Теоретические исследования и конструирование ленточных конвейеров нового поколения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© Е. Антоняк, 2003

YAK 621.867.2

Е. Антоняк ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕАОВАНИЯ И КОНСТР"ИРОВАНИЕ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1.Ленточные конвейеры для горной промышленности.

Ленточные конвейеры, благодаря многим цепным преимуществам, являются весьма распространенным транспортным средством в горной промышленности. Так на буроугольных карьерах Польши эксплуатируется около 270 км ленточных конвейеров, на медных рудниках - 130 км, и на угольных шахтах - 605 км.

Снижение суммарной длины ленточных конвейеров в Польше объясняется реструктуризацией угольных шахт и последовательной концентрацией добычи из лав. В приводах этих конвейеров используются индукционные электродвигатели с коротко-замкнутым ротором на напряжение 500 или 1000 В и общей мощностью в несколько сот мегаватт. В шахтах чаще всего прменяются конвейеры с лентой шириной 1,2 м, реже с лентой шириной 1,0 м и все больше находят применение конвейеры с лентой шириной 1,4 или 1,6 м. До последнего времени наиболее длинные конвейеры были установлены на шахте Богданка - 2,45 км и шахте Пяст - 2,156 км. В настоящее время на шахте Мысловице установлен конвейер длиной 2,512 км. Большую группу составляют конвейера длиной от 1 до 2 км. Все чаще находят применение криволинейные конвейера и с пространственным изгибом [2].

Эффективность транспортирования ленточными конвейерами выше, чем другими транспортными средствами. Расходы на электрическую энергию, составляющие 35-45% издержек по эксплуатации конвейеров и существенно влияют на себестоимость окончательного продукта. В связи с этим во всем мире интенсивно ведутся научные, исследовательские и технические работы, целью которых является снижение энергоемкости транспортирования [5]. Особенно относится к длинным горизонтальным и наклонным конвейерам.

Электроэнергия, потребляемая приводными электродвигателями, расходуется на преодоление

различных сопротивлений движению ленточного конвейера. На горизонтальных конвейерах средней и большой длины на преодоление основных сопротивлений движению идет от 85 до 95% всей потребляемой энергии. Распределение сопротивления движению мощного горизонтального ленточного конвейера длиной около 1 км представлено на рис. 1 [4]

2. Теоретические разработки, используемые в конструкциях ленточных конвейеров нового поколения

Для конвейеров нового поколения характерны пониженная энергоемкость транспортирования груза и повышенная надежность. Основное влияние на конструкцию таких конвейеров оказывает требование по снижению величин сопротивлений движению и особенно главных, а также соответствующий подбор приводов и конструкция и физикомеханические свойства лент. Подход к технической реализации ленточных конвейеров нового поколения представлен на рис. 2, на котором обозначены также некоторые элементы, входящие в состав этих конвейеров как результат современных технических решений.

Знание методов расчетов сопротивления движению ленточного конвейера (таблица) позволяет предпринять технические мероприятия ограничивающие их энергоемкость [1]. Например, в результате фундаментальных исследований получено следующее выражение для сопротивления вдавливания ролика в ленту [6].

Р*/3 • I-

Wwg = Cwg • D-

Н/на роликоопору

где константа сопротивления вдавливанию

0,5 V,

C =

wg

м / Н

|l + (l-

Vw

03 - приведенный диаметр ролика, вызванный изгибом ленты в зоне контакта с роликом (1/03 = 1/0 -1/2р; где р - радиус изгиба ленты), м, (приведенный диаметр ролика 03 зависит от расстояния между ро-ликоопорами, веса ленты, нагрузки от груза и натяжения ленты, в большинстве случаев 03 = 0); 1цг, 1Ьос,-длина линии контакта ленты с центральным и боковым роликом, м; Рцг, РЬос2 - нормальные составляющие от нагрузки и от груза и ленты на центральном и боковом роликах, Н (от веса ленты и груза); у* - коэффициент вдавливания; к* - жесткость при вдавливании, Н/м.

Характер изменения сопротивления от вдавливания ролика в ленту, сопротивления от изгиба ленты

Рис. 1. Процентное распределение отдельных сопротивлений движению в длинном горизонтальном ленточном конвейере: 1 - сопротивление от вдавливания роликов в ленту, 2 - сопротивление от изгиба ленты, 3 - сопротивление от деформирования груза, 4 - сопротивление от вращения роликов, 5 - сосредоточенные сопротивления, 6 - дополнительные сопротивления

Сопротив-

ления

движению

Приводы

Ленты

Полное сопротивление

Низкое Натяжение ленты Высокое

Высокое Относительное провисание ленты Небольшое

мощность

В = 1200 мм преобразователя

фроликаІЗЗмм частоты

и сопротивления от деформирования груза в зави-

симости от натяжения ленты представлен на рис. 3.

Сопротивление от вдавливания роликов в ленту -для заданного типа ленты можно снизить путем снижения силы Рпг (например, распределяя нагрузку одного центрального ролика на два ролика) или путем повышения диаметра только центрального, наиболее нагруженного ролика. Считаем, что центральный ролик воспринимает 70% нагрузки, а боковые ролики только 15% [3].

Большую роль в снижении этого сопротивления играет конструкция ленты с правильно подобранными толщинами обкладок и реологическими свойствами.

Рис. 2. Схема процесса создания ленточных конвейеров нового поколения: a

- комплект роликов с центральным роликом повышенного диаметра, б - система подпора ленты ESIdler (фирмы Svedala), в - образец ленты новой конструкции Conquest фирмы Goodyear

Рис. 3. Сопротивление трения качения в функции натяжения ленты и ее провисания

Рис. 4. Ленточный конвейер Пиома 1200С с рекуперацией электроэнергии

- шахта Земовит

1. Технические реализации

ленточных конвейеров нового поколения

На основании теоретических предпосылок и анализа результатов измерений установлено, что самую высокую экономию электроэнергии можно получить на длинных почти горизонтальных или слабонаклонных ленточных конвейерах. Например, на шахте Земовит на слабонаклонных конвейере применены привода, управляемые преобразователем частоты, которые во время генераторной работы электродвигателей преобразуют получаемую энергию и передают ее в сеть. Ленточный конвейер типа Пиома 1200 С, работающий на шахте Земовит (рис. 4), при полной загрузке передает в сеть мощность порядка 400 кВт. Электрическое торможение с рекуперацией энергии преобразователем частоты оказывалось в определенных режимах работы конвейера (например, перегрузка, выключение питания) недостаточным, что вело к существенному разгону ленты и проблемам с механическим торможением. Необходимым оказалось значительное сокращение мертвого времени в срабатывании тормозов и введение дополнительного гидродинамического тормоза (ретардера) мощностью 100 кВт. Данный тормоз был установлен на участке разгрузочного барабана.

Гидродинамический тормоз преобразует без трения кинетическую энергию в теплоту. Рабочим телом является масло, охлаждаемое промышленной водой. Благодаря этому тормоз пригоден к длительной работе. Разумеется, в случае недостаточной загрузки конвейера электроприводы должны преодолевать сопротивление гидродинамического тормоза. Благодаря такому решению работа ленточного конвейера с такими завышенными отрицательными параметрами стала правильной и безопасной.

СВОАКА СОПРОТИВЛЕНИЙ АВИЖЕНИЮ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ

Основные сопротивления, возникающие по длине конвейера:

• сопротивление вращению ролика, зависящие от типа подшипника, уплотнения и смазки

• сопротивление вращению ролика, вызванного перекосом роликов

• сопротивление вдавливанию роликов в ленту

• сопротивление от деформирования ленты

• сопротивление от деформирования груза_____________________________

Сопротивления от наклона:

• вызванные подъемом груза (положительные)

• вызванные спуском груза (отрицательные)_________________________

Сосредоточенные сопротивления:

• сопротивление изгиба ленты на барабанах

• сопротивление в подшипниках и уплотнениях барабанов

• сопротивление от устройств очистки лент

• сопротивление от трения груза о направляющие борта в местах за-

грузки

• сопротивление от ускорения груза в местах загрузки______________

Дополнительные местные сопротивления, не появляющиеся во всех конвейерах:

• сопротивление движению ленты на роликах с опережением

• сопротивление, вызываемое перегрузкой на промежуточных бара-

банах

• сопротивление от переворота ленты

• сопротивление от плужкового сбрасывания

На длинных горизонтальных конвейерах к положительным дополнительным моментам следует отнести снижение количества приводов, перегрузочных пунктов, электротехнической аппаратуры и т.д. Таким образом, проявляется полностью обоснованная с точки зрения техники и экономики тенденция увеличивания длины конвейера в одном ставе (на шахте Мысловице работает конвейер длиной 2,51 км). Существенное снижение энергоемкости транспортирования ленточными конвейерами достигается также благодаря полному или частичному исключению перекоса боковых роликов верхних и нижних роликоопор, служащих для центрования хода ленты.

Значительное снижение энергоемкости транспортирования получается при использовании преобразователей частоты для управления приводами оснащенными индукционными электродвигателем с короткозамкнутыми роторами. Преобразователь частоты предназначен для пуска и плавной регулировки скорости вращения электродвигателей в обоих направлениях с возможностью рекуперации энергии при торможении. Благодаря оснащению программируемым микропроцессорным контроллером преобразователь частоты пригоден к работе в системах автоматической регулировки скорости ленточных конвейеров. Система управления преобразователем позволяет устанавливать время достижения требуемой скорости вращения, силы тока при пуске, тока торможения, величины перегрузочного момента, торможения с рекуперацией энергии в сеть в бремсберговых конвейерах; она также позволяет реализовывать плавный пуск и торможение электродвигателя и тем самым снижать амплитуды механических ударов возникающих во всей приводной системе, повышение ресурса приводных узлов и самого конвейера, снижение пускового момента до величины 1,2 от номинального момента, позволяет

применить на конвейере ленты с пониженной прочностью и тем самым уменьшить их массу. Существенным преимуществом преобразователей частоты является также выравнивание нагрузок между двигателями конвейера. Путем регулирования скорости ленты v в зависимости от грузопотока Q в соответствии с отношением v/vn =Q/Qn получается существенное снижение потребления мощности на приводах конвейеров и тем самым снижение энергоемкости транспортирования.

Применение приводов управляемых токовыми преобразователями частоты и ленты GTP ST 3150 фирмы FTT Stomil Wolbrom, с тросами диаметром 8,1 мм специальной конструкции и небольшим сопротивлением от вдавливания на ленточном уклонном криволинейным конвейере с высотой подъема 165 м, длиной 1080 м и производительностью 2000 т/час позволило получить малые величины коэффициента трения f (по DIN 22101) равной 0,011 для скорости ленты 1,1 м/с и 0,018 для скорости 3,315 м/с. Данный конвейер работает на шахте Ян-ковице. На нем также получено хорошее взаимодействие четырех приводных барабанов.

2. Заключительные замечания

Проблема энергоемкости имеет не только экономический аспект, но также и широко понимаемую охрану среды, выражаемую в том, что снижается производство электроэнергии и уменьшается выброс так называемых парниковых газов в атмосферу. Как показано выше, имеются большие возможности снижения расхода энергии при транспортировании на угольных шахтах. После периода спонтанного внедрения ленточных конвейеров вместо колесного транспорта и в обоснованных случаях вместо стволовых подъемов, а также после систематического снижения длины конвейерной доставки актуально необходимым является насыщение ленточных конвейеров техническими решениями, дающими в эффекте снижение расхода электроэнергии на доставку добычи. Со снижением энергоемкости транспортирования снижается расход узлов и элементов конвейера. Эту тенденцию можно проследить на примерах конкретных промышленных технических реализаций.

Приведенные выше теоретические рассуждения и введение в некоторых шахтах технических мероприятий дающих снижение энергоемкости транспортирования дополняется и обогащается творческим трудом инженерно-технических работников шахт и предприятий, занимающихся проектированием, а также производством конвейерных лент, роликов, электротехнических систем и остальных элементов конструкции ленточных конвейеров.

В заключение из многих других технических мероприятий снижающих энергоемкость транспортирования следует перечислить:

• контроль за прямолинейностью и чистотой конвейерного става,

• удлинение конвейеров,

• правильное конструктивное исполнение перегрузочных пунктов и снижение их количества,

• применение специальных конструкций роли-коопор и оптимизация расстояний между ними,

• создание лент с различными обкладками -рабочей, устойчивой к абразивному износу и ниж-

ней с малым сопротивлением от вдавливания роликов,

• более широкое применение приводов, управляемых токовыми преобразователями частоты, позволяющими регулировать скорость ленты и рекуперировать энергию, на бремсберговых конвейерах.

Представленные примеры технических реализаций обеспечивающих энергоемкую доставку добычи и повышение прочности ленточных конвейеров все шире адаптируются в условиях польских каменноугольных шахт.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антоняк Е. Расчеты ленточных конвейеров. Вузовские издания □ 1683, Силез. Пол. Гливице 1992.

2. Антоняк Е: Перспективы

развития горных восстающих ленточных конвейеров. Подъемно-транспортное оборудование, № 2, 2001.

3. Belt Conveyors for Bulk Materials. Fifth Edition Conveyor Equipment

Manufacturers Association (CEMA), USA 1997.

4. Goodyear Supplier News. Engineering and Mining Journal, July 1999.

5. Greune A.: Energiesparende Auslegung von Gurtförderanlagen. Dissertation, University of Hanover, Germany 1989.

6. Spaans C.: Calculation of the Main Resistance of Belt Conveyors, Bulk, Solids, Handling, nr 4, 1991.

7. Stetigförderer-Gurtförderer fbr Schbttgbter - Grundlagen fbr Berechnung und Auslegung. Deutsches Institut fbr Normung DIN 22101 e.V. Febr. 1982.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ежи Антоняк -профессор, доктор технических наук, Силезский технический университет, Гливицы, Польша.

© В.А. Бобин, А.Н. Ланюк, 2003

УАК 622.17

В.А. Бобин, А.Н. Ланюк

МЕТОА СОЗААНИЯ СЖИМАЮЩИХ УСИЛИЙ С ПОМОЩЬЮ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ПРЕССА*

Широко известен метод создания сжимающих усилий для испытания образцов на сжатие, растяжение и изгиб при помощи гидравлических прессов [1]. Типичные гидравлические пресса, создающие нагрузку 100 кН, имеют следующие характеристики: масса - 300-400 кг, потребляемая мощность трехфазного тока - 2-3 кВт, габариты (вместе со вспомогательным оборудованием и персональным компьютером) - 1500х1500х1500 мм.

Наличие гидравлической системы со шлангами высокого давления, высокий уровень потребления электроэнергии, значительные габариты и стацио-

нарные условия их размещения ограничивают область их применения только стационарными лабораториями. В то же время возникает производственная и технологическая необходимость в мобильных прессовых установках, не имеющих отмеченных выше ограничений.

Исследования были направ-лены на разработку нового принципа создания сжимающих вида усилий, который может быть использован для реализации мобильных прессовых установок, позволяющих значительно уменьшить их массу, энергопотребление, а также полностью отказаться от использования гидравлики.

Таким условиям отвечает гироскопический принцип создания силы, использующий энергию раскрученного маховика. Этот принцип был реализован с помощью экспериментальной лабораторной установки ГП-1 (гироскопический пресс-1), использующей двухстепенной гироскоп.

*Работа выполнена при содействии РФФИ (грант № 03-05-65824)