Расчет оптимальных параметров резинотканевых конвейерных лент тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ
|
Жиркевич, Василий Юльевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
ЖИРКЕВИЧ Василий Юльевич
РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИНОТКАНЕВЫХ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ
пециальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва- 1998
Работа выполнена в Институте машиноведения
им. А.А.Благонравова Российской Академии Наук
Научннй руководитель: член-корреспондент АН СССР,
доктор технических наук, профессс
Спйваковский А.О.
Консультант : доктор физико-математических нау»
' профессор Березин А.В.
Официальные оппоненты
доктор физико-математических наук Мовчан A.A.
кандидат физико-математических на Зобнин А.И.
Ведущая организация :
Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН
<ff
er
Защита состоится «.Здъ ¿МфССсЁЪЯ 1998 г. в__
на заседании Специализированного совета Д 200.47.01 в Институте прикладной механики по адресу: 117334, Москва, Ленинский проспект 32А, комната 727
часов
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной механики РАН
Автореферат разослан ^¡Ößt 1998
г.
Ученый секретарь Совета кандидат технических наук
чскгемасова
Общая характеристика работы.
Актуальность__темы. Интенсификация горного
производства в условиях повышения значимости экономических факторов требует все более широкого применения циклично-поточной технологии, .как наиболее производительной и экономичной. При этом возрастают требования, предъявляемые к её основе - конвейерному транспорту, применяемому при разработке полезных ископаемых как подземным, так и открытым способом.
Как показывает практика, наиболее дорогим и наименее долговечным элементом ленточного конвейера является сама лента. Её стоимость составляет около половины стоимости всей конвейерной установки, вместе с тем срок службы конвейерных лент редко превышает 36 месяцев, а на многих горнорудных предприятиях ленты снимаются уже через б - 12 месяцев с начала их эксплуатации. При этом многообразие повреждающих факторов, воздействию которых подвержена лента, неоднозначность и зачастую противоречивость требований к её свойствам, затрудняют разработку методов определения наиболее рациональных параметров ее конструкции. Многие повреждающие факторы не зависят от прочности ленты, а неоправданно завышенные (до 10 'и более) значения применяемых коэффициентов запаса прочности, говорят о значительном резерве экономии средств.
Большие расходы, связанные с изготовлением и эксплуатацией наиболее распространенных резинотканевых конвейерных лент, делают весьма актуальными вопросы обоснования оптимальных сроков службы этих лент и определения необходимых для этого значений основных параметров их конструкции.
Целью работы является установление зависимостей и закономерностей, необходимых для построения модели отказов резинотканевых конвейерных лент, на основе которой могут быть определены параметры лент, обеспечивающие их оптимальную долговечность.
Основная идея работы состоит в рассмотрении долговечности лент как фактора, обусловленного сочетанием отказов разного вида, которые представляются
случайными функциями конструктивных параметров лент и 1 условий их эксплуатации.
Научные_положения,_разработанные_лично
диссертантом, и новизна:
,, - впервые показано, что при расчете параметров конвейерных лент целесообразно применять методы оптимального проектирования, причем в качестве критерия оптимальности следует ' принимать технико-экономический критерий, учитывающий суммарные затраты на приобретение > и эксплуатацию ленты и практический срок ее службы, определяемый функцией надежности ленты в заданных условиях эксплуатации;
- впервые показано, что при построении функции надежности ленты необходимо учитывать взаимное влияние повреждающих факторов разной природы;
- показано, что при решении задачи о напряженно-деформированном состоянии изогнутой конвейерной ленты необходимо учитывать явления относительного сдвига прокладок и сжатия сквиджей совместно с реологическими свойствами ленты; впервые получено решение с учетом всех перечисленных факторов;
- впервые получены зависимости для определения цилиндрической жесткости ленты, одновременно учитывающие ее структурную неоднородность и разномодульность материала ленты на растяжение и сжатие.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:
использованием апробированных методов теории надежности, теории случайных процессов, теории вероятности и математической статистики, методов механики деформируемых сред, теории пластин и оболочек и наследственной механики твердого тела - при теоретических исследованиях и применением
апробированных методов измерений и современной аппаратуры - при экспериментальных исследованиях;
сходимостью теоретических и экспериментальны* результатов по определению напряженного состояния ленты; удовлетворительной сходимостью результатоЕ расчета долговечности лент с данными их фактической
долговечности.
Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке метода оптимизации конструкции
резинотканевых лент на основе: построения модели надежности лент, учитывающей взаимное влияние отказов разного вида, уточнения напряженного состояний ленты и учета её эксплуатационных свойств.
Практическое значение работы состоит в разработке методики определения оптимальных параметров проектируемых лент, позволяющей также подбирать серийные ленты, наиболее соответствующие заданным условиям эксплуатации.
Реализация выводов• и рекомендаций работы. На основе проведенных исследований создана «Методика определения параметров резинотканевых лент стационарных конвейеров горнорудных предприятий, транспортирующих мелкокусковые грузы», использованная Московским НИИ эластомерных материалов и изделий.
Апробация_работы. Основные положения
диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 5-ой Всесоюзной конференции по карьерному транспорту (г. Свердловск, 1984 г.), на заседании кафедры "Промышленный транспорт" Брянского института транспортного машиностроения (г. Брянск, 1985 г.), научно-техническом семинаре лаборатории № 57 Института машиноведения РАН им. А.А.Благонравова (г. Москва, 1997г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано б печатных работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 144 стр^ . \ак машинописного текста, 30 рисунков, G таблиц, библиографического списка из 88 наименований.
Автор выражает благодарность доктору технических наук В.Г.Дмитриеву за помощь, оказанную при выполнении работы.
Содержание работы.
Вопросами расчета и конструирования резинотканевых конвейерных лент, а также исследованем их эксплуатационных характеристик занимались
А.О.Спиваковский, Н.С.Поляков, Н.Я.Биличенко,
A.В.Андреев, С.А.Панкратов, Л.И.Чугреев, И.Г.Штокман, Е.М.Высочин, В.Т.Дмитриев, В.Л.Яковлев,
B.С.Волотковский, М.А.Котов, Е.Х.Завгородний, В.П.Головань, Ю.И.Григорьев, А.Г.Нохрин, В.И.Морев, Г.И.Гуленко, В.Т.Полунин, В.Ф.Монастырский, Г.Г.Кожушко и другие ученые. Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной вопросам эксплуатации резинотканевых конвейерных лент и методам их расчета, позволял сделать следующие выводы:"
1) повреждения конвейерных лент носят случайный характер, в связи с чем сроки их службы имеют значительный разброс даже в сходных условиях эксплуатации;
2) выход из строя конвейерных лент связан с несколькими видами отказов разной природы;
3) повреждающие факторы, приводящие к отказам разных видов, оказывают взаимное влияние друг на друга (абразивный износ обкладок приводит к увеличению интенсивности накопления пробоев сердечника, что снижаем прочность ленты на разрыв и т. п.).
4) большая часть отказов конвейерных лент имеет постепенный характер;
5) срок службы лент практически не зависит от запаса их прочности;
6) наряду с прочностью и долговечностью лент важное значение имеют их эксплуатационные характеристики (способность сохранять форму желоба, вытяжка);
7) существующие научные разработки недостаточны для назначения параметров лент, наилучшим образом отвечающих заданным условиям эксплуатации.
На основании сделанных выводов сформулирована следующая научная задача:
разработать метод оптимального проектирования
резинотканевых конвейерных лент, учитывающий:
требования к эксплуатационным характеристикам
лент;
многообразие повреждающих факторов; их взаимное влияние;
влияние напряженного состояния ленты на ее долговечность;
случайный характер отказов. В качестве критерия оптимальности лент ' для заданных условий эксплуатации был применен критерий, требующий минимума суммарных затрат, связанных с эксплуатацией конвейера, оснащенного данной лентой, в единицу времени "
К = £2±£± + ^ + С3^> тш, (1)
■ Т к Ь
где С, - разовые капитальные затраты на приобретение ленты, включающие сопутствующие расходы (монтаж и демонтаж ленты, транспортные расходы, оплата труда рабочих и т.д.);
Сп - потери от простоя конвейера при замене
ленты;
Т - средняя наработка ленты;
1к , Ск - средняя наработка до устранимого отказа к-го вида и затраты на его устранение, соответственно;
С0 — постоянные эксплуатационные. расходы, связанные в основном с затратами на электроэнергию.
При решении поставленной задачи в качестве основных приняты следующие виды отказов резинотканевых лент:
1) износ рабочей обкладки;
2) накопление пробоев сердечника;
3) потеря лентой тяговой способности;
4) расслоение прокладок;
5) износ нерабочей обкладки;
6) износ бортов;
7) случайные механические повреждения;
8) порыв стыков;
9) вытяжка ленты.
Вытяжка ленты рассматривается наравне с другими отказами, так как на практике приводит к необходимости перестыковки ленты при исчерпании хода натяжного устройства и в этом смысле оказывается аналогичной отказу типа порыва стыка. Очевидно, что отказы 8 и 9 ьилов являются устранимыми.
В дальнейшем величины, относящиеся к тому или иному виду отказов, будем снабжать индексами к в соответствии с приведенным перечнем.
При учете случайного характера отказов ленты средняя наработка ленты до отказа определяется по известной формуле теории надежности
Т = ]л(0с/1. о
При этом модель надёжности ленты принята в виде
Я(0 = %(!)] (О • Д4 (О • Ъ (0 ■ (0 • Л7 СЬ (2)
где ^з{2(1)) (О ~ функция надежности ленты по 1-му, 2-му и 3-му видам отказов, построенная с учетом влияния постепенного отказа 1-го вида (износ рабочей обкладки) на отказ 2-го вида (накопление пробоев сердечника), а его, в свою очередь, - на отказ 3-го вида (потеря лентой тяговой способности);
(0. ^з(О. (0» (0 ~ надежность ленты по отказам 4, 5, 6 и 7-го видов.
При задании модели надежности в виде (2) предполагается, что взаимное влияние 4, 5, б и 7-го видов отказов несущественно и им можно пренебречь. Функции надежности /?Д/) связаны с функциями распределения времени до отказа зависимостями
^(0 = 1-^0).
В работе показано, что функция ^(О / построенная для случая неизменной толщины рабочей обкладки 5р0, может быть представлена законом Вейбулла с явной зависимостью от 5Г
'Ро
Г2(/) = 1-ехр
где а2 , Р2 ~ параметры распределения;
-—Г%2(5р0) а2
Фг(^ро) ~ Функция толщины рабочей обкладки, не »ависящая от времени.
В этом случае функция распределения времени до >тказов 1-го и 2-го видов, учитывающая влияние износа >абочей обкладки на накопление пробоев • сердечника, Г2(1)(0 может быть определена численно по формуле
1
(4)
о ь
■•де
1-ехр
-¿■(/{•.[»иО-«}*-:'
рЛ
, при I<
1_
1 , при I е£"
1
/|(/) - плотность вероятности распределения Р\(0.
Остановлено, что зависимость распределения Fi(t) от
1лощади неповрежденного сечения сердечника А можно 1редставить аналогично (3) в виде
^з (0 = 1-ехр
«з
юэтому функция ^з[2(1))(0 выражается через аналогично тому, как согласно (4) функция ^2(1) (О зыражается через /^(О . Проведенное математическое моделирование показало, что неучет взаимного влияния этказов разного вида при определении долговечности пенты может привести к ошибке в 50% и более.
На основании проведенных исследования и анализа описанных в работах Волотковского, А.Г.Нохрина, Г.Н.Гуленко и других авторов закономерностей поведения пенты при различных отказах построены функции Л,(0» позволяющие вычислять по формуле (2) общую надежность пенты с учетом взаимного влияния отказов и конкретных условия эксплуатации.
Средние наработки до устранимых отказов 8 и 9-го видов предлагается определять до формулам:
1 «о '8 =~
■с О
7Х„
_ -ну 1а —
где
Ьиу- ход натяжного устройства;
¿н - общая длина ленты;
е(Т) - функция ползучести ленты при рабочих нагрузках.
Надежность ленты по ряду видов отказов (3, 4, 8-ой виды) зависит от величины возникающих в ее элементах напряжений. Вместе с тем, существующие методы определения напряженно-деформированного состояния ленты не в полной мере отражают особенности ее структуры и механических свойств (слоистое строение, высокую степень анизотропии, выраженные реологические свойства т.п.). С цел1 о создания более, точного метода расчета напряженно-деформированного состояния резинотканевой конвейерной ленты в данной работе лента рассматривается как слоистая конструкция, каждый слой которой представляет собой безмоментную ортотропную оболочку, взаимодействующую с соседними слоями через резиновые прослойки (сквиджи). При этом полагается, что слои (прокладки) не воспринимают ' сдвигающих усилий, а сквиджи, напротив, работают только на сдвиг и поперечное сжатие. Реологические свойства ленты связываются с ее прокладками.
Такой подход позволяет исследовать явление перераспределения напряжений между прокладками ленты при ее изгибе с учетом относительного сдвига прокладок, сжатия сквиджей и реологических свойств ленты.
Уравнения напряженно-деформированного состояния движущейся ленты в тензорной форме имеют вид:
Нцл +<7 и +Чк, — т*ул м*1.п = 0 >
) I + Ицк,5/у5(/ + , {5)
+ £* +£* -Щ^км =0
пс - число стыков в ленте;
где wk - прогибы прокладок;
ик1 - вектор перемещений; Nty - тензор.напряжений;
кI - функции кривизны поверхности ленты; ул - скорость ленты; тк - плотность слоя; Як!' 8к ~~ внешние нагрузки.
Здесь индекс к указывает на принадлежность к к-му
слою.
Входящие в (5) функции qh и gk представляют собой дополнительные нагрузки, передаваемые на данную прокладку через сквидж со стороны смежных слоев и вызванные напряжениями в последних, а также изменением геометрии ленты при ее деформировании.
В работе реологические свойства ленты описываются нелинейной моделью наследственного типа, предложенной Ю.Н.Работновым и впервые примененной при исследовании конвейерных лент Н.В.Амлилоговой:
HeklJ) = NklJ (:) +1 K(t ~ x)Nkij (т)dx , о
где K(t-i) - ядро наследственности;
bj) ~ нелинейная функция наследственности, причем деформации ъку связаны с перемещениями и прогибами соотношением
2= uklJ + ukJJ +wkJwkJ -2к,5уд^к .
На основе полученных уравнений был разработан численный метод и составлена программа для расчета на ЭВМ напряжений растяжения и сдвига, возникающих, соответственно, в прокладках и сквияжах ленты при изгибе ее на роликоопорах и барабанах.
3 результате математического эксперимента показано, что для существующих типов лент дополнительные растягивающие напряжения в прокладках, возникающие от изгиба ленты при прохождении ее через роликоопоры, как правило на порядок ниже, чем соответствующие напряжения в ленте, изгибаемой на
барабанах, но при этом необходимо учитывать, что при недостаточной иэгибной жесткости ленты и малых натяжениях сдвигающие напряжения в сквиджах оказываются существенными и могут привести к усталостному разрушению ленты.
Величина максимальных напряжений в верхней прокладке при изгибе ленты на ролике хорошо согласуется с полученной в работе аналитической зависимостью
стр =
45(у + о) 25
2 С
ГДе У ~ л! . г* ' а - М гч о
АСЕМ
д - суммарная погонная нагрузка от веса груза и ленты;
/р - расстояние между роликоопорами;
Д' - расстояние между серединами верхней
и нижней прокладок; Дс - толщина сквиджа;
Ем - модуль упругости прокладки при мгновенном нагружении;
С = С/(ЛГ — 1) - приведенный модуль сдвига ленты при изгибе;
й - модуль сдвига для сквиджа; N - число прокладок; В - ширина ленты; 5 - натяжение ленты; йх - цилиндрическая жесткость ленты в продольном направлении. При этом максимальные сдвигающие напряжения в сквиджах описываются приближенней зависимостью
Тр= А
р 25(1 + ^)Дс
С у 1
где £ = — * 1 .
О)
Исследования напряженного состояния ленты на барабанах показали, что при учете принятых во внимание факторов максимальные напряжения в наружных прокладках
ленты при обычных скоростях оказываются в целом на 10 -30 % ниже, чем напряжения, рассчитанные по элементарной теории изгиба: аб=ЕЛ1А'/2Яб (Яб - радиус барабана). Причем учет реологических свойств ленты приводит к снижению этих напряжений на 15 - 20 % при скоростях движения ленты около 1 м/с и на 10 - 15 % - при скоростях порядка 3м/с, а учет явления сжатия сквиджей допг лнительно снижает напряжения в ленте на 5 - 10 % при прохождении ленты через обводные барабаны и на 2 -5 % - на приводных барабанах конвейера. Кроме того, при малых запасах до тяговому фактору, когда длина дуги покоя на приводном барабане не превышает 20 см, наблюдается снижение напряжений в наружных прокладках еще на 5 - 10 %, что объясняется тем, что при наличии относительного сдвига прокладок напряжения от изгиба на барабане возникают не скачкообразно, как в элементарной теории, а постепенно. При малой дуге покоя они не успевают достичь максимальных значений прежде чем наступает фаза разгрузки. Отмечено также, что учет реологических свойств ленты практически не сказывается на величине максимальной деформации наружной прокладки, но приводит к снижению напряжений сдвига в сквиджах на 5 - 15 % в зависимости от скорости ленты.
С целью проверки теоретических результатов по определению напряженно-деформированного состояния ленты была разработана и смонтирована оригинальная телеметрическая регистрирующая система, позволяющая определить деформации в ленте бесконтактным- способом непосредственно на работающем конвейере. Система включает в себя: 1)специальные тензодатчики для больших деформаций; 2)усилитель; 3)преобразоЕ лтель напряжения в частоту; 4)радиопередатчик; 5)радиоприемник с УКВ диапазоном; 6)магнитофон; 7)шлейфовый осциллограф. Элементы 2,3,4 системы смонтированы в двух миниатюрных блоках размером 4 5 х 30 х 15 мм и размещаются непосредственно в ленте с помощью специального приспособления, предохраняющего блоки от ударов и позволяющего им беспрепятственно проходить через барабаны.
В ходе эксперимента замерялись деформации верхней и нижней прокладок ленты при прохождении ее по роликоопорам и барабанам конвейерного стенда.
Экспериментальные исследования бьши проведены на двухконтурном вертикально замкнутом конвейерном стенде Брянского института транспортного машиностроения в объеме, позволившем получить результаты с погрешностью не более 10 % при надежности 0,9. Экспериментальные данные подтвердили справедливость теоретических результатов. Расхождение между ними не превысило 15%.
Помимо определения напряженного состояния ленты, которое влияет на ее долговечность и, таким образом, сказывается на целевой функции, в соответствии с (1) необходимо определить составляющую С, - величину затрат на электроэнергию.
Расходы на электроэнергию определяются
потребляемой мощностью двигателя, которая, в соответствии с традиционным тяговым расчетом, является функцией коэффициента сопротивления движению и»' . Известно, что составляющая коэффициента сопротивления движению, обусловленная деформированием груза, достигает 50 % общей величины этого коэффициента. С целью оценки ■ влияния конструкции ленты на ее эксплуатационные свойства в работе получена аналитическая зависимость
, <7*0 '
"'""¡¡В
я4 5 я2 я4
(6)
где Ох и — цилиндрические жесткости ленты в
продольном и поперечном направлениях.
■Входящий в (6) коэффициент К0 представляет собой отношение максимального пассивного давления к давлению в активной фазе деформирования ленты и может Сыть определен опытным путем. По данным С.Д.Мягкова К0 =2+4 и зависит от свойств груза и геометрии желоба.
Как отмечалось И.А.Шпакуновым, Е.Х.Завгородним и другими авторами, величины йх и йу, рассчитанные по
известным формулам строительной механики, значительно (в 10 - 15 раз) отличаются от известных опытных данных.
В работе выведены зависимости для определения этих величин, учитывающие разномодульность материала ленты на растяжение и сжатие, а также выраженную структурную неоднородность ленты, и поэтому позволяющие еще на стадии проектирования достаточно точно оценивать жесткости лент как обычных, так и нетрадиционных конструкций, какими являются перспективные ленты с увеличенными до 5 мм и выше сквиджами. При этом показано, что при деформировании ленты определяющее значение имеет жесткость Бх , которая на порядок превосходит жесткость Иу .
Помимо увеличения расходов на электроэнергию, при снижении жесткости ленты возникают дополнительные потери из-за просыпи груза и уменьшения производительности конвейера в связи с выполаживанием ленты. В настоящее время неизвестны теоретические разработки, позволяющие выразить соответствующие расходы через конструктивные параметры ленты, вместе с тем имеющийся опыт эксплуатации конвейерных лент позволил сформулировать требования к их жесткости с учетом указанных явлений. Эти требования нашли свое выражение в действующих нормативных документах (включая ГОСТ 20-85), регламентирующих из соображений обеспечения необходимой изгибной жесткости минимально допустимое число прокладок в ленте для заданных условии эксплуатации. На основе этих требований разработан упрощенный вариант метода оптимального проектирования конвейершлх лент, позволяющий косвенно учесть явление выполаживания ленты. Согласно этому варианту
составляющая С, исключается из целевой функции (1), а требования к жесткостным свойствам ленты учитываются путем введения ограничения вида
/>,£[£>,] , >[£,],
где [Дг]/ [Ву\ " продольная и поперечная -есткости
серийных лент с минимально допустимым в рассматриваемых условиях числом прокладок в соответствии с требованиями действующего ГОСТа.
Ниже приведена таблица соответствия жесткостей йх серийных многопрокладочных лент и двухпрокладочных лент с большими сквиджами. Здесь » - число прокладок в многопрокладочной ленте; - номинальная прочность
ткани многопрокладочной ленты, Н/мм; 5(, 62, 53, 54
толщины сквиджей эквивалентных по жесткости двухпрокладочных лент (в миллиметрах) при применении тканей с разрывным усилием соответственно в 100, 200, 300, 400 Н/мм.
Таблица 1.
Соответствие жесткостей многопрокладочных и двухпрокладочных лент
1 Б 2. 3 4 5 6
100 0,5 0 1.5 0,5 3,0 1.5 4,5 3,0 6,0 4,0
0 0 0 0 0,5 1.0 1,5 2,0 2.0 2,5
200 >,5 0,5 3,0 2,0 5,5 3,5 8,0 5,0 _ 7.5
0 0 0,5 1.0 1,5 2,0 3,0 4,0 4,5 6,0
300 2,5 1.0 5,5 3,5 9,0 6,0 _ 8,5 _
0 0,5 1.5 2,0 3,5 4,5 5,5 7,0 8,0 10
400 3,0 2,0 7.0 4,5 . 7,5 _ - .
0,5 1,0 2,5 3,0 4,5 6,0 7,0 9,5 10 -
Ключ к таблице
б4 §3
§1 62
Известно, что значительное число конвейеров, эксплуатирующихся на предприятиях страны, имеют
относительно небольшую длину. Так, по данным Московского НИИ эластомерных материалов и изделий, средняя длина конвейеров на предприятиях черной металургии составляет около 80 м, а цветной - немногим более 60 м, в то время как на предприятиях угольной промышленности она равна 290 м. Это приводит к тому, что большая часть лент, особенно на горнорудных предприятиях, имеет значительный и неоправданный запас прочности. В этих условиях применение двухпрокладочных лент с увеличенным сквиджем оказывается целесообразным.
Применение предлагаемого метода оптимального проектирования резинотканевых конвейерных лент в полном объеме в настоящее время невозможно ввиду недостатка информации о функциях распределения наработок до отказов некоторых видов и характере их зависимости от конструктивных параметров ленты и условий эксплуатации. С учётом ряда допущений на основе предлагаемого метода разработана инженерная методика расчета оптимальных параметров лент, транспортирующих мелкокусковые грузы.
Методика применена для расчета лент 45 конвейеров Камыш-Бурунского железорудного комбината. Результаты расчета . сопоставлены с параметрами реально применявшихся на исследованных конвейерах лент, а также с параметрами лент, рекомендуемых для данных условии действующим ГОСТом 20-85 «Ленты конвейерные резинотканевые» и методикой выбора лент, приведенной в каталоге-справочнике «Конвейерные ленты».
Расчет показал, что примерно на 75% рассмотренных конвейерных установках пятипрокладочные ленты с прокладками из ткани ТК-200 могут быть заменены друхпрокладочными лентами из той же ткани со сквиджем толщиной 5 мм. Выяснено также, что применяемые ленты имеют толщины рабочих обкладок как правило ниже оптимальных.
Интенсивность абразивного износа рабочей обкладки существенно зависит от скорости ленты, высот'I падения груза, угла наклона и длины конвейера. Так как эти параметры меняются в широких пределах, значения оптимальных толщин рабочих обкладок лежат в диапазоне от 4 до 30 мм. Очер 1дно, что наибольшие из этих
значении не могут быть реализованы на практике по технологическим причинам, а также в связи со значительным увеличением веса ленты, сложностью ее транспортировки и хранения и другими побочными факторами, не учтенными в целевой функции. Тем не менее, результаты расчета дают основание рекомендовать расширение ассортимента толщин рабочих обкладок, главным образом, за счет их увеличения при применении более износостойких резин.
Заключение.
В диссертационной работе получено новое решение актуальной научной задачи установления оптимальных параметров резинотканевых лент для конвейеров горных предприятий путем выработки экономического критерия оптимальности и установления зависимостей и закономерностей, необходимых для расчета определяющих его показателей долговечности лент с учетом случайного характера отказов и их взаимного влияния.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы, отражающие научную и практическую ценность работы.
1. Сформулирован технико-экономический критерий оптимальности ленты для заданных условия эксплуатации и предложен метод определения оптимальных параметров лент с учетом случайного характера отказов.
2. Предложены способы расчета надёжности лент по различным видам отказов.
3. Разработан метод учета взаимного влияния повреждающих факторов разной природы.
4. Получены уравнения напряженного состояния ленты, учитывающие явления относительного сдвига прокладок и сжатия сквиджей совместно с реологическими свойствами ленты.
5. Теоретически и экспериментально определены напряжения в элементах ленты, необходимые для расчета ее усталостной прочности.
6. Получены зависимости, описывающие влияние
конструкции ленты на ее жесткостные свойства и энергоемкость транспортирования груза. Показано, что наряду с производством лент существующих типов целесообразно изготавливать двухпрокладочные ленты с увеличенными сквиджами.
7.' Предложена инженерная методика расчета оптимальных параметров резинотканевых лент для конвейеров горнорудных предприятий. Показана
необходимость увеличения толщин и износостойкости рабочих обкладок при расширении их ассортимента.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
1. Жиркевич В.Ю. Выбор параметров конвейерных лент с учетом экономического критерия. - Экономика и управление в угольной промышленности: Реф. на картах / ЦНИИЭИуголь, вып. 3, 1984, карта № 30.
2. -Дмитриев В.Г., Жиркевич В.Ю. Оптимальное проектирование конвейерных лент. - Изв. вузов. Горный журнал, 1984 № 10, с. 60 - 63.
3. Дмитриев В.Г., Жиркевич В.Ю. Уравнения напряженного состояния конвейерной ленты. - Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной научно-технической конференции до карьерному транспорту / г.' Свердловск, ноябрь 1984 г./, с. 13 - 19.
4. Дмитриев В.Г., Жиркевич В.Ю. Напряженное состояние ленты на приводном барабане конвейера. - Изв. вузов. Горный журнал, 1985, № 3, с. 48 - 52.
5. Дмитриев В.Г., Жиркевич В.Ю. Модель надежности резинотканевой конвейерной ленты. - Изв. вузов. Горный журнал., 1985, № 10.
6. Дмитриев В.Г., Жиркевич В.Ю. Вероятностное описание отказов резинотканевых конвейерных лент. Изв. вузов. Горный журнал., 1985, № 11.
/ ■> '
ЭЬссийская Академия Наук Институт машиноведения ж&. А. А. Благонрав ова
На правах рукописи
ЖИРКЕВИЧ Василий Юльевич
РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИНОТКАНЕВЫХ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ
Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель член-корреспондент АН СССР, доктор технических наук, профессор Спиваковский А.О.
Консультант
доктор физико-математических наук, профессор Березин А.В.
Москва 1998
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 4
1. АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗИНОТКАНЕВЫХ
ЛЕНТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................ 8
1.1. Анализ опыта эксплуатации резинотканевых конвейерных
лент.................................................................................................................. 8
1.2. Обзор существующих методов расчета
резинотканевых конвейерных лент.............................................................. 12
1.3. Выводы и постановка задачи исследования................................................ 26
2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЗИНОТКАНЕВОЙ КОНВЕЙЕРНОЙ ЛЕНТЫ............... 31
2.1. Вывод общих уравнений напряженного состояния многопрокладочной ленты............................................................................. 31
2.2. Исследование напряженного состояния многопрокладочной ленты
на барабане (ролике)....................................................................................... 41
2.3. Требования к изгибной жесткости конвейерных лент................................. 58
2.4. Выводы.............................................................................................................. 71
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЗИНОТКАНЕВЫХ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ............................................ 72
3.1. Обоснование критерия оптимальности конвейерных лент..................................................72
3.2. Определение зависимостей, описывающих отказы резинотканевых конвейерных лент........................................................................................................................................................................................74
3.3. Построение модели надежности резинотканевой конвейерной ленты..........87
3.4. Разработка инженерной методики расчета параметров резинотканевых конвейерных лент..............................................................................................................................97
3.5. Выводы..............................................................................................................113
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНВЕЙЕРНОЙ ЛЕНТЫ........115
4.1. Разработка метода экспериментального определения деформированного состояния ленты на работающем конвейере..........................115
4.2. Исследование деформированного состояния ленты
на конвейерном стенде.......................................................................................121
4.3. Выводы.....................................................................................................................135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................................................................136
ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................................................................................................................137
ВВЕДЕНИЕ
Интенсификация горного производства в условиях повышения значимости экономических факторов требует всё более широкого применения циклично-поточной технологии как наиболее производительной и экономичной. При этом возрастают требования, предъявляемые к её основе - конвейерному транспорту, применяемому при разработке полезных ископаемых, как подземным, так и открытым способом.
Увеличение производительности конвейерных установок и длин транспортирования приводит к возрастанию нагрузок на конвейерные ленты, что требует применения всё более прочных и дорогостоящих лент.
Как показывает практика, на конвейерную ленту приходится до половины и более стоимости всей конвейерной установки. При этом 50-80% отказов конвейера связано с отказами лент [52]. Таким образом, лента является наиболее дорогим и наименее долговечным элементом конвейера. Поэтому большое значение приобретает задача разработки научно обоснованных методов определения параметров ленты, необходимой для заданных условий эксплуатации.
В настоящее время в мировой практике применяются конвейерные ленты двух основных типов - резинотканевые и резинотросовые. Резинотканевые ленты выгодно отличаются от резинотросовых меньшей стоимостью и массой, стойкостью к коррозии, большей надежностью и рядом других эксплуатационных преимуществ. И хотя резинотканевые ленты имеют меньшую прочность, чем резинотросовые, этот недостаток в связи с появлением в последние годы синтетических материалов, сравнимых по прочности со сталью (арамид, терлан и др.), перестает играть определяющую роль, и применение резинотканевых лент оказывается все более перспективным. Например, в США резинотканевые ленты получили преимущественное применение и хорошо себя зарекомендовали.
Наряду с тенденцией увеличения мощности конвейеров, необходимо
отметить, что значительная часть выпускаемых в стране конвейерных лент идет на оснащение сравнительно малонагруженных установок небольшой длины, в связи с чем ленты эксплуатируются с существенным (иногда в десятки раз) превышением нормативных значений коэффициента запаса прочности. Тем не менее, даже в этих случаях обычно не удается достичь значительного увеличения сроков службы лент. Это объясняется многообразием действующих на ленту повреждающих факторов. Среди них имеют место такие, которые практически не зависят от прочности ленты (абразивное воздействие груза на рабочую обкладку, расслаивание прокладок, аварийные повреждения и т. д.). Очевидно, в этих случаях есть смысл говорить о "перерасходе" прочности лент.
Большие расходы, связанные с изготовлением и эксплуатацией конвейерных лент, наличие во многих случаях неоправданного резерва их прочности, недостаточность научно обоснованных рекомендаций по подбору их параметров делают весьма актуальными вопросы обоснования оптимальных сроков службы конвейерных лент и определения необходимых для их реализации конструктивных параметров лент при учете всего многообразия условий эксплуатации и требований к эксплуатационным характеристикам лент.
Исследования автора по этим вопросам велись в рамках решавшейся Московским горным институтом проблемы "Создание новых и совершенствование имеющихся видов конвейерного транспорта".
Целью работы является установление зависимостей и закономерностей, необходимых для построения модели отказов резинотканевых конвейерных лент, на основе которой могут быть определены параметры лент, обеспечивающие их оптимальную долговечность.
Основная идея работы состоит в рассмотрении долговечности ленты как характеристики, определяемой совместным действием повреждающих факторов разной природы, имеющих случайный характер и зависящих от конструктивных параметров лент и условий их эксплуатации.
Методика исследования. Теоретические исследования выполнены с применением методов теории надежности, теории случайных процессов, теории
вероятности и математической статистики, а также методов механики деформируемых сред, теории пластин и оболочек и наследственной механики твердого тела. Экспериментальные исследования проведены с применением методов математического моделирования, а также стендовых испытаний с использованием методов тензометрирования и электрических измерений.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:
- впервые показано, что при расчете параметров конвейерных лент целесообразно применять методы оптимального проектирования, причем в качестве критерия оптимальности следует принимать технико-экономический критерий, учитывающий суммарные затраты на приобретение и эксплуатацию
1 >0 г" 1 и
ленты и фактический срок ее службы, определяемый функцией надежности ленты в заданных условиях эксплуатации;
- впервые показано, что при построении функции надежности ленты необходимо учитывать взаимное влияние повреждающих факторов разной природы;
- показано, что при решении задачи о напряженно-деформированном состоянии изогнутой конвейерной ленты необходимо учитывать явления относительного сдвига прокладок и сжатия сквиджей совместно с реологическими свойствами ленты; впервые получено решение с учетом всех перечисленных факторов;
- впервые получены зависимости для определения цилиндрической жесткости ленты, одновременно учитывающие её структурную неоднородность и разномодульность материала ленты на растяжение и сжатие.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:
- использованием апробированных методов теории надежности, теории случайных процессов, теории вероятности и математической статистики, методов механики деформируемых сред, теории пластин и оболочек и наследственной механики твердого тела - при теоретических исследованиях;
применением апробированных методов измерения и современной аппаратуры -при экспериментальных исследованиях;
- сходимостью теоретических и экспериментальных результатов по определению напряженного состояния ленты; удовлетворительной сходимостью результатов расчета долговечности лент с данными их фактической долговечности.
Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке метода оптимизации конструкции резинотканевых лент на основе построения модели надежности лент, учитывающей взаимное влияние отказов разного вида, уточнения напряженного состояния ленты и учета её эксплуатационных свойств.
Практическое значение работы состоит в разработке методики определения оптимальных параметров проектируемых лент, позволяющей также подбирать серийные ленты, наиболее соответствующие заданным условиям эксплуатации.
Реализация выводов и рекомендаций работы. На основе проведенных исследований создана «Методика определения параметров резинотканевых лент стационарных конвейеров горнорудных предприятий, транспортирующих мелкокусковые грузы», использованная Московским НИИ эластомерных материалов и изделий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 5-й Всесоюзной конференции по карьерному транспорту (г. Свердловск, 1984 г.), на заседании кафедры "Промышленный транспорт" Брянского института транспортного машиностроения (г. Брянск, 1985 г.), научно-техническом семинаре лаборатории № 57 ИМАШ РАН (г. Москва, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 144 страницах машинописного текста, 30 рисунков, 6 таблиц, библиографического списка из 88 наименований.
Автор выражает благодарность доктору технических наук В.Г.Дмитриеву за помощь, оказанную при выполнении работы.
1. АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗИНОТКАНЕВЫХ ЛЕНТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Анализ опыта эксплуатации резинотканевых конвейерных лент
Практика показывает, что выход из строя резинотканевых конвейерных лент связан с самыми разнообразными причинами. В их числе: износ рабочей и нерабочей обкладок; пробои и порывы сердечника; расслоение прокладок; износ бортов; порывы ленты на стыках; аварийные повреждения, связанные с износом нерабочей обкладки вследствие пробуксовки ленты, со значительными повреждениями сердечника от попадающих на конвейер вместе с полезным ископаемым или породой металлических предметов (скоб, бурового инструмента) и т.д.
По данным [54], распределение повреждений резинотканевых конвейерных лент по видам представляется следующей таблицей.
Таблица 1.1
Распределение повреждений конвейерных лент по видам, %
Материал Износ рабочей обкладки Повреждение сердечника Повреж дение бортов Износ нерабоч, обкладки Аварийный износ Порывы на стыках
прод. порывы попер, порывы расслоение
Железн. и ^едн. руда, известняк 56 17 Менее 3 Менее 3 13 3 8 -
Уголь 8 15 20 5 30 - 13 10
Эти данные весьма приблизительны (о чем можно судить даже по тому обстоятельству, что сумма долей по всем видам отказов не равна в точности 100%), но всё же дают возможность составить представление о примерном
соотношении отказов разного вида. Как видно, для горнорудных предприятий наиболее характерными причинами выхода из строя конвейерных лент являются износ рабочей обкладки (до 56%) и порывы сердечника по утку - 17%. Это объясняется преобладанием ударных нагрузок вследствие большой твердости и крупности транспортируемого груза и его высокой абразивности. Так, по данным [19], на некоторых горнорудных предприятиях износ рабочей обкладки составляет до 85% всех видов износа конвейерных лент. Различие оценок этого фактора, данных в [54] и [19], обусловлено значительным разбросом характеристик выпускаемых конвейерных лент и условий их эксплуатации. Кроме того, принимаемые авторами для статистического исследования выборки зачастую не удовлетворяют требованию статистической однородности, так как включают в себя ленты, несколько различающиеся по конструкции, наработке и т.д. Например, данные, предлагаемые автором работы [78] и приведенные в таблице 1.2, отличны от данных [54].
Таблица 1.2
Распределение повреждений конвейерных лент по видам для угольных шахт Донбасса, %
Порывы Износ Пробои Повреждение стыка Прочие
Прод. попер. рабоч. обкл. нераб. обкл. бортов
9,8 12,9 11,2 12,2 15,3 6,8 10,3 21,5
Тем не менее, приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что для угольных шахт распределение повреждений конвейерных лент по видам оказывается более равномерным, чем для горнорудных предприятий. Износ рабочей обкладки для них значительно менее характерен; преобладают такие отказы, как повреждения сердечника, износ бортов и порывы на стыках.
Опыт эксплуатации конвейерных лент показывает, что основные причины
выхода их из строя обусловлены явлениями усталостного характера. К внезапным отказам конвейерных лент можно отнести лишь случаи аварийных повреждений. Все остальные характерные виды отказов лент являются постепенными.
Механизм выхода из строя рабочей обкладки можно охарактеризовать совокупным действием нескольких процессов: абразивного изнашивания обкладки; накопления усталостных повреждений в резине вследствие длительного воздействия ударных нагрузок, что приводит к образованию трещин в обкладке, а также к ослаблению связи обкладки с сердечником и к обширным её вырывам; явления старения резины, ускоренного неблагоприятным воздействием факторов среды и т. д.
Постепенный характер имеют отказы, связанные с повреждением сердечника ленты вследствие ударных нагрузок. Как правило, единичные пробои прокладок и даже сквозные пробои сердечника не приводят к потере лентой её работоспособности. Вместе с тем, при длительном воздействии ударных нагрузок площадки пробоев начинают перекрываться, нарушается связь между нитями основы и утка, образуются очаги концентрации напряжений, что приводит к образованию систем продольных и поперечных трещин, лента теряет тяговую способность и выходит из строя.
Явлениями усталостного характера объясняются и случаи износа и расслоения бортов. Характерно, что повреждающие факторы, приводящие к отказам разного вида, носящим постепенный характер, оказывают взаимное влияние друг на друга. Например, износ рабочей обкладки способствует увеличению интенсивности накопления пробоев сердечником, что, в свою очередь, приводит к возрастанию вероятности обрыва ленты вследствие уменьшения её эффективного сечения, воспринимающего нагрузку, и концентрации напряжений.
Постепенный характер отказов конвейерных лент непосредственно следует из анализа распределений наработки лент до отказа. Автором работы [78] показано, что распределение времени до отказа конвейерных лент подчиняется
закону Вейбулла. При этом вероятность безотказной работы ленты изменяется по закону
Р(/) = е~агР,
а интенсивность потока отказов
Для угольных шахт Донбасса параметры а и Р изменяются в пределах: а = 0,01 - 0,05; р = 1,1 - 1,8. Значение (3 > 1 характеризует возрастающую интенсивность отказов, что имеет место в системах с постепенно развивающимися отказами. Данные работы [52] подтверждают этот результат. Приведенные в работе распределения сроков службы конвейерных лент подчиняются нормальному закону, при котором интенсивность потока отказов также является возрастающей функцией времени.
Существенное влияние на долговечность лент оказывают порядок и качество их обслуживания. Так, сходные по характеристикам конвейерные ленты в Германии эксплуатируются дольше, чем в СНГ. Это вызвано тем, что в Германии порядок обслуживания лент предполагает по мере возникновения местных повреждений проведение ремонтов по их устранению. При этом постепенный характер выхода из строя лент по-прежнему имеет место, так как даже тщательно отремонтированная лента обычно уступает по свойствам новой.
Вместе с тем, необходимо отметить исключение, к
