На правах рукописи

ТРУФАНОВА Инна Сергеевна

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ПРИВОДОВ С

ПРИЖИМНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ЛЕНТОЧНЫХ

КОНВЕЙЕРОВ

Специальность 05.05.06 – Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Тарасов Юрий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Фомин Константин Владимирович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», кафедра механизации природообустройства и ремонта машин, профессор Рыжих Алексей Борисович кандидат технических наук, ООО «Горные технологии и инновации», генеральный директор

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Защита состоится 30 сентября 2014 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный»

по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 11 июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ФОКИН

диссертационного совета Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Устойчивой тенденцией развития горных предприятий является повышение производительности горной техники вкупе со всевозможными попытками снизить эксплуатационные и капитальные затраты. В связи с этим разрабатываются новые виды транспортных установок обеспечивающих лучшую производительность и энерговооруженность.

Прогресс в конвейеростроении движется в направлении увеличения длины конвейера в одном ставе, что позволяет ощутимо сократить затраты в случае замены одним конвейером всей конвейерной линии.

Все разработки в области ленточных конвейеров сводятся к трем категориям: решение проблем с лентой, решение проблем с приводом, решение проблем со ставом. Причем зачастую разработки носят комплексный характер.

Решение проблем с приводом конвейера связано с тем фактом, что сила тяги передается ленте трением, которая не превышает строго определенную и не очень большую величину, которую изначально описал Леонард Эйлер и далее дополнил Жуковский. Максимально возможная сила тяги жестко связана с двумя факторами: натяжением ленты и количеством приводных барабанов, что приводит к необходимости изготовления очень прочных лент.

В данной работе рассматривается совершенствование конструкции ленточного конвейера за счет разработки конструкции промежуточного привода, как оптимального варианта решения проблем ленты и привода. Применение промежуточных приводов позволит удешевить ленту и снизить затраты на эксплуатацию конвейера.

Применение промежуточных приводов позволяет увеличить длину конвейеров в одном ставе до нескольких километров, используя при этом низкопрочную конвейерную ленту значительно меньшей стоимости.

Тяговое усилие, реализуемое существующими конструкциями линейных приводов, значительно уменьшается у наклонных конвейеров. Поэтому устранение этого недостатка является актуальной задачей, решение которой расширит возможность использования линейных приводов.

В настоящее время, когда конструктивная сложность больше не представляет собой серьезного препятствия, использование промежуточных приводов является самым перспективным направлением развития конвейерной техники.

Цель работы – повышение эффективности передачи тягового усилия промежуточным линейным приводом ленточного конвейера на наклонных и изгибающихся участках трассы конвейера.

Идея работы заключается в увеличении тягового усилия, реализуемого конструкциями промежуточных линейных приводов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих конструкций ленточных конвейеров с промежуточными приводами и принципов их действия, произвести анализ литературных и патентных источников по данной проблематике.

2. Разработать на основе выполненного анализа стенд и методику экспериментального исследования параметров промежуточных приводов с прижимными элементами.

3. Обосновать компоновочную схему и конструкцию прижимных элементов промежуточных линейных приводов для ленточных конвейеров.

Защищаемые положения:

1. Математическая модель ленточного конвейера с промежуточным линейным приводом с прижимными элементами, описывающая величину тягового усилия, реализуемого лентой промежуточного привода, от величины составляющей тягового усилия, реализуемого лентой основного конвейера, дополнительного воздействия прижимных элементов, угла наклона конвейера и эксплуатационного режима его работы, позволяет определить эффективность передачи силы тяги.

2. Рациональные параметры промежуточного линейного привода для эффективной передачи тягового усилия и количественного сочетания входящих в него элементов определяются величиной перепада натяжения на участке линейного привода, величина которого зависит от схемы расстановки промежуточных приводов по трассе ленточного конвейера в зависимости от заданной функции распределения тягового усилия.

Методы исследований Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение опыта эксплуатации и научных работ, теоретические методы классической механики, лабораторные эксперименты по исследованию взаимодействия и зависимости параметров прижимных элементов и величины приращения тягового усилия.

Научная новизна работы состоит в разработке математической модели новой конструкции линейного привода с прижимными элементами с установлением зависимостей между его параметрами и величиной реализуемого линейным приводом тягового усилия.

Обоснованность и достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием в работе комплексной методики исследования на основе экспериментальных исследований и математического моделирования с удовлетворительной сходимостью результатов.

Практическая значимость работы:

1. Показан диапазон эффективного применения промежуточных приводов разного типа.

2. Разработана компьютерная программа для моделирования расстановки приводов на конвейере с расчетом основных параметров, предназначенная для использования в проектных организациях, на предприятиях и в учебном процессе.

3. Даны рекомендации по определению рационального количества промежуточных приводов.

Степень разработанности Вопросами теории ленточных конвейеров занимались такие ученые: Спиваковский А.О., Шешко Е.Е., Галкин В.И., Дмитриев В.Г., Шахмейстер Л.Г., Дьяченко В.П., Тарасов Ю.Д., Рыжих А.Б., Штокман И.Г., Реутов А.А., Зеленский О.В. и др.

Апробация работы докладывались на 52-ой научной конференции студентов и молодых ученых (г. Краков, Польша, 2011г.), на научной конференции механического факультета Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2013 г.), 11-ой международной научнопрактической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера:

проблемы и решения» (г. Воркута, 2013 г.), на международной конференции молодых ученых во Фрайбергской Горной Академии (г.

Фрайберг, Германия, 2013 г.).

Личный вклад автора экспериментальных стендов для исследования рациональных параметров промежуточных линейных приводов. Предложена методика расстановки головного и промежуточных приводов по длине конвейера. Разработана математическая модель определения рациональных параметров промежуточного линейного привода.

Публикации По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, включая 4 патента на изобретения и 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из наименований, представленных на 151 странице и содержащая рисунков, 12 таблиц и одно приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований исходя из необходимости снижения себестоимости транспортирования горной массы ленточными конвейерами путем совершенствования конструкции за счет применения промежуточных приводов.

В первой главе диссертации представлен обзор конструкций и анализ опыта применения конвейеров с промежуточными приводами в мировой промышленности, а также обзор средств транспорта с применением промежуточных приводов.

На основе выполненного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе диссертации проведено исследование взаимодействия промежуточного привода с конвейерной лентой, рассмотрена теория передачи тягового усилия ленте приводным барабаном, представлен анализ существующих способов повышения максимального тягового усилия, передаваемого барабаном, разработана усовершенствованная конструкция промежуточного линейного привода, показана зависимость передачи тягового усилия промежуточного привода от угла наклона и заполненности грузом.

экспериментальных стендов, описаны методики экспериментальных исследований для установления зависимостей между параметрами прижимных элементов и величиной приращения тягового усилия, приведены результаты экспериментальных исследований и анализ полученных данных.

эксплуатационного расчета ленточных конвейеров, предложена методика расстановки приводов, а также проведено моделирование параметров конвейера с использованием полученных экспериментальных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В

СЛЕДУЮЩИХ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ

1. Математическая модель ленточного конвейера с промежуточным линейным приводом с прижимными элементами, описывающая величину тягового усилия реализуемого лентой промежуточного привода от величины составляющей тягового усилия, реализуемого лентой основного конвейера, дополнительного воздействия прижимных элементов, угла наклона конвейера и эксплуатационного режима его работы, позволяет определить рациональные параметры прижимных элементов.

В данной работе рассмотрено 5 основных типов промежуточных линейных приводов, принцип действия, достоинства и недостатки которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика рассматриваемых промежуточных приводов добавлением ферромагнитных материалов. Таким образом реализуется принудительное побуждение сцепления двух лент, обеспечивающее неизменность тяговой способности Продолжение таблицы работе привода создается вакуум с помощью вакуумнасоса. Тяговая способность вакуум-привода остается На рисунке 1 показаны результаты анализа существующих конструкций промежуточных приводов. Видно, что у приводов, в которых усилие прижатия формируется лежащим на ленте грузом, есть зависимость тягового усилия от наличия или отсутствия груза на ленте конвейера и от угла наклона конвейера (рисунок 1, а, б). А у приводов, которые реализуют тяговое усилие за счет огибания лентой барабанов, есть зависимость от натяжения ленты (рисунок 1, в) и нет прямой зависимости от наличия или отсутствия груза и угла наклона конвейера. Также видно, что принудительное прижатие позволяет повысить тяговую способность промежуточного привода на четко определенное значение, обусловленное непосредственным усилием прижатия. Зависимость при этом линейная.

На рисунке 2 показаны результаты анализа в относительном виде, при этом принято соотношение веса груза/ленты/дополнительного прижатия как 10/1/(14).

Как видно из рисунка 2, применение средств для прижатия двух лент друг к другу, которые не зависят от угла наклона, позволило поднять эффективность использования промежуточных приводов как при высоких углах наклона, так и при отсутствии Тяговая способность Рисунок 1 – Зависимость тягового усилия промежуточного привода от угла наклона конвейера (а) заполненности грузом (б) и натяжения (в) Рисунок 2 – Эффективность передачи тягового усилия (%) промежуточного привода: а – от угла наклона конвейера; б – от степени заполненности грузом груза на ленте конвейера. 100% эффективность достигается при горизонтальной установке конвейера, а с ростом угла наклона снижается по степенной зависимости.

Разработанная конструкция усовершенствованного промежуточного линейного привода с прижимными элементами (патенты РФ на изобретения №2482044 и №2487071), а также промежуточным приводом с перегородками (патент РФ №2510361) показана на рисунке 3.

Предложенная конструкция промежуточного привода позволяет производить усилие прижатия до величин больших, чем та сила прижатия, которую демонстрирует находящийся на ленте груз. И в этом случае эффективность привода становится все менее зависима от заполненности ленты привода грузом и угла наклона конвейера.

Дополнительное тяговое усилие, сообщаемое предлагаемыми линейными приводами конвейерной ленте, определяется так:

где P – дополнительное тяговое усилие, кН; p – максимальное давление между прижимными роликами, кПа; n – общее количество рядов парных прижимных роликов; b – ширина прижимных роликов, м; f – коэффициент трения между конвейерной и приводной патент Рисунок 3 – Конструкции промежуточных линейных приводов лентами; h – величина деформации эластичных ободов роликов, м;

D – наружный диаметр прижимных роликов, м; S – натяжение ленты перед рядом роликов, Н.

Для исследования данных типов приводов были разработаны стенды, на которые получены патенты РФ № 2476851 (рисунок 4, а), №2456570 (рисунок 4, б), № 2498260 (рисунок 4, в).

Проведенные экспериментальные исследования показали хорошую сходимость результатов, и были определены зависимости для передачи силы тяги данными конструкциями приводов.

В результате была предложена модель рациональной компоновки линейного привода, сочетающая в себе разработанные конструкции, схема которой приведена на рисунке 5.

Рисунок 4 – Стенд для исследования параметров промежуточного линейного Рисунок 5 – Рациональная модель линейного промежуточного привода Идея данной модели заключается в том, что секция с углом Натяжение ленты Натяжение ленты Рисунок 6 – Расчетная схема разрабатываемый математической модели:

обхвата эффективнее работает при больших натяжениях, а секция с прижатием – одинаково при любых. Таким образом, мы поместили секцию с углом обхвата в зоне наибольшего натяжения, когда лента основного конвейера набегает на участок линейного привода, а посередине поставили секцию с прижатием. Также учли то, что натяжение ленты привода растет по мере прохождения лентами зоны фрикционного контакта, и натяжение ленты привода становится больше натяжения ленты конвейера, что повышает эффективность передачи силы тяги конструкцией с углом обхвата, и приняли решение поставить еще одну секцию на конец линейного привода.

Применение же третьего типа привода, с перегородками, в общем случае не обосновано, так как заранее не известен диапазон рабочих натяжений.

Математическая модель, описывающая зависимость силы тяги для разработанной конструкции линейного привода приведена на рисунке 7. Входными данными являются натяжения S1, T1 и конструктивные параметры секций q,, f, а выходными данными является сила тяги F = S1 – S4.

Рисунок 7 – Математическая модель линейного промежуточного привода По данной математической модели было проведено моделирование, которое показало, что попеременный обхват роликами двух лент в сравнении с классической теорией передачи силы тяги приводными барабанами при равных конструктивных параметрах составляет: для угла обхвата 10 прирост менее 1%; для угла обхвата 20 – 125%; 40 – 210%; 70 – 312%; 80 – 490%, при этом ленты привода и конвейера испытывают равное максимальное натяжение, что позволяет использовать одинаковые ленты.

Рисунок 8 иллюстрирует зависимость передачи тяги.

Из рисунка 8 следует вывод: при равных начальных натяжениях лент для передачи любого натяжения достаточно рядов роликов, но при этом лента привода будет перетянута; для случая же равного максимального натяжения количество рядов роликов не превышает 20 рядов.

Количество рядов Рисунок 8 – Передаваемая сила тяги для предлагаемого промежуточного привода линейного привода для эффективной передачи тягового усилия и количественного сочетания входящих в него элементов определяются величиной перепада натяжения на участке линейного привода, величина которого зависит от схемы расстановки промежуточных приводов по трассе ленточного конвейера в зависимости от заданной функции распределения тягового усилия.

Разработанная конструкция промежуточного привода способна передать любое тяговое усилие, однако компоновка по количеству и типу используемых элементов зависит от натяжения ленты и желаемого тягового усилия. В связи с этим необходимо знать начальное натяжение ленты в контуре конвейера и желаемое конечное натяжение. Очевидно, что натяжение ленты в контуре конвейера изменяется с каждым метром и создается сопротивлениями движению, а погашается приводом конвейера. При этом промежуточный привод является вспомогательным по отношению к головному.

Нами было проведено моделирование натяжений ленты в зависимости от расстановки приводов по длине конвейера – как головного с промежуточными, так и головного без промежуточных. На рисунке 9, а показан пример моделирования для второго варианта, из которого видно, что установка привода в расчетное место в середине конвейера может дать двойное снижение натяжения, а на рисунке 9, б, показан пример для первого варианта.

Рисунок 9 – Результаты моделирования максимального натяжения в контуре конвейера в зависимости от места установки барабанного привода (а) по длине конвейера и барабанного с промежуточными приводами (б) Результаты на рисунке 9 получены по модели, приведенной на рисунке 10, суть которой в том, что рассматриваются все возможные комбинации положений приводов. Как головного, так и промежуточных линейных приводов.

Однако моделирование занимает длительное время, потому побочным продуктом данной работы явилась методика расстановки промежуточных приводов, которая дает эффективность не ниже 75% от эффективности моделирования и заключается в следующем:

приводы расставляются по трассе согласно действующим на груженой ветви сопротивлениям движению. При этом сопротивления на порожней ветви не рассматриваются, а промежуточные приводы просто компенсируют сопротивления на груженой ветви, тем самым снижая натяжение в контуре конвейера.

Для определения потребного тягового усилия было проведено моделирование эффективности применения приводов для прямолинейной трассы конвейера, результаты которого приведены на рисунке 11. Как видно из рисунка 11 эффективность применения промежуточных приводов неодинакова для разных условий работы Головной привод – начало порожней ветви; все графической форме промежуточные привода расположены друг за другом на расстоянии 1 метр в начале груженой ветви Проводим расчет натяжений в ленте по контуру конвейера Расставляем промежуточные привода по контуру в Передвигаем последний ближайшие незанятые позиции от последнего промежуточный привод на переставленного на 1 метр и всех последующих приводов. 1 метр по ходу движения ленты Передвигаем на начало движения ленты Рисунок 10 – Моделирование эффективности применения промежуточных конвейера. Мы просмотрели несколько типов трасс конвейера, и на Масимальное натяжение. кН Рисунок 11 – Результаты моделирования сравнительной эффективности применения промежуточных приводов (% означает максимальное натяжение в контуре конвейера в сравнении с отсутствием промежуточных приводов) каждой трассе оказалась зона неэффективного использования с разной шириной и начальным/конечным углом, общим явился только тот факт, что эта зона находится в диапазоне отрицательных углов наклона.

С технико-экономической точки зрения применение промежуточных приводов дает следующие изменения в параметрах конвейера:

• мощность конвейера остается без изменений;

• длина конвейера остается без изменений;

• мощность и стоимость головной приводной станции уменьшаются;

• мощность и стоимость промежуточных приводных станций появляется;

• натяжение в ленте уменьшается;

• расход электроэнергии остается без изменений;

• производительность конвейера остается без изменений;

• стоимость става конвейера увеличивается незначительно.

Таким образом, стоимость приведена в таблице 2.

Таблица 2 – Затраты на конвейер по сравнению с затратами на вариант без использования промежуточных линейных приводов в том числе затраты на ленту, денежных единиц:

Согласно ценам 2013 года, применение двух промежуточных приводов с экономической точки зрения не дает ожидаемого эффекта, в отличие от применения одного промежуточного привода.

Так, применение одного промежуточного привода с двукратным снижением натяжения в ленте приводит к снижению стоимости конвейера на 29-45 % в зависимости от длины, а применение двух промежуточных приводов с трехкратным снижением натяжения в ленте приводит к снижению стоимости конвейера на 29-55 % относительно базового варианта без приводов.

В диссертационной работе даны разработанные автором теоретические и практические положения, представляющие решение актуальной научно-практической задачи разработки конструкции линейного промежуточного привода для ленточного конвейера, имеющей существенное значение для горной промышленности:

1. Разработанные конструкции линейных приводов (патенты РФ №2482044, №2487071 и №2510361) исключают недостатки существующих конструкций линейных промежуточных приводов и обладают большей тяговой способностью;

2. Разработаны конструкции исследовательских стендов для линейных приводов (патенты РФ №2456570, №2476851 и №2498260);

3. Разработана математическая модель для определения рациональных параметров промежуточного привода, а также компьютерная программа для моделирования параметров промежуточного привода, реализующая данную модель;

4. Разработана методика расстановки промежуточных приводов по длине конвейера и программа для моделирования всех возможных положений головного привода совместно с промежуточными;

5. Приведен анализ эффективности передачи силы тяги в различных типовых ситуациях работы ленточного конвейера для промежуточных приводов, существующих в мире и разработанных автором;

6. Показана экономическая эффективность применения промежуточного линейного привода в случае двойного и тройного снижения натяжения в ленте;

7. Разработанная методика расстановки промежуточных приводов, интерпретация результатов может быть использована инженерно-техническими работниками на предприятиях, проектирующих магистральные конвейеры (ОАО «Гипрошахт», ОАО «Гипроруда», ЗАО «Механобр Инжиниринг»), производящих конвейерные установки (ОАО «Александровский машиностроительный завод», ОАО «Белохолуницкий машиностроительный завод»), эксплуатирующих подземные магистральные конвейеры (ОАО «Воркутауголь»), а также для корректировки учебных программ для специальности 130400 «Горное дело» с учетом разработанной методики расстановки приводов ленточных конвейеров.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Пат. 2456570 РФ, МПК7 G01M 17/00, B65G15/00. Стенд для исследования параметров ленточного конвейера с размещением нерабочей ветви ленты с возможностью ее взаимодействия с роликоопорами грузонесущей ветви лент [Текст] / Тарасов Ю.Д., Труфанова И.С.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)». - № 2010154735/11; заявл. 30.12.2010; опубл. 20.07.2012. – 4 с.: ил.

2. Пат. 2476851 РФ, МПК7 G01M 17/00. Стенд для исследования параметров промежуточного линейного привода ленточного конвейера [Текст] / Тарасов Ю.Д., Труфанова И.С.;

заявитель и патентообладатель Федеральное государственное профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет». - № 2011140311/11; заявл.

04.10.2011; опубл. 27.02.2013. – 3 с.: ил.

3. Пат. 2487071 РФ, МПК7 B65G 23/04. Промежуточный линейный привод ленточного конвейера [Текст] / Тарасов Ю.Д., Труфанова И.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет». - № 2012102222/11; заявл.

23.01.2012; опубл. 10.07.2013, Бюл.№ 19. – 7 с.: ил.

4. Пат. 2498260 РФ, МПК7 G01M 17/00, B65G 23/14. Стенд для исследований параметров промежуточного линейного привода ленточного конвейера [Текст] / Тарасов Ю.Д., Труфанова И.С., Кузьмин А.О.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минеральносырьевой университет «Горный». - № 2012146723/11; заявл.

01.11.2012; опубл. 10.11.2013, Бюл.№ 31. – 7 с.: ил.

5. Тарасов Ю.Д., Труфанова И.С. Ленточные конвейеры для увеличенных углов наклона. // Естественные и технические науки, №2, 2014. – С. 58-64.

6. Тарасов Ю.Д., Труфанова И.С. Усовершенствованные промежуточные линейные приводы ленточных конвейеров с увеличенным тяговым усилием // Горный информационноаналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск), № 4, 2014.– 13 с.