Обоснование параметров магнитных элементов, встроенных в ленту конвейера
На правах рукописи
Пешков Сергей Владимирович ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ВСТРОЕННЫХ В ЛЕНТУ КОНВЕЙЕРА Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2009 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении выс шего профессионального образования «Кузбасский государственный техниче ский университет» Научный руководитель доктор технических наук, действительный член Академии горных наук Захаров Александр Юрьевич Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Кобылянский Михаил Трофимович кандидат технических наук, доцент Николаев Евгений Дмитриевич Ведущая организация ОАО «Сибирская Угольная Энергетическая Компания»
Защита диссертации состоится 5 марта 2009 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государ ственный технический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весен няя, 28. Факс (3842) 36-16-87.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного об разовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбас ский государственный технический университет».
Автореферат разослан _ февраля 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Транспортирование сыпучих грузов конвейер ным транспортом при добыче полезных ископаемых в настоящее время имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими видами транспорта.
Использование для этих целей ленточных конвейеров традиционного исполне ния выдвигает требования по ограничению кусковатости грузов, обусловливая необходимость предварительного дробления, что при транспортировании вскрышных пород вызывает дополнительные затраты и, соответственно, повы шает себестоимость добычи.
В настоящее время с целью уменьшения числа вращающихся частей и снижения механического трения ведутся работы по созданию ленточных кон вейеров с бесконтактной подвеской ленты на основе магнитного подвешивания.
Магнитное подвешивание осуществляется за счет сил магнитного отталкивания одноименных полюсов магнитов. При этом могут применяться либо постоян ные магниты, либо электромагниты.
Преимущества таких конвейеров обусловлены снижением сопротивления при движении ленты ввиду отсутствия поддерживающих роликов. Это дает возможность увеличить не только длину конвейера на один привод, но и ско рость движения ленты, а следовательно, и производительность. Скорость дви жения грузонесущего органа таких конвейеров может быть доведена до 10м/с.
Отсутствие вращающихся роликов на линейном ставе приводит к снижению пожароопасности, повышению надежности и экологичности.
Основная трудность при создании таких конвейеров заключается в том, что подвешиваемое тело (тяговый и несущий орган, которым является лента) должно одновременно обладать эластичностью и высокими магнитными свой ствами. Применение эластичных материалов из магнитотвердых резин в кон струкции конвейера на магнитной подушке затруднено, потому что магнитные характеристики этих материалов существенно ниже, чем у монолитных магни тов. Использование же монолитных магнитов, встроенных в ленту, ставит пе ред исследователями ряд специфических задач, которые связаны с выбором оп тимальных геометрических параметров встроенных элементов;
определением нормальных и касательных напряжений, действующих на встроенный в ленту элемент, как на прямолинейных участках, так и при движении тягового органа на барабане, которые не нашли до сегодняшнего времени практического реше ния, что свидетельствует об актуальности выбранной темы диссертационного исследования.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно исследовательской работы КузГТУ для Сибирской угольной энергетической компании по теме № 203-2006 «Проведение исследований по повышению эф фективности и безопасности ведения горных работ».
Цель работы. Повышение несущей способности тягового органа ленточ ного конвейера на магнитной подушке.
Идея работы. Использование встроенных в конвейерную ленту магнит ных элементов в виде призм и согласование их параметров с характеристиками ленточного конвейера.
Научные положения, выносимые на защиту:
- параметры встроенных в ленту магнитных призм определяются их напряженно-деформированным состоянием;
- напряжения, действующие в магнитных призмах, зависят от натяжения и характеристик ленты, футеровки и диаметра барабана, и скорости движения ленты;
- максимальное использование энергии постоянных магнитов в системе подвеса конвейера на магнитной подушке определяется взаимосвязью плотно сти транспортируемой горной массы и расстоянием между магнитными приз мами в парящем ряду.
Научная новизна работы:
- впервые установлено, что напряжения в призме, встроенной в конвейер ную ленту, при переходе через барабан при соотношении диаметра барабана к длине призмы более 20:1 незначительны и возрастают в полиномиальной зави симости второй степени при соотношении менее 10:1;
- впервые установлено, что изгибающий момент, действующий на встро енный в ленту элемент, при прохождении по барабану зависит от скорости движения ленты и при ее увеличении возрастает по параболической зависимо сти, а коэффициент динамичности (неравномерности) напряженного состояния при прохождении по барабану изменяется в пределах от 1,3 до 1,5 в скоростном диапазоне современных ленточных конвейеров;
- впервые установлено, что максимальное использование энергии магни тов достигается при использовании шахматной схемы монтажа магнитных призм (подъемная сила парящего ряда увеличивается на 15-20% по сравнению с другими схемами).
Задачи исследований:
- установить основные зависимости напряженного состояния встроенной в ленту магнитной призмы от ее геометрических параметров и характеристик конвейера;
- оценить влияние скорости ленты на встроенный в ленту элемент при прохождении концевого барабана;
- обосновать параметры и оценить влияние схемы размещения магнитных призм на несущие свойства ленты конвейера на магнитной подушке;
-разработать конструкцию ленты со встроенными элементами для кон вейера на магнитной подушке.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обос нована использованием апробированных методов исследований, применением современных методов математического и компьютерного моделирования, с удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных резуль татов, при доверительной вероятности 0,95.
Методы исследований:
- анализ и обобщение опыта создания конвейерных лент со встроенными элементами;
- аналитическое, численное и имитационное моделирование напряженно го состояния встроенных в ленту элементов магнитного подвеса как при пря молинейном движении тягового органа, так и на барабане;
- метод дистанционного непрерывного измерения динамических нагрузок конвейерной ленты с тензорегистрированием и использованием электронных носителей памяти;
- статистическая обработка экспериментальных данных.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволяют рассчитывать рациональные параметры конструкции ленты для кон вейера со встроенными элементами, при которых улучшается ее несущая спо собность, уменьшается вес и стоимость.
Личный вклад автора заключается: в установлении основных законо мерностей формирования нагрузки на встроенный в ленту элемент;
математи ческом моделировании влияния соотношения геометрических параметров встроенной в конвейерную ленту призмы и барабана на напряженное состояние призмы;
разработке методики моделирования показателей напряженно деформированного состояния призмы, встроенной в конвейерную ленту, при прохождении барабана;
разработке и изготовлении измерительных стендов для исследования взаимодействия прямоугольных призм в системе магнитного подвеса и напряженного состояния встроенного в ленту элемента;
обосновании параметров и оценке влияния схемы размещения магнитных призм на несущие свойства ленты конвейера на магнитной подушке;
разработке требований, предъявляемых к конструкции ленты для конвейера на магнитной подушке;
разработке конструкций лент для конвейера на магнитной подушке.
Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследований систем магнитного подвеса включены в рабочую программу курсов «Карьерный транспорт» для студентов специальности 150402 «Горные машины и оборудо вание».
Апробация работы. Основное содержание работы
и отдельные ее поло жения докладывались и получили одобрение на международных научно практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово 2005 г., 2008 г.);
на научно-практических конференциях аспирантов и студентов Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2006 г., 2008г.);
на 1-й Всероссийской научно-технической конференции «Современные пути раз вития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» (г. Кемерово, 2007 г.);
на 6 й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минераль ных ресурсов Севера» (г. Воркута, 2008 г.);
на научно-техническом симпозиуме Шанхайского народного технического университета. (Китайская народная рес публика, г. Циньдао, 2008 г.);
на заседаниях кафедры «Стационарные и транс портные машины» Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2004-2008 г.);
на кафедре транспорта и хранения нефти и газа Томского политехнического университета 7 ноября 2008 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре главы, заключение и список литературы из 108 наименований, содержит 90 рисунков и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность темы, определены цель и за дачи диссертационной работы, отмечены научная новизна и практическая зна чимость работы.
В главе 1 произведен анализ состояния и изученности задач, связанных с выбором объекта исследований.
В настоящее время известны многие типы конвейеров, использующие в своей конструкции ленты со встроенными элементами. Назначения этих эле ментов различно, и это иногда определяет специфику применения конвейера в той или иной области промышленности. Например, встроенные в конвейерную ленту ленточно-канатного конвейера пружинящие стержни, расположенные поперек всей ширины ленты через определенное расстояние, наделяют его от личными от других типов конвейеров характеристиками. Но чаще всего, встро енный элемент в конвейерной ленте выполняет упрочняющую функцию. Так, например, в последнее время на рынке конвейерных лент производителями предлагаются все новые и новые конструкции резинотканевых лент с использо ванием в них новых материалов, позволяющих увеличить прочностные харак теристики ленты, уменьшить ее вес, а также использовать в специфических условиях. Некоторые современные резинотканевые ленты по своим прочност ным характеристикам уже сегодня превосходят резинотросовые ленты, выпус каемые в конце 20 века. Поэтому такие ленты являются наиболее перспектив ными для проектирования и конструирования новых типов конвейеров. Значи тельный вклад в исследование конвейерных лент внесли труды Н.В. Ампилого вой, А.В. Андреева, В.И. Ануфриева, В.И. Галкина, М.Ф. Герасимовой,А.Я.
Грудачева, Г.М. Гуленко, Н.И. Дворецкой, В.Г. Дмитриева, В.А. Дьякова, И.В.
Запенина, Д.Ш. Монастырского, В.Г. Полунина, А.А. Реутова, А.О. Спиваков ского, Ю.Д. Тарасова, А.В. Татаринского, Л.И. Чугреева, Л.Г. Шахмейстера, Е.Е. Шешко, и др.
Для конвейера на магнитной подушке (КМП) известны конструкции лент, где роль поддерживающего элемента выполняет магнитотвердая резина (маг нитоэласт) или магнитомягкие обкладки. Разработкой конвейера с использова нием силового магнитного взаимодействия занимались ряд научно исследова тельских организаций: ИГД им. А.А.Скочинского, Горное бюро США, а также отдельные исследователи: В.Н. Бобриков, А.Я. Грудачев, О.М. Зарецкий, А.Ю.
Захаров, В.А. Кислун, Ю.А. Курников, В.Н.Сливной, И.Г. Штокман, В.М. Юр ченко, и др. С начала 70-х годов в Кузбасском государственном техническом университете проводятся исследования устройств с использованием магнитных полей в ленточных конвейерах. В 1975 г. впервые был создан действующий стенд конвейера с магнитным подвесом ленты из магнитоэласта шириной 300мм, а в 1978 г. – полноразмерный стенд длиной 10м, с шириной ленты 800мм.
Конвейер на магнитной подушке может быть одно- и многоконтурным. В случае одноконтурного КМП магнитожесткая лента на рабочей ветви конвейе ра движется по желобу, в котором установлены опорные ряды магнитов. По рожняя ветвь может перемещаться по роликам серийного изготовления. Опор ный желоб и поддерживающие ролики крепятся на вертикальных стойках, ана логичных стойкам, применяемым в конвейерах с канатным ставом. Приводная и натяжная станции традиционного исполнения.
В многоконтурном КМП грузонесущая лента поддерживается траверса ми, которые через соединительные элементы крепятся к магнитожестким кон турам лент, находящимся в плоскостях окончаний траверс. Рабочая ветвь маг нитожестких контуров опирается на магнитные опорные ряды, которые распо лагаются на несущих элементах линейного става. Порожняя ветвь грузонесу щей ленты перемещается по роликам традиционного исполнения. Сверху гру зонесущей ленты порожней ветви с помощью специальных направляющих раз мещаются траверсы с соответствующей частью магнитожестких контуров. Тя говое усилие передается грузонесущей ленте с помощью приводной станции традиционного исполнения, кроме этого, на магнитожесткие контуры могут устанавливаться промежуточные приводы различных конструкций.
В первой главе диссертационной работы приведены также сведения о свойствах современных магнитных материалов, их механические и магнитные параметры.
Таблица Основные характеристики наиболее известных магнитных материалов Цена 1 кг на Цена (BH)max, Материал Br, Гс Hc, Э Российском 1 МГсЭ, МГсЭ рынке, долл. долл.
Гибкие магнитные 1,6 1725 1325 5-10 3,1- 6, материалы Керамика 3 4000 2400 1-2.5 0,3-0, Sm-Co 20 10500 9200 250 -500 12, Магнитопласт 10-12 1300-1500 2500 120-200 4,2-8, Nd-Fe-B Спеченные 50 14200 12500 70-150 1,4-3, Nd-Fe-B Наиболее перспективными в настоящее время представляются спеченные магниты Nd-Fe-B, к основным достоинствам которых относятся высокое значе ние энергетического произведения (BH) max (50МГсЭ и выше) и относительно низкая цена по сравнению с другими типами магнитных материалов (табл. 1).
Оценить преимущества магнитного подвеса с использованием цельных магнитов перед магнитоэластом можно, обратившись к рис. 1. В качестве опор ных магнитов в этой системе используются призмы из феррита бария 16БА (кривая 1), а в качестве парящей системы используются магнитные призмы из спеченного материала Nd-Fe-B MAEP30HSs (кривая 2), либо магнитоэласты 1БИ (кривая 3), 8БИ130 (кривая 4), магнитопласт Nd-Fe-B (кривая 5). Так, например, напряженность поля системы Nd-Fe-B – 16БА190 более чем в 5 раз превышает напряженность системы магнитоэласт 8БИ130 – 16БА190. Это со отношение сохранится и в отношении подъемной силы. Величина подъемной силы такой системы определится как F J1J 2 f (a1, a2, h1, h2 ), (1) где: J1 - намагниченность парящего магнита, А/м;
J 2 - намагниченность опорно го магнита, А/м;
a1, a2, h1, h2 - геометрические размеры магнитов ( a -ширина прямоугольной магнитной призмы, h - высота), м.
Из функции подъемной силы (1) видно, что при увеличении намагничен ности парящего магнита, когда остальные аргументы функции не меняются, величина подъемной силы будет соответственно возрастать.
Рис. 1. Кривые размагничивания систем из опорного магнита 16БА190 (кривая 1) и подвешенной ленты с встроенными магнитами (кривая 2 - спеченный магнит Nd-Fe-B, кри вая 3 - магнитоэласт 1БИ, кривая 4 - магнитоэласт 8БИ130, кривая 5 - магнитопласт Nd-Fe-B) Таким образом, существует возможность формирования компоновочной схемы ленты со встроенными элементами из монолитных постоянных магни тов, имеющих широкий диапазон как магнитных и прочностных характеристик, так и стоимостных.
Вторая глава посвящена исследованию напряженного состояния встро енной в конвейерную ленту прямоугольной призмы на барабане.
Рассматривая напряженное состояние резинотканевой конвейерной лен ты на барабане, надо отметить, что конвейерная лента в процессе эксплуатации подвергается воздействию сил, имеющих разный характер и природу своего возникновения. Все эти силы, действующие в ленте, формируют напряженное состояние встроенного в ленту элемента.
Проведя анализ сил, действующих на встроенную в конвейерную ленту прямоугольную призму, можно сделать ряд выводов. Система, в которой нагруженная призма опирается на упругое цилиндрическое основание, является статически неопределимой. При использовании классических методов теории упругости задача описывается системой сложных дифференциальных уравне ний, в результате чего аналитическое решение упрощается различными допу щениями, что приводит к большим отклонениям от действительных значений.
Поэтому в работе использован метод конечных элементов, который позволяет при расчете модели «Изгиб встроенного в ленту элемента на барабане» полу чить достаточно точную величину и форму деформаций, а так же значения дей ствующего на пластину изгибающего момента, с учетом влияния характеристик жесткости всех элементов модели. Напряженное состояние встроенного в ленту элемента аппроксимируется сеткой квадратичных четырехугольных конечных элементов типа Plane 182, а нижней обкладки ленты и упругого основания восьмиузловых конечных элементов - типа Plane 183.
Схема конечно-элементной модели представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема конечно-элементной модели В последнее время при проектировании упругого материала широко ис пользуется модель Муни-Ривлина, которая включает функцию плотности энер гии деформаций и позволяет исследовать тела сложной конфигурации W a10 I1 3 a01 I 2 3 I 3 2 I 3 2, * * * * (2) I i* - редуцированные инварианты деформации в i-ом направлении;
где a10, a01 -материальные константы;
-коэффициент несжимаемости материала.
Используемое для описания свойств упругого основания из обкладочной ре зины конвейерной ленты двухпараметрическое уравнение Муни-Ривлина со держит две материальные константы (коэффициенты Муни-Ривлина), значение которых изменяется в широких пределах и является основной характеристикой модели.
Для нахождения коэффициентов Муни-Ривлина необходимо знать, как из менится деформация упругого основания при изменении нагрузки. В качестве исследуемого объекта использована обкладочная резина конвейерной ленты 2М-1200-4-ТК-200-2-5-2, класса А (потери объема при истирании не более 120мм3;
условная прочность при растяжении не менее 24,5МПа;
твердость 40-60ед. по Шор А). Эта обкладочная резина широко используется при изго товлении конвейерных лент различного назначения.
Рис. 3. Зависимости «нагрузка-деформация» для различных значений материальных кон стант Муни-Ривлина упругого основания: расчетная зависимость 1 - a10=1107, a01=5106;
2 a10=2,93105, a01=1,77105;
3 - a10=2,43105, a01=1,27105;
4 - a10=2105, a01=9104;
5 - a10=1105, a01=1105;
6 - a10=2105, a01=1,3105;
7 - эксперимент Исследования проводились на лабораторной установке БУ-39. В испытуемый образец обкладочной резины конвейерной ленты 10105мм посредством системы нагружения стенда вдавливалась металлическая пластинка 826414мм, при этом фиксировалось значение вдавливания пластинки (деформация резины) и нагрузка на инденторы стенда. Для каждого значения деформации проводилась серия из семи измерений. В результате расчета с произвольно заданными значениями коэффициентов Муни-Ривлина исследовано поле значений рассматриваемой зависимости (рис. 3) и достигнуто максимально сближение расчетной и экспериментальной зависимостей «нагрузка-деформация» (графики 6 и 7). Тогда частное решение для материала обкладочной резины конвейерной ленты 2М-1200-4-ТК-200-2-5-2, примет вид:
W 2 105 I1 3 1,3 105 I 2 3 749,84 106 I 3 2 I 3 * * * *. (3) Для определения рациональных параметров встроенных в ленту конвейера на магнитной подушке элементов была проведена верификация модели взаимо действия встроенного элемента с футеровкой барабана (рис. 4), в результате че го получены зависимости напряжений во встроенном элементе конвейерной ленты от геометрических параметров призмы, натяжения и характеристик лен ты, футеровки барабана и его диаметра. С помощью специально составленной программы на языке APDL в среде пакета программ AnSYS исходные парамет ры конечно-элементарных моделей изменялись в широких пределах (диаметр барабана (Дбар)=2501000мм;
толщина футеровки ()=420мм;
толщина встро енной призмы (h)= 515мм;
длина встроенной призмы (l)= 20120мм).
Рис. 4. Моделирование Рис. 5. Зависимости напряжений, возника напряженного состояния встроен- ющих во встроенном в ленту элементе, от натяже ного в конвейерную ленту элемента ния ленты в среде программы AnSYS На рис. 5 приведены некоторые из полученных зависимостей напряжений, возникающих во встроенном в ленту элементе от натяжения ленты.
Применение метода конечных элементов позволяет не только качествен но оценить интересующие зависимости, решить задачи выбора магнитного ма териала (физико-механические свойства) для изготовления встроенных в ленту магнитных призм, но и, задаваясь геометрическими параметрами встроенной в ленту магнитной призмы, рационально варьировать такими параметрами, как диаметр барабана, толщина и материал футеровки.
Задаваясь величиной натяжения ленты и длиной встроенного в ленту эле мента можно получить зависимости действующего во встроенном элементе напряжения от толщины этого элемента (рис. 6а), или, задаваясь величиной натяжения ленты и толщиной встроенного в ленту элемента, можно получить зависимости действующего во встроенном элементе напряжения от длины это го элемента (рис. 6б).
При анализе напряжений, действующих во встроенном в ленту элементе от его длины, получены зависимости от натяжения ленты, в которых отмечает ся прогрессирующее увеличение напряжений в элементе. Значение длины встроенного элемента, при заданных параметрах барабана, футеровки и встро енной призмы, целесообразно выбирать до точки перегиба этих зависимостей.
Рис. 6. Зависимости действующего во встроенном в ленту элементе напряжения от толщины (а) и от длины (б) этого элемента Для получения сравнительной оценки результатов моделирования с экс периментом в Кузбасском государственном техническом университете разрабо тан и сконструирован стенд, предназначенный для определения зависимости величины изгибающего момента, действующего на встроенный в ленту эле мент, возникающий при движении ленты на барабане, от величины натяжения ленты (рис. 7).
Рис. 7. Схема измерительного стенда (1- пластина-датчик;
2-натяжное устройство;
3 динамометр;
4- приводной барабан) Измерения проводились на полноразмерном модифицированном конвей ере 1Л80. В участок конвейерной ленты 2ТК200 ленточного конвейера 1Л встроена призма 1 (см. рис. 7), имитирующая встроенный в ленту жесткий эле мент, с установленными тензорезисторами на ее поверхности, прилегающей к ленте.
Пластина устанавливалась в ленту таким образом, чтобы ее поперечная ось при прохождении барабана была строго перпендикулярна его поверхности. Натя жение ленты осуществлялось за счет натяжного устройства и фиксировалось динамометром. Привод конвейера осуществлялся посредством асинхронного двигателя. Скорость движения ленты регулируется изменением частоты тока, подаваемого на приводной двигатель. Результаты эксперимента представлены на рис. 8.
Рис. 8. Зависимость изгибающего момента, действующего на встроенный в ленту эле мент при прохождении концевого барабана, от скорости движения ленты (Кривая 1 - резуль таты эксперимента проведенного на скорости 0.7 м/с;
2 - скорость ленты 1.3 м/с;
3 - 1.6 м/с;
-2.1 м/с;
5 - зависимость максимального момента действующего на встроенный элемент от скорости;
6 - линия тренда) В результате аппроксимации зависимости величины максимального мо мента, действующего на встроенный элемент, от скорости движения ленты бы ла получена экспериментальная модель М из 0,2382V 2 0,0064V 4,37, (4) из которой следует, что максималь ный изгибающий момент увеличива ется с увеличением скорости. Это яв ление необходимо учитывать в проч ностных расчетах встроенных в ленту элементов.
Сравнение результатов модели рования влияния натяжения ленты на величину изгибных напряжений во встроенном элементе с эксперимен тальными результатами приведено на Рис. 9. Расчетная (1) и эксперимен рис. 9.
тальная (2) зависимости напряжений от натяжения ленты Для оценки сходимости измерений относительно полученных теоретиче ских зависимостей для призмы 60403мм на барабане с диаметром 250мм был произведен расчет значения изгибающего момента, действующего на встроен ную в ленту пластину с учетом параметров стенда и нагрузки. При этом отме чается хорошая сходимость экспериментальных и расчетных зависимостей при доверительной вероятности 0,95. Разброс значений характеристик материала футеровки и ленты, участвующих в эксперименте, допускается 15-20% (ГОСТ 3583-71).
В третьей главе проведены теоретические и экспериментальные иссле дования магнитных систем.
Магнитные свойства встроенного в ленту элемента непосредственно за висят от геометрических размеров этого элемента и от свойств магнитного ма териала. Для максимального использования энергии магнитов можно рекомен довать использовать краевой эффект - увеличение величины напряженности магнитного поля на краях магнитной призмы (рис. 10). Влияние краевого эф фекта выражается отношением расчетных подъемных сил для систем магнит ного подвеса с конечными и бесконечными размерами длины.
Рис. 10. Схема распределения вертикальной составляющей напряженности магнитно го поля постоянного магнита в форме прямоугольной призмы на поверхности полюсной гра ни (а - для магнитной призмы, имеющей конечные значения;
б - для магнитной призмы бес конечной длины).
В результате экспериментальных исследований влияния расстояния меж ду призмами в парящем ряду на величину подъемной силы было отмечено, что кривая зависимости имеет экстремум (рис. 11). При этом расстояние между магнитами составляет 5-10% от длины магнитной призмы, причем положение экстремума зависит от нагрузки на парящие магниты.
Дальнейшие исследования позволили получить функцию степени загруз ки от рационального расстояния между магнитными призмами в ряду (рис. 12).
Эта кривая характеризует рациональное продольное расстояние между магнит ными призмами в парящем ряду.
Рис. 11. Зависимость зазора меж- Рис. 12. Зависимость максималь ду парящим и опорным рядом от рас- ной подъемной силы, отдельного ряда из стояния между магнитными призмами в четырех призм, от расстояния между ленте магнитными призмами в ряду Экспериментальная оценка действия краевого эффекта позволяет, в зави симости от свойств магнитного материала, рекомендовать расстояние между магнитными призмами в ряду, при котором достигается максимальное исполь зование энергии постоянных магнитов, а сопротивление от изгиба на барабане будет минимизировано.
После реконструкции стенда были проведены экспериментальные иссле дования подъемной силы при различных схемах размещения магнитных призм в парящем ряду, некоторые из них представлены на рис. 13.
Рис. 13. Схемы размещения магнитных призм парящего ряда с продольным располо жением опорных блоков (а – двурядная;
б - шахматная) Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют оценить эффективность схемы размещения парящего ряда на несущие свойства ленты. Установлено, что использование шахматной схемы размещения магнит ных призм увеличивает подъемную силу парящего ряда на величину около 20% в сравнении с линейной схемой, при прочих равных условиях.
В главе 4 рассмотрены материалы из опыта создания КМП с лентой из магнитоэласта. Предложена конструкция и способ монтажа ленты с магнитны ми призмами.
При прохождении ленты через барабан лента изгибается, и встроенные в нее магнитные призмы взаимодействуют с верхней частью монтажной ниши ленты своими гранями, вследствие чего может происходить усталостное раз рушение соприкасающихся элементов. Для снижения эффекта усталостного разрушения в работе предложен способ монтажа магнитной призмы в карман конвейерной ленты без ее закрепления. При этом верхняя обкладка ленты смо жет свободно растягиваться над призмой. Снятие фасок с верхней поверхности призмы может несколько уменьшить напряжения в контакте.
На основании приобретенного опыта эксплуатации стендовых моделей КМП с лентой из магнитоэласта и вышеописанных исследований можно обо значить оценки качества ленты, содержащей встроенные магнитные призмы:
1. Борт ленты КМП должен отвечать следующим требованиям:
- изготавливаться из материала, обеспечивающего высокое сопротивле ние вдавливанию, эластичного и обладающего достаточными прочностными характеристиками;
- расстояние от борта ленты до ниши с магнитной призмой должно быть таким, чтобы воздействие бокового ролика на встроенную призму было мини мальным, вместе с тем, должна обеспечиваться возможность центрирования ленты магнитными блоками;
- изготавливаться из материалов, не оказывающих воздействия на маг нитные свойства ленты.
2. Параметры магнитных призм и схема их размещения должны быть определены с учетом 20% запаса как по прочности, так и по магнитным свой ствам.
3. Лента должна сохранять достаточную разрывную прочность.
4. Схема размещения магнитных призм внутри ленты должна разрабаты ваться с учетом минимизации сопротивления от изгиба на барабане, а также смещающей силы в поперечном направлении.
5. Магнитная призма должна находиться в нише без закрепления к бор там, но быть связанной с нижней обкладкой.
В заключении представлены основные выводы, которые отражают ре зультаты исследований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации решена актуальная задача обоснования параметров встро енных в ленту магнитных призм для конвейера на магнитной подушке, имею щая существенное значение для расчета и проектирования транспортных средств. Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:
1. Величина подъемной силы системы с использованием цельных магни тов из материала Nd-Fe-B почти в 5 раз превышает подъемную силу системы с использованием других современных магнитоэластов. Причем стоимость в пе реводе на максимальное энергетическое произведение (BH) max у магнитов Nd-Fe-B ниже в 1,5-2 раза.
2. Разработана методика моделирования (в среде AnSYS) показателей напряженно-деформированного состояния призмы, встроенной в конвейерную ленту при ее контакте с барабаном, для определения основных зависимостей характера и величины напряжений во встроенном элементе конвейерной ленты от геометрических параметров призмы, натяжения и характеристик ленты, фу теровки барабана и его диаметра, позволяющие оценить рациональные пара метры встроенного в ленту элемента.
3. Напряжения в призме, встроенной в конвейерную ленту, при переходе через барабан при соотношении диаметра барабана к длине призмы более 20: незначительны и возрастают в полиномиальной зависимости второй степени при соотношении менее 10:1.
4. Получены экспериментально-теоретические результаты исследований параметров модели Муни-Ривлина, характеризующей поведение упругого ос нования на поверхности барабана.
5. Коэффициент динамичности (по скорости) напряженного состояния в условиях прохождения встроенного элемента через барабан в скоростном диа пазоне современных ленточных конвейеров изменяется в пределах от 1,3 до 1,5.
6. В результате оценки влияния расстояния между магнитными призмами парящего ряда на его несущие свойства получена зависимость рационального расстояния между магнитами в ряду, при котором обеспечивается максималь ное использование энергии постоянных магнитов.
7. Установлено, что при использовании шахматной схемы монтажа маг нитных призм, подъемная сила парящего ряда увеличивается на величину око ло 20% по сравнению с другими схемами (при условии взаимодействия одина кового количества магнитного материала).
Проведенные исследования позволяют определить рациональные пара метры встроенных в конвейерную ленту магнитных призм для конкретных условий эксплуатации, и являются научно-теоретической базой для проектиро вания и создания ленты со встроенными монолитными магнитными призмами.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
1. Пешков С. В. Подход к анализу напряженного состояния ленты с встроенными элементами на концевых барабанах ленточных конвейеров // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004: материалы Х Междунар. науч.-практ. конф., 23-24 нояб. 2004 г./ ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2004. – С. 111–113.
2. Захаров А. Ю. Экспериментальные исследования зависимости изгиба ющего момента пластины встроенной в конвейерную ленту от величины натя жения ленты / А. Ю. Захаров, С. В. Пешков // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: тр. VII между нар. науч.-практ. конф. / ННЦ ГП ИГД им. А. А. Скочинского, ИУУ СО РАН, ГУ КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь». – Кемерово, 2005. – С. 163–165.
3. Пешков С. В. Планирование эксперимента по исследованию напряжен ного состояния ленты со встроенными элементами при ее движении / С. В.
Пешков, А. Ю. Захаров // Сборник лучших докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного технического университета: докл. 51-й науч. практ. конф., 17-21 апр. 2006 г. / ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2006. – С. 88–90.
4. Захаров А. Ю. Исследование напряженного состояния встроенного элемента в конвейерную ленту при ее движении / А. Ю. Захаров, С. В. Пешков // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2006. – № 6 (57). – С. 40–42. (подписано в печать 19.11.2006).
5. Захаров А. Ю. К вопросу об оценке напряженного состояния элемента встроенного в конвейерную ленту / А. Ю. Захаров, С. В. Пешков // Современ ные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса: тр. I Всерос.
науч.-техн. конф. / ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2007. – С. 68–72..
6. Пешков С. В. Подход к рассмотрению сил, действующих на встроен ную в конвейерную ленту прямоугольную призму / С. В. Пешков // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: тр. 6-й Межрегион. науч. практ. конф. 9-11 апреля 2008 г. / Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». – Воркута, 2008. – C. 346–348.
7. Zaharov Aleksandr J. Modeling of cross-section displacement of the magnet ic cushion conveyor belt / Aleksandr J. Zaharov, Sergey V. Peshkov // Advances in geotechnical and structural engineering - Proceedings of the Fifth China-Russia Symposium on Underground and Building Engineering of City and Mine. 2008. – С.
60–63.
8. Пешков С. В. Исследование подъемных сил магнитного подвеса при различных схемах монтажа магнитных призм / С. В. Пешков, Д. Н. Анисимов // Сборник докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного тех нического университета. По результатам 53-й научно-практической конферен ции, 14-18 апр. 2008 г. / ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2008. – С. 82–85.
9. Захаров А.Ю., Пешков С.В. Моделирование напряженного состояния встроенного в конвейерную ленту элемента методом конечных элементов / А. Ю. Захаров, С. В. Пешков // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды X международной научно-практической конференции- Кемерово: ИУУ СО РАН, 2008. – C. 117 119.
10. Пешков С.В. Исследования изгибающего момента действующего на встроенный в ленту элемент при различных скоростях движения. / С. В. Пеш ков // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2008. Мате риалы XII Международной научно практической конференции, 20-21 ноября 2008г, ГУ КузГТУ- Кемерово, 2008. – C. 148-150.