Основы теории расчета условий возникновения пожара от трения на ленточном конвейере Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Коротко об авторах

Версилов С.О. - доктор технических наук, профессор кафедры « Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды»,

Разоренов Ю.И. - доктор технических наук, профессор кафедры «« Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», Фролов А.В. - кандидат технических наук, профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды»,

Селезнев В.П. - аспирант кафедры «Безопасность жизнедея-т ельности и охрана окружающей среды»,

Новочеркасский Южно-Российский государственный технический уцмоепсмтет (Норочепкясскмй политехнический инсти-

- © А.В. Вяльцев, А.В. Фролов,

2006

УДК 614.8:622.647.2

А.В. Вяльцев, А.В.Фролов

ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАСЧЕТА УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРА ОТ ТРЕНИЯ НА ЛЕНТОЧНОМ КОНВЕЙЕРЕ

220

Пожары на конвейерных линиях до сих пор остаются наиболее распространенным и опасным видом подземных аварий. Одной из главных причин возникновения пожаров на ленточном конвейере является трение. По статистике около 30 % пожаров на ленточных конвейерах происходит из-за трения [1]. Поэтому прогноз и предотвращение пожаров, возникающих по этой причине, является очень важной задачей.

К проявлениям трения, способным стать причинами пожаров на ленточном конвейере, относят как проскальзывание (пробуксовку) приводного барабана конвейера, так и трение конвейерной ленты об элементы конструкции конвейера, а также заштыбовку ветвей конвейера.

Предметом изучения в данной статье являются тепловые процессы трения при пробуксовке приводного барабана ленточного конвейера.

Целью исследования является разработка математической модели возникновения горения конвейерной ленты от трения по ней буксующего приводного барабана конвейера. Численный расчет модели позволит выявить параметры, влияющие на возникновение горения ленты. Контроль и управление этими параметрами обеспечит возможность прогнозирования и снижения рисков возникновения пожаров на ленточных конвейерах.

В ленточном конвейере тяговое усилие передается силой трения между барабаном и лентой. Сила трения зависит от многих факторов и в значительной мере от коэффициента сцепления ленты с барабаном.

Трение - необычайно сложный многофункциональный процесс взаимодействия поверхностных слоев. Поэтому до сих пор нет единой теории трения, а существует несколько моделей его описания. В нашем случае используются элементы молекулярно-механической модели трения Крагель-ского - Дерягина [2], а также очень удачная энергетическая модель трения Б.И. Костецкого [3].

Как показывают эксперименты, коэффициент трения, скорость скольжения и нагрузка при трении в общем случае переменны. Впервые достаточно простое решение тепловой

221

задачи трения для переменной по времени мощности трения было получено А. В. Чичинадзе [4]. Расчет поля температур и,(к, т) производится по следующей формуле:

и (к ,т) =

а • Ж • Ь

и-тп< " тп 1V

Л • А • и

1 -I 3

1 -к

-ЕО,

2•т

п

-2!

(1)

\-п2 • п2 • Ео. ■тТсоълпк и к= ~ , т = —.

' ' Ь и

со 1

где 2 = Х —ехР (-п2

п=1 п Ь. 'Т

Средняя температура на номинальной поверхности трения и* получается из (1) при значении координаты к = 0:

и =-

а •Ж • Ь

"тп. " тп 1 V

Л • А • и

1 •т + Е0 •т - 2'У

3 п

(2)

В выражениях (1) и (2) использованы обозначения: аТП -коэффициент распределения тепловых потоков; Wтп - полная работа трения за время /Т; Аа - площадь номинальной поверхности трения; - коэффициенты, учитывающие понижение температуры за счет распространения тепла в объемы в стороны от дорожки или контурной площади трения; ти и ^ - временные факторы мощности и работы трения соответственно; Ро! - число Фурье; т - безразмерное время; Ь, -толщина элемента пары трения; Л - коэффициент теплопроводности элемента пары трения.

Коэффициент распределения тепловых потоков аТП - величина переменная, зависит от размеров тел, теплофизиче-ских свойств материалов и времени. Однако в большинстве случаев можно использовать среднеэффективное значение аТП, которое для второго элемента пары трения определяется по формуле А. Г. Гинзбурга, учитывая (2):

1+с„

ЕО1 - ЕО2

ЕО1 3 • ЕО, • А

1 • 1п

3

3 - А

3 - Ро1 + А

3 + А

--ЕО - А

- А • 1п-• Ео, 2 1

(3)

222

где А = ^ го! + 9.

Для первого элемента имеем аТП1 = 1 -аТП 2

с = %2 • ¿2Л (4)

0 % 1 • ¿1 -Л

Зависимость выражения во внутренней фигурной скобке (3) от изменения чисел Фурье Ро1 и Ро2, обозначаемую через а'тп, определяется по номограмме из [2]. По найденному значению а'ТП находим аТП2 из выражения:

( 1 -а л

1 + с •

ТП

(5)

Коэффициенты учитывают дополнительный теплопо-глощающий объем. Они определяются по формуле:

в э • с,

=-^-, (6)

' С, • с, + - •Увк • с,

'эф ' 2

где О/эф - вес эффективного теплопоглощающего объема (линейной задачи); с/ - теплоемкость материала; О¡д - вес дополнительного эффективного объема.

Эффективная толщина элемента пары трения Ь,эф характеризуется эффективной глубиной проникновения теплоты за время трения. Это то расстояние от поверхности трения по нормали, на котором повышение температуры за время трения составляет менее 5% от и*/. Из уравнения (1) при этом условии получаем такую формулу:

ь,эф =у1 3 • а, ■ (т = 1,73 •>/а, ■ (т , (7)

где аI - коэффициент температуропроводности материала,

Л

ai = —, ст - удельная теплоемкость материала.

с .

т,

Если рассчитанная по выражению (7) Ь/Эф больше Ьф (Ьф - фактическая толщина элементов пары трения), то в формулах (1) и (2) используется Ь = Ьф. В противном случае Ь/ = =Ь/эф.

Числа Фурье определяются по формуле:

223

Временные факторы мощности тN и работы трения х^, входящие в расчет и12 (^,2, t) и и*12 определяются по формулам:

N -т Ж

т = , т = (9)

" ТП " ТП

Площадь номинальной поверхности трения при угле обхвата лентой барабана а определяется по формуле:

А = а • Яб • Ьл, (10)

где - радиус приводного барабана конвейера, Ьл - ширина конвейерной ленты.

Полная работа сил трения за время трения ^ рассчитывается по формуле:

Жтп = / • N • V • Гт , (11)

где f - коэффициент трения; N - нормальная нагрузка; V -скорость трения.

На фрикционные характеристики узла трения большое влияние оказывает температура. Приведем характерную для этого случая зависимость, полученную в работах Трояновской [2]:

/ = • gradT , (13)

N • v

где I - тепловая мощность трения; дгасС Т - градиент температуры по нормали к поверхности трения (координата г).

Для адаптации приведенного решения тепловой задачи трения к процессам, протекающим при пробуксовке приводного барабана ленточного конвейера, определим специфические параметры модели.

Нормальная нагрузка определяется по формуле [5]:

N = ^б + ^ (12)

ЬЛ • D К '

где Энб и веб - натяжения у привода набегающей и сбегающей ветвей ленты. Эти параметры определяются в ходе тягового

224

расчета конвейера (см. например [5, 6]); Ьл - ширина конвейерной ленты; О - диаметр приводного барабана.

В результате анализа выполненных к настоящему времени теоретических и практических исследований по изучению передачи тягового усилия трением в приводе ленточного конвейера установлено, что численная величина коэффициента трения на барабане значительно ниже коэффициента трения скольжения f плоских образцов для тех же материалов ленты и футеровки приводного барабана. Для устранения этого несоответствия вводится некоторый условный коэффициент сцепления ц между лентой и барабаном. Из формул, выражающих зависимость коэффициента ц от различных факторов [6], следует, что его величина зависит не только от характеристик контактирующих ленты и поверхности барабана, но также и от конструктивных параметров барабана: радиуса, толщины футеровки и т.д., поэтому значение ц может быть рассчитано только для конкретной модели конвейера. По А. В. Андрееву [6]:

ц = 0,75 -15 -В— / , (14)

Кб —

где ел - толщина ленты; Яб - радиус приводного барабана; а - угол обхвата барабана лентой.

Численное решение уравнения (2) с учетом выражений (3) - (14) позволит исследовать зависимость температуры поверхности трения от времени и конструктивных параметров элементов трения (конвейерной ленты и приводного барабана). Используя эту зависимость, можно определить промежуток времени после начала пробуксовки приводного барабана ленточного конвейера, в течение которого в данных условиях температура поверхности трения достигнет (и превысит) температуру воспламенения конвейерной ленты. Иначе говоря, получаем время, в течение которого можно (и нужно) предотвратить возникновение неконтролируемого горения - пожара.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

225

1. Фролов А.В., Вяльцев А.В. Анализ аварийности в угольной промышленности РФ. «Техносферная безопасность» Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Ростов н/Д - Шепси, 2005.

2. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / Э.Д. Браун, НА Буше, И.А. Буяновский и др. / Под ред. А.В. Чичинадзе: Учеб. для техн. вузов. - М.: Центр «Наука и техника», 1995. - 778 с.

3. Любимов Д.Н., Рыжиков В.А. Основы теории трения: Учеб. пособие / Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - 87 с.

4. Чичинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. - М.: Наука, 1967. - 232 с.

5. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Теория и расчет ленточных конвейеров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 336 с.

6. Ленточные конвейеры в горной промышленности / В.А. Дьяков, Л.Г. Шахмейстер, В.Г. Дмитриев и др. Под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского. - М.: Недра, 1982. - 349 с.

,— Коротко об авторах

Фролов А.В. - кандидат технических наук, профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды»,

Вяльцев А.В. - аспирант кафедры «Безопасность жизнедеятель-н ости и охрана окружающей среды»

Новочеркасский Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)_

© Е.Н. Чемезов, А.Г. Макарова,

226