Исследование сегрегации груза на ленточном конвейере под воздействием ударных импульсов
На правах рукописи
Ерофеева Наталья Валерьевна ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГРЕГАЦИИ ГРУЗА НА ЛЕНТОЧНОМ КОНВЕЙЕРЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2011 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»
Научный консультант: доктор технических наук, доцент Захаров Александр Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид Евгеньевич кандидат технических наук, доцент Мартынов Георгий Алексеевич
Ведущая организация: ОАО «СУЭК-Кузбасс»
Защита состоится 31 марта 2011 года в 1300 часов на заседании дис сертационного совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский госу дарственный технический университет» по адресу:
650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Факс: (3842) 36-16- e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».
Автореферат разослан февраля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Ленточные конвейеры находят широкое примене ние во многих отраслях промышленности: горной, металлургической, строи тельных материалов, химической.
При добыче полезного ископаемого ленточные конвейеры транспортируют крупнокусковые грузы. Конвейерная лента подвергается воздействию динами ческих нагрузок при прохождении крупных кусков по роликоопорам ленточно го конвейера. При ударах крупных кусков по ленте в ней формируются очаги ударно-усталостного разрушения. После многократных оборотов ленты новые очаги, взаимодействуя с появившимися при предыдущем обороте ленты очага ми, со временем образуют потенциально опасное сечение, способное вызвать поперечный порыв ленты.
Лента является наиболее дорогим и наименее долговечным элементом, существенно влияющим на эффективность транспортирования горной массы.
Стоимость лент составляет в среднем 50–70% стоимости конвейера. Еще боль шие эксплуатационные расходы связаны с заменой и ремонтом лент. Затраты на амортизацию лент на шахтах составляют 70–80% всех затрат на амортиза цию конвейера, поэтому решение вопросов, связанных с повышением ресурса конвейерных лент для транспортирования крупнокусковых материалов, имеет большое практическое значение.
При транспортировании грузов крупностью до 400 мм потеря работоспо собности конвейерных лент происходит: из-за общей потери прочности (сты ковка) – 43%, износа каркаса и нерабочей обкладки – 33%, истирания рабочей обкладки – 24%. Эти данные свидетельствуют о том, что одной из основных причин выхода ленты из строя является ударно-усталостное разрушение рабо чих обкладок и каркаса. Поэтому разработка методов и средств защиты конвей ерной ленты от ударного разрушения при транспортировании ленточными кон вейерами крупнокусковых грузов является важной научной задачей.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы КузГТУ для ОАО «СУЭК-Кузбасс» по теме № 203-2006 «Проведение исследований по повышению эффективности и безопасности ведения горных работ».
Целью работы является снижение динамических нагрузок на ленту при прохождении крупных кусков по роликоопорам линейных секций конвейера за счет сегрегации груза.
Идея работы состоит в использовании ударных импульсов для обеспече ния сегрегации транспортируемого груза на ленточном конвейере.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
– выявить закономерности изменения сопротивления перемещению круп ного куска в среде насыпного мелкокускового груза в зависимости от натяже ния ленты и пятна контакта куска с ней;
– разработать модель взаимодействия крупного куска с мелкокусковым насыпным грузом под действием ударного импульса на конвейерной ленте с учетом веса вышележащего над ним слоя горной массы, сил бокового давления и сил трения;
– определить изменение ударного импульса от степени удаленности куска от места приложения удара и высоты подсыпки из мелкокускового груза под нижней гранью крупного куска;
– создать методику определения параметров процесса сегрегации крупно кускового груза на движущейся конвейерной ленте под воздействием ударных импульсов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Сопротивление перемещению крупного куска в среде мелкокускового груза зависит от натяжения конвейерной ленты, пятна его контакта с лентой и описывается непрерывной кусочно-линейной функцией.
2. Математическая модель взаимодействия крупного куска с насыпным мелкокусковым грузом под воздействием ударной силы с изменяющимся во времени местом приложения ударного импульса, функционально зависящим от скорости движения конвейерной ленты, учитывает боковое давление насыпного груза и силы трения;
вес вышележащего над куском слоя насыпного груза;
снижение силы удара, прикладываемой к куску через подсыпку из мелкокуско вого груза.
3. Методика, основанная на рассмотрении по отдельным фазам взаимодей ствия крупного куска с мелкокусковой фракцией на конвейерной ленте с уче том изменения опирания его нижней грани, позволяет определить траекторию его движения и высоту сформировавшейся подсыпки, причем учитывается из менение положения куска до и после вхождения в зону ударного устройства.
Научная новизна работы:
– впервые установлено, что при подъеме переднего края куска над лентой на 28 мм сопротивление его перемещению нарастает по линейной зависимо сти;
– разработана математическая модель взаимодействия крупного куска с ударным устройством, отличающаяся тем, что она учитывает изменение места приложения импульса по длине куска при движении конвейерной ленты;
– впервые установлено, что в процессе сегрегации насыпного груза на кон вейерной ленте выделяется семь фаз взаимодействия крупного куска с ударным устройством.
Достоверность научных положений и выводов обоснована:
– теоретическими исследованиями процесса сегрегации груза на основе известных положений теоретической механики и механики насыпных грузов;
– экспериментальными исследованиями процесса сегрегации груза на про мышленном образце ленточного конвейера с частотным преобразователем ско рости, использованием видеосъемки и тензометрированием с оцифровкой сиг нала, применением серийно выпускаемых датчиков и приборов, прошедших метрологический контроль;
– достаточным объемом экспериментальных исследований, обеспечиваю щих достоверность результатов не менее 90%, и достаточным схождением тео ретических и экспериментальных результатов исследований.
Научная ценность работы заключается: в разработанной математической модели, описывающей процесс сегрегации насыпного груза на ленте;
в уста новленной закономерности изменения ударного импульса от степени удаленно сти куска от ударного устройства;
в установленных закономерностях снижения ударного импульса конвейерной лентой и подсыпкой из мелкокускового насыпного груза.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученная методика определения высоты слоя подсыпки под нижнюю грань крупного куска в зависимости от характеристик ударных импульсов для конкретных условий эксплуатации ленточного конвейера позволяет обосновать тип и пара метры ударного устройства.
Личный вклад автора состоит: в разработке конструкции стендов для ис следования поглощения ударного импульса конвейерной лентой и формирую щейся подсыпкой, для исследования интенсивности формирования подсыпки под нижнюю грань крупного куска при прохождении им ударного устройства;
в разработке и изготовлении ударного устройства для конвейера 1Л80;
в прове дении экспериментальных исследований, обработке и анализе их результатов;
в разработке математической модели и ее реализации в среде Delfi.
Реализация выводов и рекомендации работы. Результаты теоретиче ских исследований реализованы при создании полноразмерного образца удар ного устройства для конвейера 1Л80 и использованы в учебном процессе. Раз работанная методика определения высоты слоя подсыпки под нижнюю грань крупного куска в зависимости от характеристик ударных импульсов для кон кретных условий эксплуатации ленточного конвейера принята к использованию ОАО «КОКС» г. Кемерово.
Апробация работы. Работа и основные ее положения докладывались: на конференциях студентов и аспирантов Кузбасского государственного техниче ского университета (г. Кемерово, 20052008 гг.), на международных научно практических конференциях «Природные и интеллектуальные ресурсы Сиби ри» (г. Кемерово, 2004, 2008 гг.), на международной научно-практической кон ференции «Проблемы карьерного транспорта» (г. Екатеринбург, 2005 г.), на международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедея тельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 2005, 2007 гг.), на международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопас ность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Ке мерово, 2005, 2008 гг.), на российско-китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (г. Кемеро во, 2006 г.), на международной научно-практической конференции «Наукоем кие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Ново кузнецк, 2007 г.), на IV международном научном симпозиуме «Ударно вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2010 г.).
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 19 работ, кроме того, получен патент на полезную модель. Из них 4 работы опубликова ны в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 86 ри сунков, 11 таблиц, список литературы из 125 наименований и приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность темы, определены цель и за дачи диссертационной работы, отмечены научная новизна и практическая зна чимость работы.
Первая глава посвящена изучению проблемы транспортирования ленточ ными конвейерами крупнокусковых грузов.
Большой вклад в решение проблемы снижения динамических нагрузок при транспортировании крупнокусковых грузов внесли ученые А.О. Спиваковский, Н.С. Поляков, В.И. Галкин, В.Г. Дмитриев, Е.Е. Новиков, В.К. Смирнов, В.Ф. Монастырский, Я.Б. Кальницкий, В.С. Волотковский, И.В. Шуткин и др.
Вопросами перераспределения грузопотока на ленточном конвейере занима лись Е.Е. Шешко, Э.Г. Комар, Е.С. Кузнецов и др., на вибрационном конвейере – И.Ф. Гончаревич, И.И. Блехман, Г.Ю. Джанелидзе, А.И. Афанасьев и др.
Крупнокусковые грузы, транспортируемые ленточными конвейерами, как правило, не сортированы. В общем потоке можно наблюдать фракции различ ной кусковатости: от 0150 мм до 400600 мм. Интервал транспортирования кусков груза 300500 мм составляет 12 м, а кусков свыше 500 мм – 5080 м.
Как показывают многочисленные исследования, при транспортировании горной массы ленточными конвейерами, лента получает наибольшее число по вреждений в загрузочном пункте и на линейном ставе от взаимодействия с транспортируемым грузом. На конвейерах длиной 2550 м удельный вес износа на роликоопорах составляет 1015% от общего износа обкладки, а на конвейе рах длиной 200300 м – 6065%. На конвейерах длиной 800 м удельный вес из носа обкладки на роликоопорах является уже определяющим и достигает 85%.
Анализ работ показывает, что снижение динамических нагрузок при транспортировании крупных кусков по линейной части конвейера идет как по пути создания специальных типов роликоопор или всей конструкции линейной части, так и по пути формирования изолирующей подсыпки между конвейер ной лентой и крупными кусками. Обзор конструкции и анализ факторов пока зал, что наиболее перспективным без существенного изменения конструкции ленточного конвейера является создание изолирующей подушки из мелкокус кового груза. Сформировать такую подушку можно либо в зоне загрузки, при меняя загрузочное устройство с колосниками, либо по ходу движения ленты, используя явление сегрегации груза под воздействием вибрации, неизбежно возникающей на роликоопорах. Однако при применении колосников возможно забивание крупными фракциями пространства в решетке, в результате чего мо гут возникать просыпи, и, кроме того, происходит переизмельчение транспор тируемого груза. Причем в некоторых случаях (например, перегрузка транспор тируемого груза под углом) технологически трудно установить загрузочный лоток с колосниками.
Интенсифицировать процесс разделения фракций по крупности можно воздействием ударного характера на груженую ветвь ленточного конвейера.
Устройство наносит через определенный промежуток времени удары по нера бочей обкладке ленты. При прохождении куска через устройство по нему будет нанесено определенное количество ударов, под действием которых крупный кусок перераспределится в насыпном грузе с образованием под ним подсыпки из мелкокускового груза.
Вторая глава посвящена исследованию сопротивления перемещению крупного куска в среде мелкокускового груза на конвейерной ленте.
Третья глава посвящена разработке математической модели поведения крупнокускового груза на ленточном конвейере при воздействии на крупный кусок ударной силы. Выявлены зависимости коэффициентов поглощения силы удара конвейерной лентой и подсыпкой из мелкокускового насыпного груза.
Четвертая глава посвящена методике определения траектории движения крупного куска на ленточном конвейере с установленным ударным устрой ством для сегрегации насыпного груза. Установлено распределение ударных импульсов по длине конвейера. Произведено сравнение результатов математи ческого моделирования с экспериментальными данными.
В заключении представлены основные выводы, которые отражают ре зультаты исследований, научную новизну.
В приложении представлен алгоритм расчета траектории движения круп ного куска в среде мелкокускового груза на конвейерной ленте, к рабочей об кладке которой приложено ударное воздействие.
ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ 1. Сопротивление перемещению крупного куска в среде мелкокуско вого груза зависит от натяжения конвейерной ленты, пятна его контакта с лентой и описывается непрерывной кусочно-линейной функцией.
На основе принципа наихудшей для наблюдателя ситуации в качестве мо дели крупного куска выбран кусок прямоугольной формы с низко расположен ным центром тяжести, как вызывающий наибольшие динамические нагрузки и обладающий наибольшим сопротивлением перемещению в среде насыпного мелкокускового груза. Кусок уложен непосредственно на ленту и ориентирован длинной стороной вдоль ленты.
На крупный кусок с габаритными размерами axbxc действуют внешняя си ла F, силы Fb боковых давлений и силы трения Ftr на соответствующие грани куска транспортируемого груза, вес Gvc вышележащего слоя насыпного груза, а также возникающая под действием веса Gvc сила трения Ftr2 (рис. 1). Конвейер ная лента 1 в пролете l р между роликоопорами 2 под действием крупного куска I 3, собственного веса и веса насыпного мелкокускового груза 4 провисает на ве личину, зависящую от натяжения ленты S. При этом крупный кусок оказывает ся развернутым по отношению к горизонту на некоторое значение f. Под дей ствием внешней силы кусок начинает разворачиваться на угол.
Сила сопротивления, действующая на каждой грани при развороте куска на угол с учетом силы тяжести куска, силы бокового давления, силы трения и без учета составляющей силы сопротивления повороту единичного куска, G a cos( f ( S, lk )) b sin( f ( S, l k )) 2 a cos( f ( S, l k )) определяется следующим образом:
6 4 zc A 5 Ftr а hc х b С z Ftr 2 z5 = z Fb Gvc С S Ftr Ftr Ftr S G A Ftr z f Fb 1 F O lk 2 I A l p А-А B c vc 1I Gvc С Ftr Ftr zc b Fb Fb G l 4I dO B B Рис. 1. Положение крупного куска на конвейерной ленте в пролете между роликоопорами под внешним воздействием для грани B0 tg b cos 0 g (sin 2 m cos 2 )cb hc F1 4, (1) 3 a cos( f ( S, lk )) для грани Gvc ( xc cos( f ( S, lk )) zc sin( f ( S, lk )) cos( f ( S, lk )) f1b) F2, (2) a cos( f (S, lk )) для грани 3 с учетом дополнительного сопротивления от веса части насыпного груза, опирающегося на грань в процессе поворота куска B0 tg b b hc a sin cos 0 g (sin 2 m cos 2 )cb( af1 ) F3 4 2 a cos( f ( S, lk )) 12 cb 0 gtg( f ( S, lk )(a cos( f ( S, lk )) b sin( f ( S, lk )) 2 3 (3) a cos( f ( S, lk )) 12 b b c 0 gm(af ( a sin( f ( S, lk ))) 2 3, a cos( f ( S, lk )) для грани tg B0 B1 tg B1 tg a 2 b hc d B0 a sin 0mabf1g 2 F5 4 4, (4) 2 a cos( f ( S, lk )) для грани tg B0 B1 tg a 2 b B1 tg hc (c d ) B0 a sin 0 gmabf1 2 2 4 4 F6, (5) 2 a cos( f ( S, lk )) где hc – высота поперечного сечения груза на ленте;
B1 – ширина конвейерной ленты, опирающейся на центральный ролик трехроликовой желобчатой роли коопоры;
B0 – ширина насыпки в плане;
d – расстояние от точки 4 (рис. 1) крупного куска до места перехода конвейерной ленты с горизонтального участ ка на наклонный под углом l;
– расстояние от точки 3 (рис. 1) куска до точки приложения внешней силы F;
l – угол наклона боковых роликов;
z c, xc – рас стояние от центра тяжести вышележащего слоя насыпного груза до оси враще ния в двух взаимно перпендикулярных направлениях;
– угол естественного откоса в движении;
f – коэффициент внутреннего трения;
f1 – коэффициент тре ния мелкокускового груза о крупный кусок;
m – коэффициент подвижности ма териала;
0 – насыпная плотность транспортируемого мелкокускового матери ала;
Gvc vс a a 2 tg( f )c 0 g (a c)(hc b)2 0 gmf – скорректи рованный вес вышележащего слоя с учетом скатывания мелкокускового насыпного груза объемом, ограниченным точками 5–6–7–7I–6I–5I, с крупного куска и с учетом действующих сил трения в плоскостях, являющихся продол жением вертикальных граней куска (рис. 1)*;
vc – площадь вышележащего над крупным куском слоя мелкокускового груза, G – вес крупного куска;
f – угол первоначального наклона куска на ленте;
lk – местоположение куска в пролете между роликоопорами ленточного конвейера.
h b До достижения равенства f arctg с точка приложения силы a бокового давления (центр давления) на всех вертикальных гранях куска распо ложена ниже центра тяжести грани на расстоянии z b 6.
С целью детального рассмотрения всех действующих на крупный кусок сил в случае расположения его в среде мелкокускового насыпного груза на лен точном конвейере 1Л80 проведена серия экспериментов, согласно которым осуществлялся подъем внешней силой F единичного куска;
куска, у которого поочередно боковая грань 1, верхняя грань 2, боковая грань 3 и боковая грань засыпана мелкокусковым грузом.
а) б) грань F 17H, F, Н F =k с h F =k c h 140 грань 2 грань грань 3 120 12 грань 5 грань 100 грань 80 единичный кусок единичный кусок грань 60 40 20 h, мм h, мм 0 10 20 30 0 10 20 30 40 Рис. 2. Теоретические и экспериментальные зависимости сил сопротивления подъему куска габаритными размерами 390х190х190 мм и массой 19,5 кг:
а) при натяжении конвейерной ленты 6000Н;
б) при натяжении конвейерной ленты 10000Н * Верхним знаком «штрих» обозначены точки, противоположные указанным на рис. 1.
Экспериментальные данные отображены графиками из маркеров различ ной конфигурации, а теоретические – в виде сплошных линий. Причем теоре тические зависимости представлены кусочно-линейными непрерывными функ циями (рис. 2). То есть предлагается первоначальное изменение рассматривае мых сил сопротивления считать не мгновенным, а нарастающим по эмпириче ской зависимости F kc h до пересечения с графиками, полученными по расче ту выражений (15). Как можно заметить (рис. 2), расхождение между теорети ческими и экспериментальными результатами не превышает 10%.
2. Математическая модель взаимодействия крупного куска с насып ным мелкокусковым грузом под воздействием ударной силы с изменяю щимся во времени местом приложения ударного импульса, функциональ но зависящим от скорости движения конвейерной ленты, учитывает боко вое давление насыпного груза и силы трения;
вес вышележащего над кус ком слоя насыпного груза;
снижение силы удара, прикладываемой к куску через подсыпку из мелкокускового груза.
С точки зрения энергосбережения и целесообразности на величину силы и частоту ударного воздействия следует наложить ограничение – после первого удара кусок должен иметь, как минимум, одну точку опоры. Таким образом, предполагается такая траектория движения, при которой сначала приподнима ется один край куска, а после прохождения половиной длины ударного устрой ства – второй край. Поскольку в первоначальный момент формирования под сыпки она находится в неуплотненном состоянии, возможно кратковременное движение точки ОI вниз, то есть появляется дополнительное движение вокруг центра мгновенных скоростей. Следовательно, приняты следующие случаи вращения куска: при нанесении ударов по первой половине куска вращение от носительно точки О (рис. 1), после прохождения центром тяжести С ударного устройства при нанесении ударов в непосредственной близости от точки С вращение вокруг мгновенного центра скоростей и при нанесении последующих ударов по второй половине куска вращение относительно точки ОI (рис. 3, а, б).
При моделировании принимаются следующие допущения: а) заполнение сечения ленты грузом – 100%;
б) крупный кусок находится в среде мелкокуско вого насыпного груза, к которому применимы законы сыпучего тела;
в) крупный кусок имеет форму параллелепипеда с соотношением сторон a : c : b 1 : c a : b a 1 : 0,67 : 0,43;
г) под крупный кусок, находящийся под ударным воздействием, подсыпается по параболической зависимости мелкая фракция;
д) центр мгновенных скоростей совпадает с центром тяжести куска.
При построении математической модели взаимодействия крупного куска с насыпным мелкокусковым грузом под воздействием ударной силы использует ся дифференциальное уравнение вращения твердого тела относительно непо движной точки и для трех вышеописанных случаев принимает вид:
k n J M G ( ) M Gvc ( ) M Ftr () M Fb () M Fу (, t ), (6) i i 1 i 1 i k n J M Gvc () M Ftr () M Fb () M Fу (, t ), (7) i i 1 i 1 i k n J M G () M Gvc () M Ftr i () M Fbi () M Fу (, t ), (8) i 1 i где,, – угол поворота куска для трех различных случаев;
t – текущее время;
J – момент инерции куска;
M G (), M G (), M G () – момент от веса крупного куска;
M Gvc (), M Gvc (), M Gvc () – момент, создаваемый весом вы шележащего слоя насыпного мелкокускового груза, действующего на крупный k k k M Ftri (), M Ftri (), M Ftri () кусок;
– сумма моментов от сил трения, i i 1 i z а) a zc xc F Ftr tr b Gvc z z 5= z B hc I F Fb С tr 1 I F O F tr tr z1 G F 4 hI hп S I F f x b tr hп hу h S I I I O Fу a б) z xc G vc F2 zc tr F3 b hc tr F z tr F z1 z5= z6 R b F5 z IR tr Ox Fb G F tr h=h I O S 1 F п I II tr f x hп h S I I I I Fу Рис. 3. Схема действия приложенных на кусок сил под воздействием удара:
а) около центра тяжести куска;
б) по второй половине куска по ходу движения n n M Fb i (), M Fbi (), действующих на всех гранях крупного куска;
i 1 i n M Fb i () – сумма моментов, действующих на боковые грани крупного куска i от сил давления насыпного материала;
M Fу (, t ), M Fу (, t ), M Fу (, t ) – момент от силы ударного воздействия (i =1, 2, n, … k – порядковый номер грани куска).
Выражение для определения момента от сил бокового давления насыпного груза на крупный кусок:
b k M Fb i () a sin()0 g (sin m cos )c 6.
2 (9) i Момент от сил трения, действующих по всем граням, определится как c tg tg B B k M Ftr i () sign() hс 2 ( B0 c) 4 0 4 1 tg a sin 0 gmabf i 2 b cos ab B tg sign() hс 0 a sin 0 g (sin m cos ) 2 (10) 49 cb a f1 sign()Gvc cos( f ) b f1.
В В зависимости от характера движения сила сухого трения меняет свое направление, что учитывается функцией sign (). Момент от веса вышележащего слоя с учетом скатывания груза при до стижении углом наклона куска угла естественного откоса в движении и с учетом снижения веса вышележащего слоя насыпного груза под действием возникающих от бокового давления сил трения, удерживающих слой по пери метру куска, определится:
M Gvc () ((а vc a 2 tg( f ) с)0 g 4 (11) (a c)(hс b) 2 0 gm f1 )( zc sin( f ) xс cos( f )).
В результате движения куска на конвейерной ленте точка приложения ударного импульса постоянно смещается по длине куска, поэтому момент от ударной силы при прохождении первой по ходу движения половиной куска ударного устройства определится:
M F (, t ) ( Fу0 (t ) kl l (t ) kпhу (t )) cos( f ) (a (n 1)(I TV )), (12) у где Fу (t ) – мгновенное значение силы удара на рабочей обкладке конвейерной ленты, зависящее от формы импульса ударного устройства;
l – расстояние от ударного устройства до куска;
hу – высота от ленты до нижней грани куска в месте приложения силы удара;
– расстояние между местом приложения пер вого удара по куску и точкой ОI;
I – расстояние, пройденное куском между ударами;
n – количество нанесенных ударов по куску;
V – скорость движения конвейерной ленты;
Т – длительность удара.
I До подхода точки О к ударному устройству и после прохождения точкой О ударного устройства плечо действия силы Fу предполагается равным длине куска а. Плечо действия ударной силы при вращении без точки опоры принимает вид (n 1)(I TV ) a 2, а при вращении относительно точки ОI соответственно (n 1)( TV ).
I Еще до подхода точки ОI крупного куска к ударному устройству происхо дит передача ударного импульса по конвейерной ленте. Ослабление силы удара в зависимости от удаленности куска от ударного устройства происходит на ве личину k l (t ), где kl – коэффициент передачи ударного импульса по ленте.
l Кроме этого, ударный импульс частично поглощается попавшей под кусок мел кокусковой фракцией насыпного груза на величину kп hу (t ), где kп – коэффици ент, учитывающий ослабление силы удара, воздействующей на кусок за счет деформаций насыпного груза.
После прохождения половиной куска ударного устройства при воздей ствии ударного импульса в области его центра тяжести происходит потеря точ ки опоры и начинается вращение относительно центра мгновенных скоростей, что приводит к изменению направления действия сил и началу изменения направления вращения. В связи с кратковременностью этого периода сделано допущение о том, что центр мгновенных скоростей совпадает с центром тяже сти куска С. В процессе ударов по второй по ходу движения половине куска точка ОI продолжает свое движение.
В случае вращения куска без точки опоры момент сил бокового давления насыпного груза на крупный кусок принимает положительное значение, а в формуле (10) момента от сил трения, действующих по боковым граням, выра жение a sin заменяется на a 2 b 2 sin( k 1 ) a 2 b 2 sin( k ) a sin (13) с соответствующими плечами b 3 и а 2, где 1 – угол наклона куска в момент окончания вращения относительно точки О;
k – угол ОIСВ (рис. 2, а).
А в случае вращения куска относительно точки ОI заменяется на выраже ние:
a b2 sin( k 1 ) a 2 b2 sin( k 2 ) a sin, (14) где 2 – угол наклона куска в момент окончания вращения без точки опоры (рис. 2, б).
Под нижнюю грань крупного куска под действием ударных импульсов по ступает мелкокусковая фракция, данный процесс моделируется на основе экс периментальных исследований. Высота подсыпки мелких фракций, попавших в зазор между нижней гранью куска и лентой, зависит от скорости движения конвейерной ленты и имеет параболическую зависимость следующего вида:
2kз (k1 h 2 k2 h)kt hп, aс0k у где k1, k2 – коэффициенты, зависящие от скорости движения конвейерной лен ты, h – высота подъема точки ОI или О;
kз – коэффициент заполнения объема под крупным куском;
kt – коэффициент, учитывающий период, за который про исходит подсыпка;
kу – коэффициент уплотнения (учитывается только при дви жении точки О или точки ОI куска вниз).
3. Методика, основанная на рассмотрении по отдельным фазам взаи модействия крупного куска с мелкокусковой фракцией на конвейерной ленте с учетом изменения опирания его нижней грани, позволяет опреде лить траекторию его движения и высоту сформировавшейся подсыпки, причем учитывается изменение положения куска до и после вхождения в зону ударного устройства.
Расшифровка кинограммы движения крупного куска в среде насыпного груза на конвейерной ленте с установленным под ней ударным устройством позволила выделить несколько фаз движения крупного куска.
1. Еще до подхода крупного куска транспортируемого груза к ударному устройству за счет распространения ударного импульса по ленте первое по хо ду движения ребро (точка ОI) нижней грани получает первый существенный ударный импульс с учетом поглощения силы удара слоем мелкокускового гру за. При этом кусок начинает разворот относительно второго по ходу движения ребра (точки О).
2. При дальнейшем движении куска совместно с лентой первое по ходу движения ребро (точка ОI) нижней грани куска подходит к ударному устрой ству, причем точка ОI в конце 1-й фазы приподнята на определенную высоту над лентой. Кусок получает следующий ударный импульс в точку ОI нижней грани (начало 2-й фазы). В процессе удара кусок разворачивается так, что точка ОI куска приподнимается на некоторую высоту. После продвижения на расстояние, соответствующее периоду ударов, к куску снова прикладывается импульс, однако, как и в предыдущих случаях, сила удара непосредственно по куску снижена на величину, пропорциональную высоте от ленты до нижней грани куска в месте приложения силы удара. Несмотря на снижение силы уда ра, кусок продолжает движение, которое приводит к еще большему его разво рачиванию относительно точки О.
3. После прохождения центром тяжести куска ударного устройства проис ходит вращение крупного куска вокруг его центра тяжести до того момента, пока первое по ходу движения нижнее ребро не соприкоснется с формирую щейся подсыпкой из мелких фракций насыпного груза. В эту же фазу начинает поступать мелкая фракция и под второе по ходу движения нижнее ребро (точку О), приподнимая его на некоторую высоту.
4. После соприкосновения с подсыпкой первое по ходу движения нижнее ребро (точка ОI) продолжает опускаться, уплотняя ее.
5. Затем следует вращение относительно первого по ходу движения ниж него ребра (точки ОI), а в пространство под второе по ходу движения нижнее ребро (точку О) продолжает поступать мелкая фракция. Пятая фаза заканчива ется после прохождения куском ударного устройства.
60 hIп, мм h, I а) т.О экспериментальные значения 1I 2I 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 t, c 0, б) 60 hп, мм h, экспериментальные значения т. О 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 t, c 0, в) 350 H Fу, Fу ударный импульс t, c 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0, № фаз 2 3 1 4 Рис. 4. Траектория движения точек О и ОI куска при действии ударных импульсов с пофазным разделением: а) 1I – теоретические значения высоты подъема точки ОI, 2I – теоретические значения высоты подсыпки точки ОI;
б) 1 – теоретические значе ния высоты подъема точки О, 2 – теоретические значения высоты подсыпки точки О;
в) ударные импульсы с учетом поглощения силы удара мелкокусковым грузом 6. Далее кусок уходит от ударного механизма, однако под действием силы инерции кусок может продолжать разворачиваться с последующим опусканием точки О до момента соприкосновения с подсыпкой.
7. В конце последней фазы нижняя грань полностью опустится на сформи ровавшуюся уплотненную подсыпку из мелких фракций насыпного груза.
Теоретические параметры траектории точек ОI и О, полученные в резуль тате численного решения уравнений (6, 7, 8) с изменяющимися граничными условиями, реализованного в специально разработанной программе в среде Delfi, сопоставлялись с экспериментальными данными, полученными на полно размерном специально оборудованном лабораторном стенде на базе конвейера 1Л80. Расхождения не превышают 18% (рис. 4, а, б).
В качестве ударного устройства использовалась разработанная установка, состоящая из вала, на диске которого шарнирно закреплены четыре ролика.
При вращении вала ролики наносили удары по ленте с определенными значе ниями частоты и амплитуды, зависящими от скорости вращения двигателя.
Зависимость траектории движения куска показала, что при заданных ис ходных параметрах точка ОI успевает при проходе ударного устройства под няться на высоту подсыпки 20 мм (экспериментальное значение 18 мм), а точка О приподнимается на величину 13 мм (экспериментальное значение 12 мм). Такое положение куска следует считать наиболее благоприятным с точ ки зрения воздействия куска на ленту на роликоопоре, поскольку, как известно, первое нижнее по ходу движения ребро куска наносит более сильный удар, чем остальные его части.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи снижения динамических нагрузок на конвейерную ленту при прохождении крупных кусков по роликоопорам линейных секций за счет обеспечения сегре гации транспортируемого груза по крупности ударными импульсами, матема тическое описание которой позволяет обосновать параметры ударного устрой ства для конкретных условий эксплуатации, что существенно повысит эффек тивность транспортирования крупнокусковой горной массы на горных пред приятиях.
Основные результаты, полученные в процессе теоретических и экспери ментальных исследований, сводятся к следующему:
1. Местоположение крупного куска в пролете между роликоопорами из-за провисания ленты оказывает влияние на величину составляющих сил сопро тивления перемещению в среде более мелких. Без учета первоначального угла наклона куска при входе в зону ударного воздействия расхождение силы сопро тивления может достигать 10–15%.
2. На начальном этапе подъема крупного куска сила сопротивления пере мещению зависит от пятна контакта его с лентой и с достаточной точностью описывается линейной зависимостью. Для математического моделирования процесса сегрегации груза на конвейерной ленте функцию силы сопротивления перемещению крупного куска в среде мелких на конвейерной ленте целесооб разно рассматривать как непрерывную кусочно-линейную.
3. Математическая модель, определяющая положение куска в среде насыпного груза на конвейерной ленте с устройством для сегрегации груза, учитывает боковое давление мелкой фракции на крупный кусок и силы трения, возникающие под действием сил бокового давления и веса вышележащего над крупным куском слоя мелкокускового груза, а также место установки ударного устройства в пролете между роликоопорами. В модели учитывается снижение ударного импульса, прикладываемого к нижней грани крупного куска, подсып кой.
4. В результате распространения ударного импульса по ленте существен ное перемещение куска с формированием подсыпки целесообразно учитывать не только в зоне непосредственного взаимодействия с куском, но и на подходе, а также после прохождения им ударного устройства, причем снижение ампли туды ударного импульса от величины удаления куска происходит по линейной зависимости.
5. Процесс относительного движения куска на конвейерной ленте под воз действием ударного устройства целесообразно рассматривать по отдельным фазам, поскольку происходит изменение опирания его нижней грани и состоя ния подсыпки из мелкокускового груза. Разработанная методика, описывающая указанное движение куска, реализована в программе среды Delfi и позволяет подобрать параметры ударного импульса для обеспечения необходимой вели чины подсыпки.
6. Рациональные параметры ударного импульса, при которых достигается высота подсыпки под нижней гранью крупного куска 20–25 мм, при транспор тировании угля крупностью до 300 мм на конвейерной ленте шириной 800 мм со скоростью движения 2 м/с составляют: длительность удара – 16 мc, скваж ность – 2, амплитуда ударного импульса на рабочей обкладке – 450 Н.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах.
Статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень ВАК:
1. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Определение сопротивления принуди тельному перемещению крупного куска на конвейерной ленте под воздействи ем устройства для сегрегации насыпного груза // Горное оборудование и элек тромеханика. 2009. № 5. – С. 4044.
2. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Влияние формы импульса ударного устройства для сегрегации на характер поведения крупного куска в среде насыпного груза на конвейерной ленте // Отдельный выпуск Горного инфор мационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). 2009.
№ ОВ16. – С. 210215.
3. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Исследование интенсивности формиро вания прослойки из мелкой фракции между крупным куском и конвейерной лентой под действием устройства для сегрегации груза // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив. 2010.№ 1. – С. 134136.
4. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Определение траектории движения крупного куска в среде насыпного груза на конвейерной ленте под ударным воздействием устройства для сегрегации груза // Горное оборудование и элек тромеханика. 2011. № 1. – С. 3540.
Статьи, опубликованные в других изданиях:
5. Ерофеева Н.В. Пути снижения динамических нагрузок при движении крупнокусковых грузов по линейной части ленточного конвейера // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: тез. докл. X Междунар. науч.-практ.
конф. 2324 нояб. 2004 г. Кемерово, 2004. – С. 8587.
6. Радько И.Ю., Ерофеева Н.В. Моделирование процесса сегрегации насыпного груза на конвейерной ленте // Сборник лучших докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного технического университета: тез.
докл. юбилейной 50-й науч.-практ. конф. 1823 апр. 2005 г. Кемерово, 2005.
– С. 8385.
7. Ерофеева Н.В. Исследование параметров движения крупнокусковых грузов ленточными конвейерами при наличии вибрационно-ударного меха низма под лентой // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: тр. VII Междунар. науч.-практич. конф.
– Кемерово, 2005. – С. 136138.
8. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Исследование параметров ударного им пульса механизма для сегрегации транспортируемого груза // Проблемы карь ерного транспорта: тез. докл. VIII Междунар. науч.-практич. конф. 2023 сен тября 2005 г. – Екатеринбург, 2005. – С. 109110.
9. Ерофеева Н.В. Повышение безопасности эксплуатации ленточных кон вейеров с устройствами для обеспечения сегрегации груза по крупности // Без опасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: тез. докл. VI Междунар. науч.-практ. конф. 1516 нояб. 2005 г. Кемерово, 2005.
– С. 110111.
10. Ерофеева Н.В. Определение сопротивления всплыванию крупного куска в среде более мелких // Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений: тез. докл. IV Российско-Китайского симпо зиума 2122 сентября 2006 г. Кемерово, 2006. – С. 8081.
11. Прокопьев Д.И., Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Исследование ударного процесса вибратора при сегрегации сыпучего груза на конвейерной ленте // Сборник докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного тех нического университета: тез. докл. 52-й науч.-практ. конф. 1620 апр. 2007 г.
Кемерово, 2007. – С. 107109.
12. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В., Прокопьев Д.И. Влияние натяжения ленты на коэффициент поглощения силы удара конвейерной лентой // Науко емкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сб.
науч. статей / Сиб. Гос. индустр. университет. – Новокузнецк, 2007. – С.
117119.
13. Захаров А.Ю, Ерофеева Н.В. Моделирование движения одиночного крупного куска на конвейерной ленте под действием виброударника // Без опасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регио нах: тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. 1516 нояб. 2007. Кемерово, 2007. Том 1. – С. 206208.
14. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Особенности конструкции виброэле ментов для сегрегации крупнокускового насыпного груза на конвейерной лен те // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: тр. 6-й Межрегиональной науч.-практич. конф. 911 апр. 2008 г. Воркута, 2008. – Том 1. – С. 354360.
15. К вопросу определения сопротивления всплыванию крупного куска в среде насыпного груза на ленточном конвейере / Д.А. Северин, С.В. Фомичев, Н.В. Ерофеева, А.Ю. Захаров // Сборник докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного технического университета: тез. докл. 53-й науч.-практ. конф. 1418 апр. 2008 г. Кемерово, 2008. – С. 8587.
16. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Влияние величины провисания конвей ерной ленты на сопротивление движению крупного куска в процессе сегрега ции // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию уголь ной промышленности: тез. докл. Х Междунар. науч.-практич. конф. 1619 сен тября 2008 г. – Кемерово, 2008. – С. 114116.
17. Захаров А.Ю., Ерофеева Н.В. Определение зоны контакта крупного куска породы с конвейерной лентой при подъеме одной грани под воздействи ем внешней силы // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: тез. докл.
XII Междунар. науч.-практ. конф. 2021 нояб. 2008 г. Кемерово, 2008.
– С. 169171.
18. Ерофеева Н.В. Влияние параметров ударного импульса на эффектив ность сегрегации насыпного груза на ленточном конвейере // Ударно вибрационные системы, машины и технологии: сб. трудов IV Междунар. науч.
симпозиума 13 июня 2010. Орел, 2010. – С. 284287.
19. Патент на полезную модель №82687 (RU) МПК В65G 27/10. Ленточ ный конвейер / Ерофеева Н. В. (RU), Захаров А. Ю. (RU) №2008149346/22;
заявл. 15.12.2008;
опубл. 10.05.2009. 5 с.
Подписана в печать 21 февраля 2011 г.
Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатана на ризографе.
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ.
ГУ «Кузбасский государственный технический университет».
650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ГУ «Кузбасский государственный технический университет».
650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а