Обоснование метода расчета соединений ленты с ходовыми каретками подвесных ленточных конвейеров для транспортирования горных пород

Ленточные конвейеры являются основным видом участкового и магистрального транспорта на большинстве угольных шахт и на многих угольных разрезах. Они широко применяются на открытых разработках руд и нерудного сырья. Обогатительные и дробильно-сортировальные фабрики горных предприятий также оборудованы ленточными конвейерами. Простота в эксплуатации, высокая производительность и экономичность непрерывного транспорта, легко поддающегося автоматизации, обусловили широкое применение ленточных конвейеров на грузовых терминалах, перерабатывающих насыпные грузы.

Ленточные конвейеры характеризуются большим разнообразием типов, которое обусловлено различием областей их применения и условий эксплуатации. Все чаще на горных предприятиях находят применение специальные виды конвейеров, конструкция которых позволяет адаптироваться к особенностям конкретных условий их эксплуатации.

Недостатками ленточных конвейеров традиционной конструкции являются ограничения области использования по крупности транспортируемого груза (обычно до 300 мм) и по углу наклона трассы конвейера (до 18°), требование прямолинейности трассы в плане, относительно высокие расходы на замену ленты, связанные с ее быстрым износом, необходимость центрирования хода ленты. Кроме того, при транспортировании пылящих грузов необходима установка конвейеров в закрытых галереях.

Лента, стоимость которой обычно составляет примерно 70% стоимости всего конвейера, а срок службы редко превышает 1,0 — 1,5 года, является наиболее дорогим и быстро изнашиваемым элементом ленточных конвейеров традиционной конструкции. Ее интенсивный износ на конвейерах традиционной конструкции обусловлен боковыми смещениями, а также периодическими подъемами и опусканиями участков ленты и лежащего на ней груза, что приводит к появлению динамических нагрузок, ещё большему снижению срока службы ленты и роликов, а также к возрастанию энергоемкости процесса транспортирования.

Объектом настоящего исследования является подвесной ленточный конвейер, конструкция которого позволяет устранить ряд недостатков, присущих обычному ленточному конвейеру. Конструктивной особенностью этого конвейера является, то, что лента прикреплена к ходовым кареткам (обычно посредством болтового соединения с их кронштейнами) и движется вместе с ними по направляющим трубам, сворачиваясь в желоб за счет схождения этих труб. Направляющие трубы, в свою очередь, прикреплены к металлическому ставу ленточного конвейера. Желоб рабочей ветви может быть как открытым, так и закрытым. В зоне загрузки и разгрузки лента находится в развернутом состоянии. На криволинейных участках и порожняя ветвь ленты может сворачиваться в желоб. На рисунке в качестве примера показана конструкция подвесного ленточного конвейера, разработанная Брянским ИПЦ «Конвейер» (ныне ООО «Конвейер-груп») [45]. а) I.

А-А в) б).

Рис. Подвесной ленточный конвейер конструкции ИПЦ «Конвейер».

В рассматриваемом ленточном конвейере, являющемся фактически гибридом обычного роликового конвейера и рельсового транспорта и не имеющем указанных выше недостатков, к бортам размещенной на приводном 1 и концевом 2 барабанах ленты 3 с помощью кронштейнов 4 прикреплены опорные ролики 5, обечайка которых имеет вогнутую поверхность. Конвейер включает также расположенные по обе его стороны опорные трубы 6, на которых с помощью кронштейнов 7 установлены контактирующие с роликами 5 направляющие элементы 8, выполненные в виде замкнутых, вытянутых вдоль конвейера труб, расстояние между которыми выбрано таким, чтобы обеспечить требуемую желобчатость ленты на всей длине конвейера. При этом вблизи барабанов направляющие элементы 8 имеют отгибы в горизонтальной плоскости, позволяющие ленте в местах ее взаимодействия с барабанами принять плоскую форму.

Конвейер оборудован также устройством 9 для натяжения ленты. С целью предотвращения пробуксовки поступающего на конвейер насыпного груза концевой барабан 2 может быть приподнят над лентой 3, в результате чего груз падает на ленту под оптимальным углом и пробуксовка его отсутствует. Для увеличения тягового усилия на приводном барабане 1 конвейер может быть оборудован также устройством 10 для прижатия ленты 3 к барабану 1, позволяющее дополнительно уменьшить усилие натяжения ленты и снизить требования к ее прочности.

Исследования и опыт эксплуатации конвейеров с подвесной лентой показали, что они имеют ряд преимуществ, по сравнению с традиционными, роликовыми ленточными конвейерами, а именно [45]:

— уменьшенную примерно на 50% потребность в дорогостоящей ленте. Например, конвейер с подвесной лентой шириной 800 мм. за счет более глубокого и плавного желоба грузовой ветви ленты, полного исключения ее боковых смещений и более полной загрузки сечения ленты по производительности соответствует типовому ленточному конвейеру с шириной ленты 1200 мм. По этим же причинам при сохранении прежней ширины ленты производительность конвейера с подвесной лентой на 50% превышает производительность типового ленточного конвейера;

— увеличенный не менее, чем в 2−3 раза срок службы ленты — ввиду отсутствия боковых смещений ленты (что сохраняет ее легкоранимые борта), нижних роликов (что исключает износ ими «грязной» стороны ленты), деформации («шевеления») транспортируемого груза на ленте, обусловленной периодическими изгибами ленты в пролетах между опорами (что резко снижает усталостное разрушение ленты), сопротивления вдавливания роликов в ленту;

— возможность транспортирования крупнокусковых насыпных грузов, ввиду отсутствия линейных роликоопор;

— возможность транспортирования липких материалов, ввиду отсутствия контакта «грязной» поверхности ленты с какими-либо опорными и др. элементами конвейера на порожняковой ветви. При этом решение проблем очистки ленты, подконвейерного пространства, самих очистных устройств и т. п. упрощается;

— возможность транспортирования мелкодисперсных и пылящих материалов (угольного и рудного концентрата, цемента, мела и т. п.), ввиду возможности уменьшения поверхности пылеобразования за счет частичного или полного замыкания желоба ленты в поперечной плоскости, т. е. придания ей формы трубы;

— уменьшение в 3 — 5 раз энергоемкости транспортирования и продольного натяжения ленты за счет указанных выше факторов, а также ввиду снижения массы вращающихся частей линейной части конвейера;

— возможность повышения угла наклона конвейера до 30° и более за счет уменьшения колебаний ленты и лежащего на ней груза при прохождении через роликоопоры, увеличения желобчатости ленты и приспособления ее формы к форме транспортируемого груза, а также размещения на её рабочей поверхности поперечных стяжек, которые крепятся к кронштейнам ходовых кареток;

— возможность изгиба конвейера в горизонтальной и вертикальной плоскости с небольшими (до 30−50 м) радиусами и строгая фиксация траектории движения ленты, полностью исключающая ее боковые смещения и вертикальные колебания с отрывом от опорных элементов;

— уменьшенную (в 2 — 3 раза) общую металлоёмкость и стоимость конвейера за счет отсутствия стационарных опор и снижения количества подшипниковых узлов, уменьшения размеров и массы линейных секций (ввиду снижения действующих на них вертикальных и особенно продольных нагрузок), изготовления легких и компактных, но достаточно прочных роликов ходовых кареток из фторопласта;

— снижение расходов на эксплуатацию и ремонт конвейера, благодаря устойчивому движению ленты, отсутствию просыпей транспортируемого груза, налипания его на ленту и другие элементы конвейера, снижению требований к точности установки конвейера (особенно при частой его передвижке).

Важным практическим фактором является и возможность во многих случаях, вместо приобретения и монтажа новых подвесных ленточных конвейеров превратить в них уже имеющиеся в эксплуатации конвейеры типовой конструкции, используя в качестве основы приводную и концевую станции, а также опорные элементы наиболее металлоёмкой линейной части.

Отсюда следует, что подвесные ленточные конвейеры являются во многих случаях выгодной заменой ленточным конвейерам традиционной конструкции, а их конструкция обладает большими возможностями приспособления к конкретным условиям эксплуатации на предприятиях горной промышленности.

Поэтому данный вид конвейеров получает все более широкое применение как в России, так и за рубежом.

По данным ИПЦ «Конвейер» (г. Брянск) [45], на крупнейшем в России Лебединском горнообогатительном комбинате (г. Губкин, Белгородской обл.,) более двух лет успешно проработал в исключительно тяжелом режиме реверсивный подвесной ленточный конвейер шириной 1200 мм, используемый для транспортирования железной руды кусковатостью до 450 — 500 мм. В 1998 г. на АО «ЛГОК» пущены в эксплуатацию модернизированный конвейер, аналогичный описанному выше, но имеющий улучшенные эксплуатационные характеристики, а также горизонтально-наклонный подвесной ленточный конвейер для транспортирования окатышей.

Созданы трубчатые подвесные ленточные конвейеры, реверсивные, консольные, крутонаклонные конвейеры с гладкой лентой, конвейеры типа «Серпантин».

Несмотря на отмеченные преимущества подвесных ленточных конвейеров, существует ряд факторов, сдерживающих их широкое распространение. К ним относятся, в частности:

— невозможность установки двухбарабанного привода, реализующего большие тяговые усилияосновным препятствием в этом являются несовершенные узлы крепления ленты к ходовым кареткам;

— недостаточно изучена прочность и долговечность механического соединения ленты с кронштейнами ходовых каретоквследствие этого, устанавливается большой запас прочности элементов крепления, что увеличивает их размеры и ведет к снижению тягового усилия привода и конструктивной скорости движения ленты;

— одним из проблемных узлов конвейеров с подвесной лентой при транспортировании рядовых горных пород является узел загрузки: гидродинамический напор потока загружаемой горной массы и удары крупных кусков груза создают повышенные усилия в соединениях ленты с ходовыми каретками, поэтому необходимо уточнить величину этих усилий, сопоставить их с допустимой нагрузкой на узлы крепления и оценить эффективность различных способов снижения этих усилий.

Существует также предубеждение, что любые механические соединения конвейерных резинотканевых лент являются непрочными и недолговечными. Действительно, если металлические элементы соединения подвержены коррозии, на кромках металлических деталей происходит разрушение резины из-за резких перегибов, в проделанные в ленте отверстия проникает влага и вызывает гниение ткани, а нити ткани являются рыхлыми, то с таким убеждением можно согласиться. Однако в настоящее время металлические элементы соединений изготавливаются из некорродирующих материалов, используются исключительно высокопрочные и негниющие синтетические ткани для конвейерных лент, а вместо резины используются полимерные материалы с повышенной твердостью поверхности и устойчивые к изгибным напряжениям. В связи с этим, вновь получают широкое распространение механические быстроразборные стыковые соединения конвейерных лент, изготавливаемые ведущими зарубежными фирмами.

Кроме того, вызывает недоверие к данному типу конвейеров тот факт, что в соединениях подвесной ленты с ходовыми каретками рабочие напряжения направлены по утку ткани ленты, а не вдоль её основы, как в механических стыковых соединениях.

Хотя нити утка современных резинотканевых конвейерных лент обычно имеют прочность на 30 — 40% ниже, чем нити основы (у некоторых лент прочности этих нитей могут быть и равны), анализ экспериментальных данных [35] показывает, что в отдельных случаях, определяемых конструкцией и размерами соединительных элементов, механические соединения лент могут выдерживать большую нагрузку по утку, чем вдоль основы. Однако имеющихся экспериментальных и теоретических данных в этой области недостаточно. Кроме того, при их получении не учитывалось, что в условиях эксплуатации на конвейере подвесная лента нагружена не только поперечными усилиями, но и одновременно имеет значительное натяжение вдоль основы.

В связи с этим, обоснование метода расчета соединений • ленты с ходовыми каретками подвесных ленточных конвейеров, транспортирующих рядовые горные породы, является актуальной научной задачей.

Цель работы: разработка математической модели поперечного изгиба подвесной конвейерной ленты при загрузке рядовых горных пород и установление ее напряженно-деформированного состоянияв соединениях с ходовыми каретками подвесного ленточного конвейера для обоснования метода расчета этих соединений.

Идея работы: состоит в том, что при обосновании метода расчета соединений ленты с ходовыми каретками подвесного ленточного конвейера учитывается совместное влияние на напряженно-деформированное состояние ленты на участке загрузки параметров загрузочного устройства, конструкции узлов подвески и опорных роликов.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна:

1. Математическая модель поперечного изгиба подвесной конвейерной ленты на участке загрузки, учитывающая параметры загрузочного устройства, узлов подвески и опорных роликов.

2. Математическая модель напряженно-деформированного состояния резинотканевой конвейерной ленты в механическом соединении с кронштейном ходовой каретки как композитной ортотропной оболочки, позволяющая оценивать влияние физико-механических параметров ленты на прочность этого соединения.

3. Метод расчета прочности механического соединения подвесной резинотканевой конвейерной ленты с кронштейном ходовой каретки, учитывающий влияние параметров соединения и характеристик сердечника ленты на механизм ее разрушения.

Научное значение работы состоит:

— в разработке математических моделей поперечного изгиба подвесной конвейерной ленты на участке загрузки и ее напряженно-деформированного состояния в механическом соединении с кронштейном ходовой каретки;

— в установлении аналитических зависимостей для расчета усилий, действующих в соединениях ленты с ходовыми каретками при загрузке подвесного ленточного конвейера рядовой горной породой, с учетом конструкции узлов подвески и опорных роликов;

— в разработке метода расчета прочности механического соединения резинотканевой конвейерной ленты с кронштейном ходовой каретки в зависимости от параметров соединения и характеристик сердечника ленты.

Практическое значение работы заключается в разработке методики расчета соединений ленты с ходовыми каретками подвесных ленточных конвейеров для транспортирования горных пород и рекомендаций по снижению усилий, действующих в этих соединениях.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается корректным использованием методов математического анализа, теории упругости, математической статистики, механики насыпных грузов.

Экспериментальные исследования конвейерных лент типа ТК выполнены на специально разработанном стенде с использованием теории планирования эксперимента.

Достоверность результатов диссертации, выводов и рекомендаций подтверждена достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных зависимостей (расхождение не превышает 12% при уровне значимости 0,10).

Реализация результатов работы. Методика расчета соединений ленты с ходовыми каретками подвесных ленточных конвейеров для транспортирования горных пород и рекомендации по снижению усилий, действующих в этих соединениях, приняты для использования ОАО «НПО ВНИИПТМАШ» при проектировании подвесных ленточных конвейеров.

Апробация работы. Работа и основные её положения докладывались на трех Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, ИПКОН РАН — МГГУ, 2005, 2006 и 2007 г. г.), а также представлены в материалах Международного симпозиума «Универсиада — 2006» (г. Петрошаны, Румыния).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные статьи.

4.4. Выводы по главе.

1. Вследствие композитной волокнистой структуры каркаса ленты, прочность болтового соединения и направление разрушения каркаса изменяется в процессе разрушения скачкообразно. В то же время, рассеивание прочности самих нитей каркаса весьма мало. Деформация ленты при нагружении болтового соединения сопровождается отслаиванием резиновых обкладок и прослоек (сквиджей) от тканевых прокладок.

2. При расчете прочности болтового соединения по выведенной в главе 3 теоретической формуле необходимо считать длину контакта болта с нитями основы равной двум номинальным шагам нитей утка, а также принимать эмпирический поправочный коэффициент, зависящий от числа прокладок и показателя анизотропности физико-механических свойств ленты. Поправочный коэффициент составляет не более 1,178 и уменьшается при увеличении числа прокладок и анизотропности свойств ленты.

3. При малом числе прокладок в ленте (1—2 шт.) и низкой относительной прочности утка, прочность болтового соединения определяется только прочностью нитей основы. При увеличении числа прокладок в ленте возрастает степень однородности свойств каркаса, но в еще большей степени растет неравномерность нагружения отдельных прокладок.

4. Доля прочности резиновой матрицы в общей прочности болтового соединения составляет от 9% для ленты типа ТК — 200 до 20% для ленты типа ТК-100.

5. При образовании отверстия под болт с повреждением нитей основы прочность болтового соединения на начальной стадии разрушения снижается, по сравнению с установившимся значением, на 7 — 11% (соответственно, для одно — и двухпрокладочной ленты типа ТК — 200). При повреждении нитей основы или утка снижается установившееся значение усилия разрушения на 10 — 22%. Поэтому при расчете прочности соединения необходимо принимать коэффициент запаса прочности с учетом возможного некачественного выполнения отверстий в ленте, особенно для многопрокладочных лент.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в обосновании метода расчета соединений ленты с ходовыми каретками подвесных ленточных конвейеров, транспортирующих рядовые горные породы, что позволит повысить технико-экономические параметры конвейеров.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных лично автором, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Существующие методы расчета соединений ленты с ходовыми каретками подвесного ленточного конвейера не учитывают совместного влияния на напряженно-деформированное состояние ленты при загрузке рядовых горных пород параметров загрузочного устройства, узлов подвески и опорных роликов, а также влияние характеристик сердечника ленты на механизм ее разрушения.

2. Наиболее эффективным из применяемых является комбинированный способ снижения усилий в подвесках ленты на участке её загрузки: использование жестко установленных опорных роликов и податливых направляющих ходовых кареток. При этом получается адаптивная система регулирования усилий, исключающая заклинивание груза между подвесной лентой и направляющими бортами загрузочного устройства.

3. В болтовом соединении при нагружении ленты вдоль утка отношения напряжений по основе и утку к соответствующим разрушающим напряжениям имеют практически одинаковые значения. Однако на прочность резинотканевой ленты влияет, наряду с ортотропностью физико-механических характеристик, характер плетения ткани, при котором нити основы скользят в поперечном направлении по нитям утка, особенно при малом числе прокладок. При этом разрушаются нити основы, которые вследствие скольжения по нитям утка, разрыхляются и теряют прочность.

4. Существенное влияние на прочность болтовых соединений подвесной резинотканевой ленты оказывают фактический шаг нитей утка и приведенный диаметр отверстия, а также степень анизотропности свойств материалга ленты. Минимально необходимый приведенный диаметр болта составляет гхримерно 1,3 фактического шага нитей утка.

При расчете прочности болтового соединения необходимо считать длину контакта болта с нитями основы равной двум номинальным шагам нитей утка, а также принимать эмпирический поправочный коэффициент, зависящий от числа прокладок и показателя анизотропности физико-механических: свойств ленты. Поправочный коэффициент составляет не более 1,18 и уменьшается при увеличении числа прокладок и степени анизотропности свойств мгатериала ленты.

5. Прочность болтового соединения существенно зависит от нарушений структуры ткани прокладок ленты при образовании отверстия. Кроме того, усилие разрушения каркаса ленты изменяется в процессе разрушения скачкообразно. При образовании отверстия под болт с повреждением нитей основы прочность болтового соединения на начальной стадии разрушения ниже установившегося значения на 7- 11% (соответственно, для однои двухпрокладочной ленты типа ТК — 200). При повреждении нитей основы или утка снижается и установившееся значение усилия разрушения на 10 — 22%. Поэтому рекомендуется принимать коэффициент запаса прочности с учетом возможного некачественного выполнения отверстий в ленте. Для лент типа ТК-200 с одной и двумя прокладками этот коэффициент необходимо увеличивать, соответственно, в 1,18 и 1,44 раза.

6. При углах желобчатости ленты не менее 30° предельно допустимыми параметрами конвейера являются: ширина ленты 1 м. и насыпная плотность груза для пятипрокладочной ленты типа ТК-200 — 0,8 т/м, а для ленты ТК-400 -1 т/м3 (при нормативном коэффициенте запаса прочности двухболтового соединения, равном 8). Увеличение допустимой насыпной плотности груза возможно за счет повышения угла желобчатости, однако увеличение ширины ленты требует почти двухкратного увеличения прочности материала ее каркаса.

7. Методика расчета соединений ленты с ходовыми каретками подвесных ленточных конвейеров для транспортирования горных пород и рекомендации по снижению усилий, действующих в этих соединениях, приняты для использования ОАО «НПО ВНИИПТМАШ» при проектировании подвесных ленточных конвейеров.