CC BY
49
- © В.Г. Дмитриев, П.Н. Чередник, 2014
УЛК 621.867.2
В.Г. Дмитриев, П.Н. Чередник
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАТЯЖЕНИЙ В ЛЕНТЕ КОНВЕЙЕРА
Изложены принципы построения системы с расширенной информационной и вычислительной базой для расчета статических и динамических натяжений в конвейерной ленте. Представлена схема обмена данными между используемыми в разработке современными программными средствами.
Ключевые слова: ленточный конвейер, автоматизированный расчет, алгоритм расчета, статика и динамика, интеграция системы расчета, пакеты прикладных программ.
Ленточные конвейеры находят широкое применение во многих отраслях промышленности: металлургической, горной, химической, строительных материалов и др. Их применение постоянно возрастает в связи с ростом грузопотоков и расстояний транспортирования. Это обусловило необходимость создания ленточных конвейеров большой длины и производительности привода. На горных предприятиях ленточные конвейеры позволяют использовать поточную и циклично-поточную технологии, широко внедрять автоматизацию производственных процессов, соответствуя при этом современным экологическим требованиям.
Характерной тенденцией современного развития ленточных конвейеров является увеличение их производительности, длины, мощности привода, ширины и прочности ленты. Создание мощных, высокопроизводительных, конкурентно-способных ленточных конвейеров, обладающих к тому же высокими экологическими показателями, возможно только на базе глубоких теоретических и экспериментальных исследований и использования результатов этих исследований в разрабатываемых уточненных методах расчета основных параметров и элементов конструкции
конвейера также являются одной из важных проблем.
В настоящее время существует мощная компьютерная вычислительная база, позволяющая формулировать и находить точные решения целых классов крайне сложных теоретических задач механики и сопромата, существующих в транспортной непрерывной технике. Использование на этапе расчетов возможностей современной компьютерной базы при разработке новых алгоритмов расчета позволит улучшить не только технико-экономические показатели ленточных конвейеров, но и обосновать возникающие новые конструктивные решения.
Существующие работы в области применения ЭВМ при расчете и выборе параметров конвейера ориентированы, либо на автоматизацию методов ручного расчета на ЭВМ [5], либо позволяют детально проводить только определенные этапы расчета [6], что не позволяет продуктивно использовать возможности современных компьютерных технологий.
В системе автоматизированного расчета особо подробно разрабатываются наиболее значимые этапы расчета конвейера, определяющие его технико-экономические показатели: расчет производительности, тяговый расчет, расчет ленты, прочность и др.
Основными расчетами, определяющими в дальнейшем многие параметры конвейера, являются тяговый расчет и следующий за ним расчет динамических процессов, связанных с пуском и торможением конвейера, поскольку эти расчеты определяют суммарное натяжение, по которому выбирается и рассчитывается прочность конвейерной ленты.
Основной целью разрабатываемой системы автоматизированного расчета является учет в ней последних теоретических достижений в обосновании параметров ленточных конвейеров, а также использование современной компьютерной базы и связанные с этим решение проблемы интеграции и переноса данных между принятыми специализированными программными средствами.
В качестве базы для разработки системы автоматизированного расчета ленточного конвейера с расширенной информационной и вычислительной базой, использована интегрированная среда разработки программного обеспечения. На основании анализа существующих специализированных программных средств разработан алгоритм обмена (интеграции) в системе автоматизированного расчета ленточного конвейера. Схема алгоритма которого приведена на (рис. 1).
Данные между программными средствами передаются с помощью электронных таблиц, обмен данных происходит стандартными средствами, что существенно упрощает работу системы в целом и с данными для пользователя. Хранение исходных данных, а также данные расчетов, различные каталоги, нормативно-справочная информация и др., осуществляется в системе управления реляционными базами данных (например, MS SQL Server).
Алгоритм автоматизированного расчета основных параметров конвейера представлен на рис. 2.
На первом этапе вводятся исходные данные (блок 1). Вся информация, необходимая для расчета, разделена на две группы: переменная и условно-постоянная. К переменной относятся исходные данные, которые должны готовиться вновь для каждого расчета, выполненного на ЭВМ, к условно-постоянным - исходные данные, которые многократно используются при расчетах. Здесь также задается производительность конвейера Q и скорость ленты V; по исходным данным автоматически формируется схема трассы конвейера, нумеруются характерные точки, указывается место расположения привода и натяжного устройства (рис. 3.) .
Рис. 2. Схема обмена (интеграции) системы автоматизированного расчета ленточного конвейера
В блоке 2 осуществляется предварительный расчет и выбор конструктивных параметров конвейера: диаметры роликов, масса вращающихся частей роликоопор верхней и нижней ветвей, расстояние между роликоопо-рами, тип и характеристика подшипников роликов, среднее число прокладок резинотканевых лент, ширина, масса ленты, диаметр и длина приводного барабана и др.
Степень детализации ориентировочного тягового расчета может быть различной [2]. Он выполняется традиционным методом обхода по контору с использованием общего коэффициента сопротивления движению (блок 4), задаваемого в специальной таблице [1, 2]. Результатами этого расчета являются: начальное, максимальное и минимальное статическое натяжения в контуре ленты, а также
Начало
1
Блок № 1. Ввод исходных данных, автоматическое формирование трассы, размещение и тип приводов и натяжных устройств, расположение загрузочных, разгрузочных и перегрузочных устройств
Блок № 2. Расчет и выбор конструктивных параметров
Блок № 3. Ориентировочный расчет
Блок № 4. Уточненный тяговый расчет
Блок № 5. Определение различных конструктивных параметров
Блок № 6. Расчет динамических усилий при пусковых и тормозных режимах
Конец
Пакет прикладных программ для решения задач техн. вычислений
Г
пц ,С'„ ВЦ С' № .С' т. & ВЦ
г? у у '/." И
-дл-
Рис. 2. Укрупненная схема алгоритма автоматизированного расчета натяжения ленты конвейера и образцы файлов: 1 - для статического расчета ленты трубчатого конвейера; 2 - для статического расчета ленты конвейера традиционной конструкции; 3 - для прочностного расчета барабанов; 4 - для расчета переходных кривых; 5 - для расчета динамических процессов в ленточных конвейерах
Рис. 3. Вариант автоматического задания трассы ленточного конвейера
тяговое усилие. При необходимости выполняется уточненный тяговый расчет, при этом количество характерных точек, в которых определяются натяжения, гораздо больше. В основу данного расчета положен метод последовательного суммирования отдельных сопротивлений движению, возникающих на единичных роликоопорах ир1 [4] с учетом сил, определяемых углом наклона соответствующего участка конвейера, т.е. расчет натяжения происходит так, как оно формируется в ленте в реальном физическом процессе по мере движения ленты от точки сбегания (Т1) к точке набегания (Т6), при этом в качестве начального натяжения 5сб = Б1 используется натяжение, полученное в результате ориентировочного тягового расчета: Т1.
в^+и
з^+ир,,
(1)
Т6. 56=51+Х
+Х Ж
величин и , и и
деф е
ется к
1 и.
п р1
где Ж. - сумма всех сосредоточенных сопротивлений, последовательно встречающихся на трассе конвейера при обходе контура ленты.При таком подходе нет необходимости использовать различные аналитические формулы, предлагаемые для аппроксимации экспериментально полученных коэффициентов сопротивления движению, решать, часто весьма приближено, сложные дифференциальные уравнения, описывающие изменение натяжения по длине конвейера, и пр. [1, 3].
На основании современного подхода к тяговому расчету ленточного конвейера установлено, что сила сопротивления движению на единичной роликоопоре ир состоит из трех составляющих: силы сопротивления от деформирования ленты и груза идеф, силы сопротивления от вдавливания роликов в ленту - ивд, и сила сопротивления от вращения роликов и .
1 вр
Для этого случая разработана модель, позволяющая максимально точно описать процесс формирования силы сопротивления движению на единичной роликоопоре ир..
В данной системе для определения программа обраща-универсальному прикладному пакету (например, пакету ЛНБУБ, решающему поставленные задачи методом конечных элементов), из которого автоматически вызывается файл с предварительно созданной расчетной моделью и соответствующими запрашиваемыми базовыми характеристиками: тип роликоопоры, ширина ленты и пр. (рис. 4, а, б), которые дополняются в соответствии с заданными конкретными характеристиками: физико-механические свойства ленты и ее груза, скоростью ленты, температурой окружающей среды, степенью заполнения поперечного сечения ленты и др.Аналогично, с использованием этого же пакета, определяется сила сопротивления от вдавливания роликов в ленту. Сила сопротивления от вращения роликов на основании многочисленных экспериментальных данных рассчитывается аналитически. Далее выполняется числовой расчет суммарной силы сопротивления и . Для этого на модели ленты (рис. 4) создается начальное натяжение (Б1), задаются распределенные по поверхности ленты
Рис. 4. Пример расчетной модели для определения силы сопротивления иаеф: а - для роликоопоры с роликами равной длины, б) с укороченным средним роликом
нагрузки, определяется ее деформированное состояние и рассчитывается силы сопротивления иаеф1; аналогично с использованием соответствующей модели определяется сила и г Затем с учетом силы Цвр определяется суммарная сила сопротивления и, и учитывается дополнительная сила от угла наклона участка и полученная результирующая сила суммируется с натяжением в,; т.е. в. = + и ; да-
1' 1 1-1 тР^1
лее цикл расчета повторяется. Циклы различных вариантов расчета ир2 повторяются столько раз, сколько роли-коопор находится на соответствующих участках грузовой и порожней ветвей конвейера.
В частном случае пользователь может самостоятельно спроектировать конструкцию роликоопоры в двух- и
трехмерной подсистеме автоматизированного проектирования и черчения с последующим конвертированием ее в универсальную программную систему конечно-элементного анализа, задав соответствующие нагрузки.
По результатам уточненного тягового расчета при найденном натяжении с использованием соответствующего файла определяются конструктивные параметры переходных кривых (центральный угол, радиус кривизны и длину дугу) (позиция 4 на рис. 2), и уточняют мощность привода, тип двигателя и редуктора (блок 5). Значения числовых параметров выбираются из информационной базы системы автоматизированного расчета.
Расчет динамических усилий, возникающих в ленте при ее пуске и торможении в загруженном и порожнем состояниях, производят для различных вариантов, отличающихся или типом натяжного устройства, или местом его расположения на трассе конвейера (блок 6). По сумме статического и динамического усилий определяют необходимую прочность ленты.
Как показано выше, для получения суммарной силы сопротивления на протяженных участках ленточного конвейера необходимо просуммировать переменные силы сопротивления на единичных роликоопорах - ир1. Эти силы из-за изменяющегося натяжения
меняются по мере движения ленты от места загрузки конвейера к месту разгрузки. Следовательно, изменение натяжения по длине конвейера имеет нелинейный характер (рис. 5, а). Соответственно нелинейно изменяется и коэффициент сопротивления движению (рис. 5, б), а вместе с ним нелинейно изменяются падающие, преломленные и отраженные волны динамических натяжений (Б.А. Кузнецов). Теоретический анализ динамических процессов в ленте при такой постановке становиться практически невозможен.
Поэтому в предлагаемой системе при инженерных расчетах дополнительных динамиеских нагрузок использовано моделирование на ЭВМ.
При решении задачи с использованием ЭВМ важным моментом является постановочная часть задачи и ее последующая адекватная реализация на ЭВМ.
Весьма распространенным методом решения является метод кусоч-но-ленейной апроксимации (O.A. За-лесов). С использованием уравнения Ёагранжа второго рода для каждого выделенного участка получают дифференциальное уравнение второго по-
Рис. 5. Характер изменения статического натяжения Б(х) (а) и коэффициента сопротивления №(х) (б) по длине конвейера; (в) дискретная модель для анализа динамических процессов
рядка, при этом в задаче возможен учет различного рода нелинейностей, реологических свойств ленты, различных вариантов пуска двигателя и пр.
Так, например, для ленточного конвейера, представленного в виде модели с пятью дискретными участками на грузовой ветви, одним участком на порожней (рис. 4, в), и грузовым натяжным устройством, расположенным в хвостовой части конвейера, с учетом предварительно выполненного тягового расчета и полученных усредненных значений коэффициентов сопротивления движению Ш1' на этих участках, соответствующая расчетная схема имеет вид, изображенный на рис. 5, в.
Система из 7 обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая нестационарные процессы в дискретной модели конвейера с переменными по его длине коэффициентами сопротивления и другими видами нелинейности, представлена в системе в виде цифровой модели в пакете прикладных программ для решения задач технических вычислений, например, БтиИпк (МаНаЬ), что позволяет установить зависимость динамических нагрузок в ленте конвейера от типа привода, его пусковой аппаратуры, основных конструктивных параметров конвейера, температуры окружающей среды и пр.
Данные расчеты с учетом ранее полученных результатов производятся в автоматически вызванном пакете прикладных программ для решения задач технических вычислений с последующей их выгрузкой
в систему автоматизированного расчета (посредством электронных таблиц Excel) (рис. 1.).
Пользователь имеет возможность остановиться на любом из блоков расчета и вывести получившиеся рассчитанные данные на печать (см. рис. 2.).
Одной из сложных проблем при разработке описанной системы автоматизированного расчета ленточного конвейера является проблема интеграции и взаимодействия между всеми средствами программного обеспечения, используемыми на различных этапах расчета ленточного конвейера. Эта так называемая проблема семантической интероперабельности (СИ, Semantic Interoperability). Особенно эта проблема сложна для программных систем.
В современном определении «Семантической интероперабельности информационных систем» [7] акцент делается на видимую и меньшую (хотя и очень трудную) часть задачи: на обмен данными между информационными системами и полную автоматическую интерпретацию принимающей системой смысла передаваемой информации. Данная проблема решается при помощи передачи данных посредством электронных таблиц MS Excel, или через команды посредством методов и процедур обработки информации при непосредственном обращении к расчетному ядру пакета ANSYS и\или ядру пакета MatLab. Достаточно вызывать из программы написанные ранее или сгенерированные скрипты на Java-Script, инициализировать апплет ANSYS и после этого отсылать ядру команды для расчета.
Подобный механизм использован и для интеграции системы автоматизированного расчета с пакетом прикладных программ для решения задач технических вычислений MatLab. Для взаимодействия языков программирования C# и MATLAB, разработчиками создан соответствующий типу
MATLAB тип данных MWArray C#. MWArray - это массив массивов, он может состоять из переменных, скаляров, векторов, матриц, строк, структур, объектов и т.д. Для получения каких-либо значений из MWArray нужно использовать приведение типов. Алгоритм работы приложения следующий:
• получение функции в символьном виде и значений с текстовых полей;
• вызов метода plane из класса planeClass;
• получение выходного массива descriptor (тип MWNumericArray);
• вывод массива descriptor в переменную для дальнейшей работы.
Для хранения нормативно-справочной информации в информационной базе, использована система управления реляционными базами данных MS SQL Server. Эта система не предназначена непосредственно для разработки пользовательских приложений, а выполняет функции управления базой данных. MS SQL Server поддерживает работу с крупными базами данных, что преимущественно для системы автоматизированного расчета.
Наличие в системе модуля, оптимизирующего конструктивные параметры конвейера, например в соответствии с работой [3], позволяет с использованием полученных числовых данных выполнить оптимизацию различных параметров конвейера.
Кратко описанная в данной статье система расчета натяжений ленты является одним из блоков более общей системы автоматизированного проектирования ленточных конвейеров (САПР), разрабатываемой на кафедре Горной механики и транспорта МГГУ. Так на рис. 1 показаны созданные файлы (номер 3 и 4), которые могут быть использованы для прочностного расчета любого барабана конвейера, а также установления параметров переходных кривых.
Создаваемая САПР расчета ленточного конвейера с использованием расширенных вычислительных и информационных возможностей, в которой используемые для числовых расчетов модули и алгоритмы, разработаны на высоком научном уровне с использованием постоянно обновляемыми экспериментальными
1. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В. Г. Теория и расчет ленточных конвейеров - М: Машиностроение, 1987. - 336 с.
2. Галкин В.И., Дмитриев В.Г. и др. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. - М.: Горная книга, 2011. - 527 с.
3. Дмитриев В.Г., Бажанов П.А. Экономико-математическая модель ленточного трубчатого конвейера для оптимизации его параметров по техническим критериям //
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
и теоретическими данными, а также с применением вновь создаваемых и усовершенствованных программных средств, позволяет улучшить технико-экономические показатели отечественных ленточных конвейеров, снизить капитальные затраты, энергопотребление, повысить их надежность и долговечность.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 5. - С. 218-220.
4. Сергеева Н.В. Обоснование метода расчета сопротивления движению ленты на линейной части трубчатого конвейера для горных предприятий: Автореф. дис. к-та тех. наук. - 2009. - 24 с.
5. http://www.cad.ru/ru/software/
6. http://www.sapr.ru
7. http://ru.wikipedia.org [¡ЮЗ
Дмитриев Валерий Григорьевич - доктор технических наук, профессор, Чередник Павел Николаевич - аспирант, e-mail: [email protected], Московский государственный горный университет.
UDC 621.867.2
AUTOMATED CALCULATION SYSTEM FOR STATIC AND DYNAMIC STRESSES IN A CONVEYOR BELT
Dmitriev V. G., Doctor of Technical Sciences, Professor, Cherednik P.N., Graduate Student, e-mail: [email protected], Moscow State Mining University.
The article sets out principles of constructing a calculation system with the extended data bank and computation for static and dynamic stresses in a conveyor belt. The scheme of the data exchange between the state-of-the-art software environments is described.
Key words: belt conveyor, automated calculation, calculation algorithm, statics and dynamics, calculation system integration, application program package.
REFERENCES
1. Shahmejster L.G., Dmitriev V.G. Teorija i raschet lentochnyh konvejerov (Theory and calculation of belt conveyors), Moscow, Mashinostroenie, 1987, 336 p.
2. Galkin V.I., Dmitriev V.G. Sovremennaja teorija lentochnyh konvejerov gornyh predprijatij (Modern theory of belt conveyors in mining), Moscow, Gornaja kniga, 2011, 527 p.
3. Dmitriev V.G., Bazhanov P.A. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten, 2011, no 5, pp. 218-220.
4. Sergeeva N.V. Obosnovanie metoda rascheta soprotivlenija dvizheniju lenty na linejnoj chasti trub-chatogo konvejera dlja gornyh predprijatij (Justification of the method for calculating belt travel resistance on the linear section of tubular belt conveyors in mines), Candidate's thesis, 2009, 24 p.
5. http://www.cad.ru/ru/software/
6. http://www.sapr.ru
7. http://ru.wikipedia.org
