CC BY
23
© Е.Е. Шсшко, A.A. Касаткин, 2012
УДК 622.64
Е.Е. Шешко, А.А. Касаткин
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ КРУТОНАКЛОННОГО КОНВЕЙЕРА С ПРИЖИМНОЙ ЛЕНТОЙ
Описан метод определения параметров линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Метод основан на моделировании напряженно — деформированного состояния лент конвейера, которое проводилось с использованием метода конечных элементов и программного комплекса ANSYS. Приведен пример определения параметров линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой.
Ключевые слова: крутонаклонный конвейер с прижимной лентой, параметры линейной части, моделирование напряженно-деформированного состояния лент конвейера.
Ухудшение технико-экономических показателей добычи минерального сырья при увеличении глубины карьера обусловлено главным образом ростом затрат на транспортирование. Известно, что отработка глубоких карьеров большой производственной мощности реально обеспечивается только при применении циклично-поточной технологии: автомобильно-конвейерном транспорте с использованием передвижных дробильно-перегрузочных пунктов модульного типа.
Современные требования к охране окружающей среды, поставили на повестку дня целесообразность использования в ряде случаев крутонаклонных конвейеров, в частности, крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой.
Крутонаклонные конвейеры с прижимной лентой (КНК), способные работать под углами наклона до 90°, не только на порядок снижают длину транспортирования по сравнению с ленточными конвейерами традиционной конструкции, но и упрощают транспортную трассу. Горная масса при транспортировании герметично
закрыта между грузовой и прижимной лентами, что предотвращает пылеоб-разование.
Большая степень унификации КНК с ленточными конвейерами открывает широкие возможности компоновки трассы, конфигурация которой может сочетать участки, работающие как традиционные ленточные конвейеры, и как КНК, но без перегрузок.
В мире установлено около двухсот КНК в разных отраслях промышленности, в том числе на карьерах, шахтах и обогатительных фабриках. Эксплуатация КНК подтвердила его работоспособность и экономическую эффективность.
Последние годы появляются проекты применения таких конвейеров для подъема из глубоких карьеров в России и в странах СНГ. Имеются предложения по созданию КНК со стороны заводов (ОАО «АЗОВМАШ», ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод» и др.).
Современные методики, созданные в научно-исследовательских и проектных комплексах, в том числе и в МГГУ, позволяют обосновать основные параметры КНК.
Вместе с тем, в большинстве методик, отечественных и зарубежных, также как в созданных установках, площадь поперечного сечения груза на конвейере принимается не более 50—60 % , чем для традиционного ленточного конвейера с той же шириной ленты, что увеличивает затраты на KHK.
Причиной уменьшения полезной ширины ленты KHK является возможность возникновения на линейной крутонаклонной части KHK деформаций и напряжений отдельных участков лент, несовместимых с условиями нормальной работы конвейера из-за значительных сил, действующих на ленты со стороны транспортируемого материала.
Деформации краев грузонесущей ленты могут привести к просыпанию груза между лентами KHK (по результатам экспериментальных данных их величина не должна превышать 0,005 м). Натяжения лент принимаются в соответствии с тем, что конвейерная лента не воспринимает даже незначительные сжимающие усилия: они могут вызвать потерю устойчивости, образование складок, расслоение прокладок, снижение срока ее службы. Поэтому минимальное натяжение в мировой практике принимается равным =6 Н/мм ширины ленты.
Методом определения неустойчивого режима работы KHK при увеличении степени его загрузки может явиться изучение напряженно-деформированного состояние (НДС) элементов системы «прижимная лента — груз — грузонесущая лента».
Kонвейерную ленту принято рассматривать как оболочку с ортотроп-ным линейно упругим свойством материала. Модули упругости по основе и по утку лент и значения реологических констант для учета динамических процессов могут быть получены экс-
периментальным путем для данного определенного типа лент.
Моделирование НДС лент KHK проводилось с использованием метода конечных элементов и программного комплекса ANSYS.
Геометрическая модель прижимной ленты (рис. 1, а) создана из пересекающихся трех дуг окружностей, повторяющих форму шапки груза и свободных краев грузонесущей ленты. Геометрическая модель грузонесущей ленты — из трех пересекающихся дуг окружностей (рис. 2, б).
^ординатная ось X направлена вдоль вектора движения грузонесу-щей ленты, ось Z — перпендикулярно движению ленты, а Y — по нормали к плоскости X-Z (перемещения вдоль этих осей — u, V и w).
При моделировании использовался элемент Shell-63, обладающий свойствами оболочек, и воспринимающий изгибы и нагрузки, лежащие как в его плоскости, так и нормальные к ней. Силы, действующие на ленты, в значительной мере зависят от высоты слоя груза, находящегося на конвейерной ленте. Линейные веса прижимной ленты и прижимного усилия, рассматриваемого конвейера, пересчитывались в давление, действующее на элемент расчетной модели.
Для примера был принят KHK с углом подъема ß=43о, производительностью Q=2000 т/ч, при высоте подъема Н=100 м, скорости движения ^=3,15 м/с и насыпной плотности транспортируемого груза у=1,9 т/м3. В результате расчета получено, что при ширине ленты В=1,2 м грузонесущая лента должна иметь 5, а прижимная лента — 3 прокладки прочностью на разрыв Kz =300 H/мм. Минимальное линейное прижимное усилие — 1206 H/м. Стяжения грузонесущей ленты на переходном участке принимаем
Рис. 1. Геометрические модели прижимной (а) и грузонесущей (б) лент KHK: L, Lp — длины моделируемых участков; O, Ol, O2 — центры окружностей, описывающих форму прижимной и грузонесущей лент груженного KHK; R, Rzl, Rz2 — радиусы окружностей; B — ширина ленты
5кр.гр=12500 H, а прижимной ленты — 5кр.пр= = 10000 H.
Анализ показал, что при загрузке принятой для традиционного ленточного конвейера при расчетном усилии прижимных модулей, возникают поперечные деформации (рис. 2, а), нарушающие герметичность системы «прижимная лента — груз — грузонесущая лента».
Увеличение натяжения прижимной ленты незначительно влияет на деформации, в большей мере на них влияет прижимное усилие. Дискретно увеличивая прижимное усилие, удалось установить, что деформации прижимной ленты (рис. 2, б) будут находиться в допустимых пределах только при увеличении линейного прижимного усилия до 2400 H/м.
НДС грузонесущей ленты KHK зависит не только от степени загрузки конвейера, натяжения ленты, линейного усилия прижим-
.031424 .OÊ2S4B .034272 .12569Ê
.015712 .047136 .07В5Ё .103904 .141406
б)
MX
-.002793 .00472 .012232 .019745 ,027257
. 964Е-03 .005416 .0159ЙЭ ,023501 .031
Рис. 2. Деформированное состояние прижимной ленты при линейном прижимном усилии равном: а) 1200 H/м, б) 2400 H/м
242
загрузки традиционного ленточного конвейера
145Е+0.7 124194 170Е+07 325Е+0.7 485Е+07
-663568 912155 249ЕИП 406ЕЧ07 564Е+07
Рис.4. Деформации по оси Z (а) и по оси У(б) и напряжения по оси X (в) при 80 %-й загрузке КНК
ных модулей, но и в значительной степени от расстояния между ролико-опорами: поэтому моделирование НДС грузонесущей ленты проводилось при варьировании всеми этими параметрами. Рассматривались следующие варианты загрузки КНК в процентах от загрузки традиционного ленточного конвейера (рис.3): а — 0,099 м2 (60 % загрузки); б — 0,131
м2 (80 % загрузки); в — 0,167 м2 (100 % загрузки).
При 60 %-й загрузке конвейера деформации лежат в допустимых пределах: максимальные деформации середины ленты по оси У не достигают 2 см, а деформации краев ленты по оси Ъ на порядок меньше допустимых. Напряжения краев ленты по оси X не переходят в зону не-
Рис. 5. Деформации по оси Z (а) и по оси У(б) и напряжения по оси X (в) при 100 %-й загрузке конвейера
устойчивого движения ленты, но находятся вблизи ее.
С увеличением площади груза (80 % загрузки конвейера) увеличивается зона краев лент, воспринимающих нагрузки. Это вызывает увеличение деформаций по оси У (рис.4), как середины ленты, так и краев. Напряжения по оси X в краях ленты переходят в зону неустойчивого движения ленты.
Значительно изменяется характер НДС грузонесущей ленты при 100 %-й загрузке конвейера в связи со значительным увеличением нагрузок на края ленты (рис.5). Максимальные деформации по оси У приходятся на края грузонесущей ленты и составляют 0,025 м (значительно превысив
допустимые пределы), середина ленты по оси У деформируется на 0,0097 м. Деформации края ленты по оси Ъ сменили направление и составили 0,0056 м (также превысив допустимые пределы). Появилось значительное понижение напряжений в краях ленты, которое может обусловить неустойчивость её движения.
Отличие характера НДС заключается в том, что максимальные деформации переходят с середины ленты на ее края. Загрузка, при которой происходит изменение вида НДС, лежит в пределах от 70 % до 100 % загрузки традиционного ленточного конвейера. Для обеспечения работоспособности исследуемого конвейера
о
<а ч:
0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002
0,000 -
-♦-НАТЯЖЕНИЕ 12.5кН у = 0,041х3 - 0,0961х2 + 0,0738х - 0,0181 /
-■-НАТЯЖЕНИЕ 25кН у = 0,0002х2 + 0,0007х - 9Е-05
НАТЯЖЕНИЕ 35кН у = 0,0009х2 - 7Е-05х + 0,0002 /
НАТЯЖЕНИЕ 50кН у = 0,002х2 - 0,0014х + 0,0008
— Критическая
деформация
^Ыг- _____1
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 расстояние между роликоопорами, м
1,4 1,5
Рис. 6. Зависимость деформаций краев ленты по оси Z от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесушей ленты при 80 %-й загрузке конвейера
0,5 0,6
расстояние между роликоопорами, м 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
1,4 1,5
0,000 -0,005 -0,010 -0,015 -0,020
? -0,025
а
р
о -&
е ч:
-0,030 -0,035
-НАТЯЖЕНИЕ 12.5кН у = -0,0487х3 + 0,0999х2 - 0,0749х + 0,0183
- НАТЯЖЕНИЕ 25кН у = -0,0134х2 + 0,0135х - 0,0039 — НАТЯЖЕНИЕ 35кН у = -0,0069х2 + 0,0057х - 0,0014 _
- НАТЯЖЕНИЕ 50кН у = -0,0058х2 + 0,0045х - 0,0011
\
-0,040
Рис. 7. Зависимость деформаций краев ленты по оси У от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесушей ленты при 80 %-й загрузке конвейера
при 100 %-й загрузке потребуется значительное увеличение натяжения грузонесушей ленты либо уменьшение расстояния между роликоопорами на большой части линейного участка, что может обусловить необходимость применения более прочной ленты.
Анализ зависимости НДС грузонесу-шей ленты от степени загрузки полотна конвейера, натяжения грузонесушей ленты, прижимного усилия и расстояния между роликоопорами показал, что имеется реальная возможность увеличения степени заполнения конвейера.
Были построены зависимости деформаций краев ленты по осям Ъ и У и напряжений по оси X, возникающих в нижней обкладке края ленты, от расстояния между роликоопорами при различных натяжениях грузоне-сущей ленты и степени загрузки конвейера, по которым можно корректировать расчетные параметры конвейера при увеличении загрузки.
Для примера, проанализируем НДС ленты рассматриваемого конвейера при 80 %-й загрузке. Значения деформаций краев грузонесущей ленты по оси Ъ для принятого расстояния между роликоопорами (1,2 м) не выходят из допустимых границ даже при расчетном натяжении 12,5 кН (рис.6). Для обеспечения допустимых деформаций краев ленты по оси У (рис. 7) необходимо либо ограничить расстояние между роликоопорами величиной 1 м (что сравнительно легко обеспечить), либо натяжение в начале линейного участка следует увеличить до 50 кН (что нельзя рекомендовать).
Напряжения, возникающие в краях грузонесущей ленты по оси X, являются наиболее сильным ограничивающим фактором, чем деформации (рис.8). Обеспечение допустимого напряжения при расчетном минимальном натяжении 12,5 кН для ленты шириной 1,2 м возможно только при расстоянии между роликоопорами — 0,5 м. При минимальном натяжении
1. Галкин В.И., Дмитриев В.Г., Дьяченко В.П. Запенин И.В., Шешко ЕЕ. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. — М.: Издательство МГГУ, 2005.
2. Касаткин A.A. Моделирование лент крутонаклонного конвейера с прижимной лентой для обоснования их деформаций //
25 кН расстояние между роликоопорами может быть увеличено до 0,9 м.
На рис. 6—8 горизонтальной чертой показаны максимальные значения деформаций и минимальные — напряжений для рассматриваемого конвейера.
Установка роликоопор грузонесу-шей ленты с переменным шагом в начале линейного участка, где натяжение минимальное, и увеличение расстояния между роликоопорами по мере повышения натяжения ленты до расчетной величины, позволит снизить металлоемкость КНК.
Так, на расчетном конвейере через каждые 5 м на линейной части КНК натяжение ленты возрастает на 5кН, следовательно, допустимое расстояние между роликоопорами можно увеличивать через каждые 5 метров на 0,3 м.
Для более широких лент (1,4—1,6 м) ограничения по напряжениям, воз-никаюшим в краях ленты, более жесткие. Исследования влияния статического модуля упругости, в диапазоне (2-5)-108 Н/м2, на НДС грузонесушей ленты показали, что деформация ленты уменьшается с повышением жесткости последней, но резко возрастает перенапряжение краев ленты.
Учитывая, что ограничения по напряжениям ленты являются, как правило, лимитируюшими по параметрам линейной части конвейера, модуль упругости ленты по основе должен составлять (3—3,5) -108 Н/м2.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Горный информационно-аналитический
бюллетень. — 2009, — № 2. — С.260 — 265.
3. Шешко ЕЕ., Касаткин A.A. Влияние напряженно-деформированного состояния лент крутонаклонного конвейера с прижимной лентой на его работоспособность // Горный журнал. — 2009, — № 1. — С. 79—82. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шешко Евгения Евгеньевна — кандидат технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, [email protected]
Касаткин Андрей Аркадьевич — дипломированный инженер, кандидат технических наук, менеджер ООО «Интертехсервис», член Тоннельной Ассоциации России.
