длины

А2 = а

в

сж-у Мм изб + М„ /2).

- соответственно

Решая совместно (l) с учетом (б), (9) получим выражение для S:

о4 + A2Ctg an

На рис. 2 (кривая 2) представлена зависимость минимального угла от натяжения ленты. Область изменения минимальных углов набегания ленты на роликоопору в пределах (4) составляет 10о...40°. Согласно [1, 4, 5] для обеспечения постоянного угла набегания необходимо устанавливать роли-коопоры с переменным шагом (0,5-2 м), соблюдая условие:

0,01 <

l

< 0,02,

где ^ изб

«балочные» изгибающие моменты на боковую и среднюю часть ленты; К -коэффициент, учитывающий снижение нагрузки из-за натяжения ленты; Спр -жесткость ленты на изгиб.

В общем виде площадь поднимаемого груза при протягивании его через ро-ликоопору определяется из выражения:

Ми

где

где Ymax - максимальный прогиб ленты между роликоопорами с выбранным lp .

На рис. 4 представлены зависимости энергоемкости транспортирова-ния насыпных грузов конвейером при Р=140 (кривая 1), Р=80 (кривая 2), Р=00 (кривая 3 при amin=300), р=0° (кривая 4 при amin=100). При этом сопротивление вращению роликов определялось из выражения (l), а угол amin из (б).

Кривые: 1(Vл=3 м/с; Р=140), 2 (Ул=3 м/с; р=80), 3 (р=00; amin = 300), 4 (^

amin = 100).

Расчетные значения коэффициента сопротивления вращению роликов составляют юршіп=0,004.. .0,008, а юршах=0,015...0,025 и зависят от стоимости роликов, электроэнергии, чистого времени эксплуатации конвейера в год.

Выводы

1. Установлено, что при Р=0 (горизонтальный конвейер) и оптимальных углах набегания ленты на роликоопору энергозатраты на транспортирование

2

насыпных грузов снижаются в 4.5 раз если обеспечивается ат1п=10 м-150 (рис. 4, кривые 3, 4)

2. С повышением угла наклона конвейера (рис. 4, кривые 1, 2) энерго-

1. Кузнецов Б.А. Транспорт на горных предприятиях. - М.: Недра, 1995.-530 с.

2. Монастырский В.Ф. Разработка методов и средств управления надежностью мощных ленточных конвейеров. Дисс. ... докт. техн. наук. - Днепропетровск., 1990, 545 с-машинопись.

3. Кукушкин А.О., Ларионов Г.И. К вопросу о многокритериальной оптимиза-ции отвальных стрел отвалообразователей. Киев Нау-

затраты резко увеличиваются, так как решающим фактором стано-вится не сопротивление движению ленты, а подъем груза на заданную высоту.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

кова думка. Промышленный транспорт 1999 г. С. 121-128.

4. Шпакунов И.А. Исследование основных составляющих коэффициента сопротивления движению ленты на длинных горизонтальных ленточных конвейерах: Дисс. канд. техн. наук. - М., 1968.- Машинопись.

5. Биличенко Н.Я., Высочин Е.М., Завго-родний Е.Х. Эксплутационные режимы ленточных конвейеров. - Киев: Госнаучтехниздат, 1964. - М.: Недра, 1975. - 350 с. ИН.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Монастырский В.Ф., Монастырский С.В. - МПТИ (ф) ЯГУ, г. Мирный,

Кирия Р. В. - ИГТМ НАНУ, Днепропетровск.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

17а_Монастырский21

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат^\Мкго80й\ШаблоныШогта1Ло1т © В

Гитис Л.Х.

04.09.2008 14:41:00 4

04.09.2008 14:43:00 Гитис Л.Х.

2 мин.

25.11.2008 23:17:00 6

1 624 (прибл.)

9 257 (прибл.)