Особенности подъёма горной массы из глубоких карьеров крутонаклонными конвейерами с прижимной лентой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© В.И. Галкин, Е. Е. Шсшко, 2013

В.И. Галкин, Е. Е. Шешко

ОСОБЕННОСТИ ПОДЪЁМА ГОРНОЙ МАССЫ ИЗ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ КРУТОНАКЛОННЫМИ КОНВЕЙЕРАМИ С ПРИЖИМНОЙ ЛЕНТОЙ

Рассмотрена возможность подъема горной массы из карьеров большой глубины и производительности крутонаклонными конвейерами с прижимной лентой. Учитываются тип лент, их напряжения и деформация.

Ключевые слова: карьер, глубина, крутонаклонными конвейерами с прижимной лентой, тип лент, модуль упругости, деформация и напряжение лент.

За последние десятилетия, вследствие увеличения глубины карьеров, значительно ухудшились условия эксплуатации карьерного технологического автотранспорта.

Опыт эксплуатации показывает, что на каждые 100м понижения уровня ведения горных работ себестоимость транспортирования горной массы возрастает в 1,4 — 1,5 раза[1]. Кроме того, резко ухудшается и экологическая ситуация ведения горных работ, поскольку эксплуатация мощных автосамосвалов с дизельными двигателями сопровождается выбросами в атмосферу токсичных веществ содержащих следующие компоненты: окись углерода — 0,01 — 0,5 %; окислы азота — 0,002 — 0,5 %; углеводороды — 0,009 — 0,5 %; альдегиды — 0,001 — 0,009 % и сажи 0,1 %, а также большого количества нетоксичных газов, таких, как азот, двуокись углерода и др.

Более того, увеличение глубины карьеров обуславливает концентрацию техники в ограниченном пространстве, а, следовательно, ухудшение естественного воздухообмена. На рис.1 показана зависимость концентрации вредных веществ в рабочей зоне карьера от его глубины.

В настоящее время, альтернативой автотранспорту, представляется комбинированный автомобильно-конвейерный транспорт, в который могут входить крутонаклонные ленточные конвейеры с прижимной лентой. Ввиду их уникальности эксплуатации

Концентрация вредных веществ в рабочей зоне карьера, мг/куб.м

5 15о3

га" 4 о. ш

.0 1

га 2

1003

4

1

Я 2

.64

15

_ _ 14,2

1 я

1 2,6!

ч _ 1 3,2 3

1

N 54 Ш 8,9/

I—] — — — — — _ _ _

1 ! С

2 СпНт

3 : : 1Чох

4 СОх

01234567

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Рис. 1. Зависимость концентрации вредных веществ в рабочей зоне карьера от его глубины

4

по предельному углу наклона (до 90°), они могут быть эффективно использованы для подъёма горной массы из глубоких карьеров, обеспечивая высокую производительность и адаптироваться со сложным профилем трассы.

Известно, что использование крутонаклонного ленточного конвейера в системе ЦПТ карьера (вместо ленточного) значительно снижает длину транспортирования, объем горнокапитальных работ, исключает перегрузки, обусловленные предельным углом наклона традиционного ленточного конвейера. Опыт проектирования и внедрения КНК на глубоких карьерах показал, что объёмы инвестиций и эксплуатационные расходы при этом значительно ниже, чем на развитие и эксплуатацию технологического автомобильного транспорта [1].

Следует отметить, что временный отказ от применения крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой, впервые запатентованных и созданных в виде отдельных установок, как у нас в стране, так и за рубежом, ещё в 60 — 70 годы прошлого столетия, произошел в большой степени из-за повышенного износа обеих контуров конвейерных лент (грузонесущей и прижимной). В связи с этим, следует более тщательно подходить к выбору и обоснованию параметров таких конвейеров, особенно к выбору типов используемых лент и их натяжения.

г

Рис. 2. Переходной участок крутонаклонного конвейера

Некоторые конструктивные параметры крутонаклонного ленточного конвейера с прижимной лентой определяются аналогично традиционному ленточному конвейеру. Известно, что силы, действующие на ленты со стороны транспортируемого материала, находящегося в крутонаклонной «трубе» конвейера могут вызвать деформации и напряжения в ленте на отдельных участках трассы конвейера, что может быть несовместимым с условиями нормальной работы конвейера.

Действительно, грузонесущая и прижимная лента крутонаклонного конвейера на переходных криволинейных участках — на длине Ь2 , изгибаются одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а так же на крутонаклонных прямолинейных участках, (рис. 2, участок под углом 40°).

Кроме того, изогнутые ленты, находясь в сложном напряженно-деформированном состоянии, подвергаются дополнительным усилиям, от прижимных модулей, установленных с определённым шагом по всей длине крутонаклонного участка конвейера. При этом они подвергаются значительным деформациям и испытывают по ширине и толщине различные напряжения не только по величине, но и по знаку, рис. 3.

Отрицательные значения напряжений символизируют наличие сжимающих усилий в ленте, положительные — растягивающих.

Рис. 3 Напряженное состояние ленты на переходном участке конвейера при расчетном натяжении для Н=25м. (внутренняя сторона кривой)

Всё это негативно сказывается на рабочем состоянии лент, поскольку они не могут воспринимать лаже незначительные сжимающие усилия, вызывающие потерю устойчивости их формы, образование склалок, расслоение лент и, как слелст-вие, резкое снижение срока службы.

Исслелования напряженно-леформированного состояния конвейерных лент (рассматриваемых как изотропная оболочка) были провелены с использованием программного комплекса «АНБУБ», поскольку он позволяет исслеловать увеличение жесткости оболочки пол лействием приклалываемых нагрузок.

В мировой практике эксплуатации крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой, лля исключения перехола ленты в зону сжимающих усилий, минимальное натяжение (Этт) в гру-зонесущей ленте необхолимо поллерживать равным 6 Н/мм ширины ленты, что соответствует примерно напряжению =360 кН/м2, [2].

Анализ молелей напряженного состояния конвейерных лент проволился лля лент с пролольными молулями упругости Ех = (2^5)-108 Па и поперечными молулями Еу=0,2 Ех , что соот-

3 - К = 1,4226(8к

9(Sкр/Bi) + 1

18,52

■512(8]

1(8кр,Вр

06,27

1 - К = 1,2857(8»

р/В])

4(8 кр;

ВЛ+

1,821

3 4 5 6

Натяжение 8кр, Н на мм ширины 1 прокладки ленты

■ 1 - при Ео=1000 Н/мм, Ansys А2 - при Ео=1350 Н/мм, Апэуэ Ф3 - при Ео=1500 Н/мм, Ап^

Рис. 4 Зависимость радиуса переходного участка от натяжения ленты

ветствует типам прокладочных лент, применяющихся на конвейерах производительностью до 7500 т/ч. с высотой подъема до 200 м [2, 3].

В результате проведённых расчётов, были установлены зависимости минимального радиуса переходного участка от натяжения ленты на этом участке и модуля упругости ленты, которые представлены на рис. 4.

Деформации и напряжения в ленте на крутонаклонных прямолинейных участках конвейера также зависят от модуля упругости ленты и в меньшей степени от ее ширины. Снижение деформаций краев лент и исключение отрицательных (сжимающих) напряжений возможно при уменьшении расстояния между роликоопорами или увеличении натяжении ленты в 2 -3 раза больше расчетной величины на рассматриваемом участке, рис. 5. Оба предлагаемых варианта имеют недостатки, но первый более приемлем, так как уменьшение расстояния между роликоопорами требуется всего на нескольких десятках метрах, в связи с увеличением натяжения по длине конвейера.

Проведенные исследования показали, что с увеличением модуля упругости ленты, деформации краев и середины ленты

3

95

2

В5

75

65

д 55

45

35

25

15

9.0Е+05

7.0Е+05

5.0Е+05

3.0Е+05

* 1.0Е+05

-1.0Е+050

-3.0Е+05

-5.0Е+05

4- Модуль упругости 2е10+8 у = -481562Х3 + 621472Х2 - 2Е+06Х+ 2Е+06

- Модуль упругости 3е10+8-у = -709223Х3 + 1Е+06Х2 - 2Е+06Х + 2Е+06

- модуль упругости 4е 10+8 у = -768720Х3 + 1Е+06Х2 - 3Е+06Х + 2Е+06

- модуль упругости 5е10+8 -у = -771792Х3 + 1Е+06Х2 - 3Е+06Х + 2Е+06-Критическое напряжение

расстояние между роликоопорами, м

Рис.5 Зависимость деформаций края ленты шириной 1,4 по оси X при различных модулях упругости

5

несколько уменьшаются. Несмотря на незначительные лефор-мации, лента с максимальным рассматриваемым молулем упругости в 5.108 Н/м2 имеет наибольшее ограничение расстояния межлу роликоопорами по лопустимым напряжениям (рис. 5).

Анализ зависимостей, прелставленных на рис.4 и 5 показал, что увеличение молуля упругости ленты в 1,5 раза при прочих равных условиях приволит к увеличению ралиуса пе-рехолного участка конвейера в 1,36 раза и к уменьшению расстояния межлу роликоопорами на 60—80 мм.

С увеличением площали поперечного сечения груза (например, ло 80 % загрузки станлартного ленточного конвейера) на краях ленты увеличивается зона, воспринимающая нагрузки, что вызывает увеличение и леформаций, и напряжений краев лент по сравнению с обычной нагрузкой крутонаклонного конвейера с прижимной лентой (~ 60 % загрузки станларт-ного ленточного конвейера) [3].

Полобные исслелования лля резинотросовых лент ло настоящего времени не проволились. При этом некоторые глубо-

кие карьеры нашей страны и стран СНГ подошли или перешли отметку 500 м глубины. Для установки в таких карьерах крутонаклонного конвейера с прижимной лентой потребовались бы ленты прочностью 6000—8000 Н/мм ширины, что предполагает применения резинотросовых конвейерных лент.

В настоящее время резинотросовые ленты выпускает ряд фирм, как у нас в стране, так и за рубежом. К сожалению, в каталогах всех фирм отсутствуют данные о продольном модуле упругости лент. Проводить масштабные эксперименты достаточно затруднительно, поэтому были получены значения модулей упругости резинотросовых лент расчетным путем, [4].

Продольный модуль упругости резинотросовой конвейерной ленты, Е (Н/м2), может быть определён по формуле

Е

Е = Е--(1)

' (и • пу

где Е( — суммарная площадь сечения тросов в ленте, м2; Е0 — модуль упругости троса, принимается 5,8 • 1010 Н/м2; —

диаметр троса, м2; И — шаг тросов в ленте, м; п — количество тросов в ленте, шт.

Количество тросов в ленте, п (шт), можно определить из выражения

п • (2)

И

где В — ширина ленты, м; 1 — расчетное расстояние от центра крайнего троса до борта ленты, м; И — шаг тросов в ленте, м. Суммарная площадь сечения тросов в ленте, м2

Е =1^, (3)

где п — количество тросов в ленте, шт.; ^ — диаметр троса, м2.

Расчеты были проведены для двух типов лент: фирмы ОАО «Курскрезинотехника» и Германской фирмы «СопИТесЬ», которые сведены в табл. 1.

Зависимость расчетного модуля упругости Е резинотросо-

вой ленты от ее прочности ^р приведена на рис. 6.

Таблица 1

Расчетные модули упругости резинотросовых конвейерных лент

№ п/п Разрывное усилие конвейерной ленты фирмы «СопйТесЬ», ор, Н/мм Расчетный продольный модуль упругости ленты Е, Н/м2 Разрывное усилие конвейерной ленты фирмы ОАО «Курск-резинотехника», 5р, Н/ММ Расчетный продольный модуль упругости ленты Е, Н/м2

1 1000 1,515-10№° 1000 1,298-10№°

2 1250 1,598-10№° 1500 1,855-10№°

3 1400 1,822-10№° 2500 2,318-10№°

4 1600 1,889-10№° 3150 2,55-10№°

5 1800 2,164-10№° 4000 2,67-10№°

6 2000 2,204-10№° 5000 2,881-10№°

7 2250 2,289-10№° — —

8 2500 2,364-10№° — —

9 3150 2,442-10№° — —

10 3500 2,597-10№° — —

11 4000 2,722-10№° — —

12 4500 2,936-10№° — —

13 5000 3,054-10№° — —

14 5400 3,197-10№° — —

15 6300 3,398-10№° — —

16 7100 3,619-10№° — —

Рис. 6 ленты

1-Ю10 1,5 10" 2 ИГ 2.510'° з-1()10 з^-Ш10

Продольный модуль упругости Е,Н/м2

. Зависимости расчетного модуля упругости Е резинотросовой от ее прочности стр

Как можно сулить по результатам расчетов, модуль упругости резинотросовой ленты более чем на порядок превышает модуль упругости прокладочных лент, что предполагает значительное увеличение радиусов переходных участков и более жесткие требования к величине расстояния между роликоопо-рами на линейной части конвейера.

Таким образом, при обосновании радиуса переходных участков конвейера, расстояния между роликоопорами линейной части его необходимо проверять возможные деформации и напряжения краев лент, а также величины её минимальных натяжений, чтобы не допустить не устойчивого движения лент, их перенапряжений и деформаций, что в конечном итоги приведёт к снижению срока службы.

На кафедре «Горная механика и транспорт» разработаны методика обоснования основных параметров крутонаклонного конвейера с прижимной лентой, а также имеется пакет прикладных программ для проверки состояния лент крутонаклонного ленточного конвейера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кучерский Н.И., Мальгин О.Н., Сытенков В.Н., Ларионов Е.Д., Иоффе А.М., Шелепов В. И. Эффективность проектируемого комплекса ЦПТ-руда с крутонаклонным конвейером для карьера Мурунтау. — Горный Журнал № 11 . — М.: 2005.

2. Шешко Е.Е., Атакулов Л.Н. Parameters of transitional section of high angle sandwich belt conveyors. Ж. Transport $ Logistika, № 3, 2005.

3. Касаткин А.А. Моделирование лент крутонаклонного конвейера с прижимной лентой для обоснования их деформаций // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009, — № 2. — С.260 — 265.

4. Галкин В.И., Дмитриев В.Г., Дьяченко В.П., Запенин И.В., Шешко Е.Е. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. — М.: МГГУ, 2011. ИЗШ

Галкин Владимир Иванович — локтор технических наук, профессор, заве-лующий кафелрой, [email protected], Шешко Евгения Евгеньевна — [email protected], Московский государственный горный университет.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ