CC BY
8
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.86
ВЫБОР И РАСЧЕТ САМООЧИЩАЮЩИХСЯ БАРАБАНОВ ШАХТНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ
В.Ю. Анцев, П.В. Витчук, Н.А. Витчук, А.Н. Шафорост
Обеспечение надежной работы ленточных конвейеров включает в себя мероприятия по очистке их ленты, поскольку налипающий на рабочие органы груз нарушает нормальную эксплуатацию конвейера. Подобные мероприятия особенно актуальны для ленточных конвейеров, работающих в тяжелых условиях горнодобывающей промышленности. Одним из способов очистки ленты является применение самоочищающихся барабанов. Существует большое количество конструктивных исполнений самоочищающихся барабанов с общим принципом работы. Конкретная техническая информация о данных барабанах производителями не раскрыта. Поэтому было принято решение о проведении расчета и экспериментальной проверки основных технических характеристик самоочищающихся барабанов. Выбор наиболее перспективных вариантов исполнения самоочищающихся барабанов из всего многообразия номенклатуры их конструктивных исполнений осуществлялся на основе метода экспертного оценивания - метода векторов предпочтений. По результатам экспертного оценивания самоочищающихся барабанов были выбраны барабаны для приводной и натяжной станции. Для приводной станции были выбраны три варианта барабанов. Окончательный выбор был осуществлен на основе расчета тяговой способности каждого из барабанов. Были разработаны конструкции приводной и натяжной станций, содержащих самоочищающиеся барабаны. Применение разработанных приводной и натяжной станций для ленточных конвейеров, работающих в тяжелых условиях горнодобывающей промышленности, должно повысить эффективность очистки их ленты и, как следствие, улучшить эксплуатационные свойства конвейеров.
Ключевые слова: шахтный ленточный конвейер, самоочищающийся барабан, тяговая способность, передача трением, экспериментальный стенд.
Введение
Обеспечение надежной работы ленточных конвейеров включает мероприятия по очистке их ленты, поскольку налипающий на рабочие органы груз нарушает нормальную эксплуатацию конвейера. В особенности
подобные мероприятия актуальны для ленточных конвейеров, работающих в тяжелых условиях горнодобывающей промышленности.
Помимо рабочей (внешней) стороны ленты, загрязнению подвержена и нерабочая (внутренняя) сторона. Для каждой из сторон ленты причины и последствия загрязнения различаются. Так, для рабочей поверхности ленты, непосредственно контактирующей с грузом при его транспортировке, причиной загрязнения является налипание материала, а для нерабочей поверхности, контактирующей с обечайкой приводного и натяжного барабанов, является местная и/или локальная просыпь материала и общая запыленность пространства вокруг конвейера [1-3].
Последствиями загрязнения внешней стороны ленты являются: налипание материала на роликоопоры холостой ветви, приводящее к снижению ресурса их подшипников из-за увеличенного радиального биения; повышенный износ ленты; простой конвейера и снижение его производительности; увеличение эксплуатационных затрат.
Последствиями загрязнения внутренней стороны ленты являются: существенное снижение тяговой способности приводных барабанов, что является критичным для протяженных и высокопроизводительных конвейеров; повышенный износ ленты; боковой сход ленты; повышенный износ роликоопор рабочей ветви.
В отечественной практике для очистки ленты наиболее часто применяют различные механические очистные устройства, принцип работы которых основан на силовом воздействии рабочих элементов этих устройств на прилипший к ленте материал: скребковые, щеточные, роликовые, вибрационные [4-6] и др.
В зарубежной практике для очистки ленты широко применяют самоочищающиеся барабаны [7, 8]. Существует большое количество конструктивных исполнений самоочищающихся барабанов с общим принципом работы: захват и отбрасывание в сторону просыпанных фрагментов груза на основе сквозного строения барабана; сброс налипшего груза на основе деформации ленты выступающими элементами барабана.
Конкретная техническая информация о данных барабанах производителями не раскрыта. Поэтому было принято решение о проведении расчета и экспериментальной проверки основных технических характеристик самоочищающихся барабанов.
В силу трудоемкости процессов расчета, изготовления экспериментальных образцов и проведения эксперимента было принято решение о выборе наиболее перспективных вариантов исполнения самоочищающихся барабанов из всего многообразия номенклатуры их конструктивных исполнений на основе метода экспертного оценивания, а именно, метода векторов предпочтений [9].
По итогам экспертного оценивания предполагается выбрать три варианта исполнения самоочищающихся барабанов для приводной станции
конвейера и один - для натяжной. Из получившихся трех вариантов исполнения самоочищающихся барабанов для приводной станции приоритетный будет выбран на основе расчета тяговой способности.
Для проведения экспертного оценивания была сформирована рабочая группа, которая разработала информационные листки, содержащие сжатую информацию о рассматриваемых самоочищающихся барабанах. Каждый эксперт представляет строгое ранжирование альтернативных вариантов по предпочтениям на основе данных информационных листков. Краткое содержание информационных листков дано в табл. 1.
Таблица 1
Информация о рассматриваемых самоочищающихся барабанах
№
Наименование, схема
Преимущества
Недостатки
Крыльчатый барабан с прямыми крыльями
1. Невысокая стоимость.
2. Простота конструкции.
3. Одинаковая эффективность при движении ленты конвейера в обе стороны.
4. Способность работать с материалом любой дисперсности.
5. Высокая долговечность тяжелых серий
1. Низкая очищающая способность.
2. Высокий уровень шума и вибраций.
3. Ускоренный износ ленты
Крыльчатый барабан с прямыми крыльями, в пазы которых установлены по-лиуретановые вкладыши
2
1. Простота конструкции
2. Одинаковая эффективность при движении ленты конвейера в обе стороны
3. Способны работать с материалом любой дисперсности
4. Повышенная тяговая способность
1. Низкая очищающая способность
2. Высокий уровень шума и вибраций
3. Ускоренный износ контактных пластин и необходимость их замены
1
Продолжение табл. 1
№
Наименование, схема
Преимущества
Недостатки
Крыльчатый барабан с крыльями изогнутой формы, к поверхности которых привулканизированы резиновые накладки
1. Невысокая стоимость.
2. Простота конструкции.
3. Одинаковая эффективность при движении ленты конвейера в обе стороны.
4. Способность работать с материалом любой дисперсности.
5. Повышенная тяговая способность.
6. Возможность использовать любую подходящую резину для накладок, например, обрезки изношенной конвейерной ленты
1. Низкая очищающая способность.
2. Высокий уровень шума и вибраций.
3. Ускоренный износ накладок и необходимость их замены.
4. Сложность установки накладок.
5. Высокая вероятность отрыва накладок
Крыльчатый барабан с крыльями У-образной формы
4
1. Высокая выносливость.
2. Высокая сопротивляемость складыванию крыльев.
3. Отсутствие вибрации и излишних шумов.
4. Уменьшенный износ ленты
1. Малая очищающая способность.
2. Большая масса.
3. Одностороннее действие.
4. Ограниченная дисперсность удаляемого материала
Крыльчатый барабан со сварным ободом
5
1. Одинаковая эффективность при движении ленты конвейера в обе стороны.
2. Отсутствие вибрации и излишних шумов.
3. Уменьшенный износ ленты
1. Высокая стоимость и сложность изготовления.
2. Ограниченная дисперсность удаляемого материала
3
Окончание табл. 1
№
Наименование, схема
Преимущества
Недостатки
Крыльчатый барабан с шевронными крыльями
6
1. Высокая степень очистки.
2. Низкий уровень шума и вибрации.
3. Способность работать с материалом любой дисперсности.
4. Повышенная тяговая способность в случае с использованием резиновой обечайки.
5. Низкий износ ленты
1. Высокая стоимость и сложность изготовления.
2. Одностороннее действие
Спиральный барабан
7
1. Низкий уровень шума и вибрации.
2. Уменьшенный износ ленты.
3. Центрирует ленту
1. Низкая очищающая способность.
2. Одностороннее действие.
3. Ограниченная дисперсность удаляемого материала_
В состав экспертной группы были назначены семь квалифицированных экспертов, компетентных в области подъемно-транспортных, в том числе транспортирующих, машин. Результаты экспертного оценивания даны в табл. 2.
Таблица 2
Результаты экспертного оценивания предпочтительности вариантов самоочищающихся барабанов для приводной и натяжной станций
Для приводной станции Для натяжной станции
Э1 Э2 Э3 Э4 Э5 Э6 Э7 Э1 Э2 Э3 Э4 Э5 Э6 Э7
1 1 1 1 1 4 1 6 6 6 3 4 6 6
4 4 7 4 4 1 4 3 4 3 6 3 3 3
7 7 3 3 7 7 3 4 2 4 4 2 4 2
3 3 4 7 3 3 7 2 3 2 2 6 2 4
6 6 2 6 5 6 6 5 5 5 7 5 1 5
2 2 5 5 2 2 2 7 7 7 1 1 7 7
5 5 6 2 6 5 5 1 1 1 5 7 5 1
Согласно [9] для определения результирующего коллективного ранжирования необходимо найти вектора предпочтений для каждой компоненты, упорядочить по возрастанию суммы компонент векторов предпочтений, упорядочить альтернативные варианты в соответствии с упорядочением сумм компонент (табл. 3).
Таблица 3
Результирующее ранжирование самоочищающихся барабанов __для приводной станции __
Номер Вектора предпочтений Суммы Ранг Результирующее
компонент П1 П2 П3 П4 П5 П6 П7 компонент ранжирование
1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 7
2 5 5 4 6 5 5 5 35 6 2
3 3 3 2 2 3 3 2 18 3 5
4 1 1 3 1 1 0 1 8 2 6
5 6 6 5 5 4 6 6 38 7 2
6 4 4 6 4 6 4 4 32 5 3
7 2 2 1 3 2 2 3 19 4 4
Аналогичным образом была проведена процедура экспертного оценивания и определения результирующего ранжирования самоочищающихся барабанов для натяжной станции (табл. 4).
Таблица 4
Результирующее ранжирование самоочищающихся барабанов _для натяжной станции_
Номер Вектора предпочтений Суммы Ранг Результирующее
компонент П1 П2 П3 П4 П5 П6 П7 компонент ранжирование
1 6 6 6 5 5 4 6 38 7 1
2 3 2 3 3 2 3 2 18 4 4
3 1 3 1 0 1 1 1 8 2 6
4 2 1 2 2 0 2 3 12 3 5
5 4 4 4 6 4 6 4 32 5 3
6 0 0 0 1 3 0 0 4 1 7
7 5 5 5 4 6 5 5 35 6 2
Таким образом, по результатам экспертного оценивания самоочищающихся барабанов были выбраны:
- для приводной станции: крыльчатый барабан со сварным ободом; крыльчатый барабан с прямыми крыльями, в пазы которых установлены полиуретановые вкладыши; крыльчатый барабан с шевронными крыльями;
- для натяжной станции: крыльчатый барабан с прямыми крыльями.
В качестве объекта для применения самоочищающихся барабанов был выбран шахтный ленточный конвейер (рис. 1).
Рис. 1. Схема конвейера: 1 - загрузочное устройство; 2 - натяжная станция; 3 - разгрузочная
секция; 4 - приводная станция; 5 - отклоняющие барабаны; 6 - транспортирующая лента; 7 - роликовые батареи; 8 - очистные
устройства
Параметры конвейера: производительность - 890 т/ч; общая длина конвейера - 1000 м; угол наклона - 3°; высота подъема груза - 49,8 м; транспортируемый материал - уголь каменный среднекусковой; условия эксплуатации - весьма тяжелые; ширина ленты - 1000 мм; скорость движения ленты - 3,15 м/с; схема приводной станции - четырехбарабанная; мощность электродвигателя - 250 кВт; разгрузка - через головной барабан.
Для рассматриваемого конвейера был выполнен тяговый расчет по известным методикам [4-6], определены натяжения в сбегающей с барабана и набегающей на барабан ветвях ленты, рассчитано требуемое значение тяговой способности барабана.
Создаваемое приводной станцией значение тяговой способности может быть найдено на основе формулы Эйлера:
¿1 _ 0/Р
¿2
= / (1)
где ¿1 - натяжение в сбегающей с барабана ветви ленты; ¿2 - натяжение в набегающей на барабан ветви ленты; / - коэффициент трения между лентой и поверхностью барабана; р - угол обхвата барабана лентой.
Однако известно, что классическое уравнение Эйлера (1) не отвечает современным представлениям о сохранении энергии и трении твердых тел [10-14]. Вследствие расхождения фактического и расчётного значения
тяговой способности привода расчёт тяговой способности ведут с использованием коэффициента запаса по сцеплению Ксц. Значения этого коэффициента для ленточных конвейеров составляют Ксц = 1,3 ^ 1,4 [4-6].
В работе [15] было приведено уточнение формулы Эйлера (1) с учетом закона сохранения механической энергии и с учетом закона трения Амонтона-Кулона. Согласно [15] после соответствующих преобразований, коэффициент тяговой способности барабана ленточного конвейера может быть рассчитан следующим образом:
= 2 + /р
52 2 ~МР
Авторы данной работы в настоящий момент не могут однозначно утверждать о целесообразности применения как классической формулы Эйлера (1), так и известного ее уточнения (2), поэтому расчет тяговой способности всех трех выбранных для приводной станции самоочищающихся барабанов был выполнен с использованием обеих формул. Отметим лишь, что ни классическая формула (1), ни известное уточнение (2) не дают представление о взаимосвязи тяговой способности барабана с видом и формой его поверхности, контактирующей с лентой.
В результате расчета было установлено, что формула (2) по сравнению с классической формулой (1) для всех трех выбранных для приводной станции самоочищающихся барабанов дает большее на 18-20% значение тяговой способности.
Расчет по формулам (1) и (2) имел две особенности:
- значения коэффициента трения между лентой и поверхностью барабана / были получены экспериментальным путем [16];
- поскольку поверхность самоочищаются барабанов не является сплошным цилиндром, то значения угла обхвата барабана лентой были получены на основе моделирования деформации ленты о выступающие элементы барабанов с использованием среды SoHdWorks.
С учетом двух указанных особенностей результаты расчета в пределах 30 % отличаются от результатов расчета по тем же формулам (1) и (2) при использовании табличных значений / и допущения о том, что поверхность барабана является гладкой. Этот факт требует глубокого самостоятельного изучения.
По итогам расчета крыльчатый барабан с прямыми крыльями, в пазы которых установлены полиуретановые вкладыши, показал наилучшее значение коэффициента тяговой способности и был использован в составе приводной станции.
Приводная станция, содержащая крыльчатый барабан с прямыми крыльями, в пазы которых установлены полиуретановые вкладыши, показана на рис. 2. Натяжная станция, содержащая крыльчатый барабан с прямыми крыльями, показана на рис. 3.
Рис. 2. Приводная станция: 1 - самоочищающийся барабан; 2 - синхронизирующее устройство; 3 - рама; 4 - роликовая опора; 5 - привод
Рис. 3. Натяжная станция: 1 - разгрузочное устройство; 2 - роликовая опора; 3 - самоочищающийся барабан; 4 - рама
Применение разработанных приводной и натяжной станций для ленточных конвейеров, работающих в тяжелых условиях горнодобывающей промышленности, должно повысить эффективность очистки их ленты и, как следствие, улучшить эксплуатационные свойства конвейеров.
Список литературы
1. Бибиков П.Я. Очистка конвейерной ленты, взгляд на проблему // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 3. С. 300-302.
2. Николаев Е.Д., Костерин Л.С., Дмитрин В.П. Теоретические, экспериментальные и практические исследования очистки конвейерных лент // Горный журнал. 2000. № 4. С. 45 - 49.
3. Чаплыгин В. В., Николаев Е.Д. Практичная теория очистки конвейерных лент // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2015. № 2(12). С. 9-18.
4. Зенков Р.Л. Машины непрерывного транспорта. М.: Машиностроение, 1987. 432 с.
5. Ромакин Н.Е. Конструкция и расчет конвейеров. М.: ТНТ, 2012.
504 с.
6. Толоконников А.С., Потапов С.А., Витчук П.В. Машины непрерывного транспорта. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 245 с.
7. Каталог конвейерных барабанов. Официальный сайт компании Van Group. [Электронный ресурс]. URL: https://www.vangorp.biz/wp-content/uploads/2015/11/vg-catalog.pdf (дата обращения 09.06.2022).
8. Каталог конвейерных барабанов. Официальный сайт компании PCI. [Электронный ресурс]. URL: https://www.pcimfg.com/conveyor-pulleys-menu/ (дата обращения 09.06.2022).
9. Литвак Б.Г. Экспертные оценки и принятие решений. М.: патент, 1996. 271 с.
10. Андреев А.В. Передача трением. М.: Машиностроение, 1978.
176 с.
11. Семенов Л.Н. Передача силы трением гибкого элемента о шкив: метод. указания к лаб. работам. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1970. 22 с.
12. Исследование тяговой способности канатоведущего шкива лебедки: метод. указания к лаб. работе по курсу «Подъемники» / Н.Е. Курно-сов [и др.] / под. ред. Н.Е. Курносова. Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. 12 с.
13. Экспериментальное исследование тяговых характеристик поли-уретановой ленты / В.Ю. Анцев, П.В. Витчук, Н.А. Витчук, Н.Д. Рейхерт // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 7. С. 73-79.
14. Анцев В. Ю., Витчук П.В., Федоров А.В. Способы увеличения тяговой способности канатоведущего шкива // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. № 11-1. С. 436-446.
15. Лубенец Н. А. Натяжение гибкого тела при трении по блоку // Современные инновационные технологии подготовки инженерных кадров для горной промышленности и транспорта. 2017. №. 4. С. 210-216.
16. Экспериментальное исследование тяговой способности самоочищающихся барабанов шахтных ленточных конвейеров / В.Ю. Анцев, П.В. Витчук, Н.А. Витчук, Д.С. Федосеев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 7. С. 341-347.
Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой Anzev@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, доц., Vitchuk@,bmstu.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»,
Витчук Наталья Андреевна, канд. техн. наук, Vitchuk.Natalya@,mail.ru, Россия, Калуга, Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского,
Шафорост Александр Николаевич, канд. техн. наук, доц., shaforost@,tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SELECTION AND CALCULATION OF SELF-CLEANING DRUMS OF MINE BELT
CONVEYORS
V. Yu. Antsev, P. V. Vitchuk, N.A. Vitchuk, A.N. Shaforost
Ensuring reliable operation of belt conveyors includes measures to clean their belts, since the cargo sticking to the working bodies violates the normal operation of the conveyor. Such events are especially relevant for belt conveyors operating in the harsh conditions of the mining industry. One of the ways to clean the tape is the use of self-cleaning drums. There are a large number of designs of self-cleaning drums with a general principle of operation. The manufacturers do not disclose specific technical information about these reels. Therefore, a decision was made to conduct calculation and experimental verification of the main technical characteristics of self-cleaning drums. The selection of the most promising versions of self-cleaning drums from the whole variety of nomenclature of their constructive designs was carried out based on the expert evaluation method - the method of preference vectors. Based on the results of expert evaluation of self-cleaning drums, drums for drive and tension station were selected. Three drum options were chosen for the drive station. The final selection was carried out based on the calculation of the traction capacity of each of the drums. Designs of drive and tension stations containing self-cleaning drums were developed. The use of the developed drive and tension stations for belt conveyors operating in harsh conditions of the mining industry should increase the efficiency of cleaning their belts and, as a result, improve the operational properties of the conveyors.
Key words: mine belt conveyor, self-cleaning drums, traction capacity, friction transmission, experimental stand.
Antsev Vitaliy Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, Anzev@,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, docent, zzzVentor@yandex.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University Kaluga, Branch,
Vitchuk Natalia Andreevna, candidate of technical sciences, docent, vitchuk.natalya@,mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga State University named after K.E. Tsiolkovsky,
Shaforost Alexandr Nikolaevich, candidate of technical science, docent, shaforost@,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
References
1. Bibikov P.Ya. Cleaning of the conveyor belt, a look at the problem // Mining information and analytical bulletin. 2004. No. 3. pp. 300-302.
2. Nikolaev E.D., Kosterin L.S., Dmitrin V.P. Theoretical, experimental and practical studies of conveyor belt cleaning // Mining Journal. 2000. No. 4. pp. 45-49.
3. Chaplygin V. V., Nikolaev E.D. Practical theory of cleaning conveyor belts // Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2015. No. 2(12). pp. 9-18.
4. Zenkov R.L. Machines of continuous transport. Moscow: Mashino-stroenie, 1987.
432 p.
5. Romakin N.E. Design and calculation of conveyors. Moscow: TNT, 2012. 504 p.
6. Tolokonnikov A.S., Potapov S.A., Vitchuk P.V. Continuous transport machines. Tula: TulSU Publishing House, 2017. 245 p.
7. Catalog of conveyor drums. The official website of the Van Group company. [electronic resource]. URL: https://www.vangorp.biz/wp-content/uploads/2015/11/ vg-catalog.pdf (accessed 09.06.2022).
8. Catalog of conveyor drums. The official website of the PCI company. [electronic resource]. URL: https://www.pcimfg.com/conveyor-pulleys-menu / (accessed 09.06.2022).
9. Litvak B.G. Expert assessments and decision-making. M.: patent, 1996. 271 p.
10. Andreev A.V. Friction transmission. M.: Mechanical Engineering, 1978. 176 p.
11. Semenov L.N. Transmission of friction force of a flexible element on a pulley: method. instructions to the lab. Moscow: Bauman Moscow State Technical University, 1970. 22 p .
12. Investigation of the traction ability of the rope-carrying pulley of the le-bedka: method. instructions to the lab. work on the course "Lifts" / N.E. Kurnosov [et al.] / edited by N.E. Kurnosov. Penza: Publishing House of PSU, 2009. 12 p.
13. Experimental study of traction characteristics of polyurethane tape / V.Yu. Antsev, P.V. Witchuk, N.A. Witchuk, N.D. Reichert // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2020. No. 7. pp. 73-79.
14. Antsev V. Yu., Vitchuk P.V., Fedorov A.V. Ways to increase the traction capacity of a rope-carrying pulley // Proceedings of the Tula State University. Technical sciences. 2014. No. 11-1. pp. 436-446.
15. Lubenets N. A. Tension of a flexible body during friction on the block // Modern innovative technologies for training engineering personnel for mining and transport. 2017. No. 4. pp. 210-216.
16. Experimental study of the traction capacity of self-cleaning drums of mine belt conveyors / V.Yu. Antsev, P.V. Witchuk, N.A. Witchuk, D.S. Fedoseev // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2022. No. 7. pp. 341-347.
