Обоснование параметров ленточн о- канатного конвейера для горнодобыва ю щих предприятий
На правах рукописи
Червонный Сергей Игоревич
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛЕНТОЧНО-КАНАТНОГО КОНВЕЙЕРА ДЛЯ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Специальность 05.05.06 - Горные машины
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный»
Научный руководитель-
доктор технических наук, профессор
Тарасов Юрий Дмитриевич
Официальные оппоненты:
Николаев Александр Константинович - доктор технических наук, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», профессор кафедры транспорта и хранения нефти и газа
Рыжих Алексей Борисович - кандидат технических наук, ООО «Горные технологии и инновации», генеральный директор
Ведущая организация - НПК «Механобр-Техника» (ЗАО)
Защита диссертации состоится «19» июня 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, д.2, ауд. 7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»
Автореферат разослан 18 мая 2012 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
д.т.н., профессор В.В.ГАБОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Ленточные конвейеры, являясь одним из наиболее эффективных и высокопроизводительных видов конвейерного транспорта, нашли широкое применение на подземных и открытых горных работах. Применение ленточных конвейеров обеспечивает на горных предприятиях интенсивный путь развития, позволяя использовать поточную и циклично-поточную технологии, широко внедрять автоматизацию производственных процессов, соответствуя при этом современным экологическим требованиям. Постоянно растут объемы перевозок ленточными конвейерами в угольной промышленности, черной металлургии, промышленности нерудных строительных материалов и других отраслях.
В последние годы нашли широкое применение канатно-ленточные конвейеры, которые, по сравнению с обычными ленточными конвейерами, существенно увеличивают длину транспортирования, что обусловлено использованием стальных проволочных канатов в качестве тягового органа.
Однако, существующие конструкции канатно-ленточных конвейеров обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения и снижающих технико-экономические показатели при эксплуатации этих конвейеров. Основными недостатками являются:
- недостаточная производительность из-за ограниченной величины желобчатости грузонесущей ленты;
- значительные габаритные размеры приводных станций и необходимость использования большого числа отклоняющих шкивов при размещении привода за пределами разгрузочных устройств;
- наличие опорных шкивов увеличенного диаметра для тяговых канатов грузовой и холостой ветвей контура ухудшают условия безопасной эксплуатации транспортного средства.
Эти недостатки в значительной степени проявляются при использовании ленточно-канатных конвейеров в подземных условиях и на повышенных уклонах трассы.
Таким образом, конструктивное совершенствование канатно-ленточных конвейеров, определение области их экономически эффективного применения невозможны без совершенствования и установления рациональных параметров элементов линейной части конвейера, что является актуальной задачей для горнодобывающей промышленности и требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы. Установление закономерностей, связывающих геометрические и силовые параметры усовершенствованной конструкции ленточно-канатного конвейера, с рекомендацией рациональных значений параметров, обеспечивающих максимальную производительность конвейера при заданной ширине конвейерной ленты и максимально возможную величину тягового усилия, реализуемого стальными канатами тягового контура.
Для достижения обозначенной цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследования:
1. Разработка принципиальной схемы ленточно-канатного конвейера с размещением канатного тягового контура внутри контура конвейерной ленты при совмещении в одном приводном блоке канатного и ленточного приводов.
2. Разработка математической модели нового двухконтурного ленточно-канатного конвейера, связывающей геометрические параметры размещения тяговых канатов и боковых опорных роликов для грузонесущей ветви конвейерной ленты, что позволяет выбрать рациональные значения этих параметров, обеспечивающих максимальную площадь поперечного сечения желоба грузонесущей ветви ленты при максимальной составляющей тягового усилия, реализуемого стальными проволочными канатами внутреннего тягового контура.
3. Экспериментальные исследования на лабораторном стенде, позволяющие установить численные значения параметров функциональных связей между грузонесущим органом (конвейерной лентой с боковыми опорными устройствами) и тяговым органом (двумя стальными проволочными канатами) с возможностью их использования в математической модели при выборе рациональных параметров проектируемого конвейера.
4. Разработка методики расчета двухконтурного ленточно-канатного конвейера.
5. Формулирование задачи дальнейшего совершенствования конструкции двухконтурного ленточно-канатного конвейера.
Идея работы. Величина составляющей суммарного тягового усилия, реализуемого стальными проволочными канатами внутреннего тягового контура, определяется расстоянием между канатами и величиной весовой нагрузки на канаты от конвейерной ленты с размещенным на ней транспортируемым грузом.
Методы исследований. Теоретические исследования и экспериментальные исследования на лабораторном стенде, позволяющие установить функциональные и численные значения геометрических и силовых параметров двухконтурного ленточно-канатного конвейера.
Научная новизна работы:
1. Научно обосновано применение для рекомендуемого ленточно-канатного конвейера двухканатного тягового контура с его размещением внутри ленточного контура при совмещенном приводном блоке, состоящем из шкива и барабана.
2. Разработана математическая модель системы привода конвейерной ленты, обеспечивающая выбор рациональных параметров двухконтурного ленточно-канатного конвейера – составляющих тяговых усилий, реализуемых стальными проволочными канатами и самой конвейерной лентой при заданной производительности конвейера.
Защищаемые научные положения:
1. Математическая модель двухконтурного ленточно-канатного конвейера, описывающая функциональные связи величины составляющей тягового усилия, реализуемого стальными проволочными канатами, от величины суммарного тягового усилия и площади поперечного сечения транспортируемого груза, с расстоянием между тяговыми канатами и углом наклона боковых роликов грузонесущей ветви конвейерной ленты, что позволяет определить величины тяговых усилий, реализуемых тяговыми канатами и самой конвейерной лентой, с обоснованным выбором прочных размеров тяговых канатов и конвейерной ленты.
2. Рациональные параметры ленточно-канатного конвейера, обеспечивающие его максимальную производительность и максимальную величину составляющей тягового усилия, реализуемого тяговыми канатами, при заданной ширине ленты, определяются при
угле наклона боковых роликов 50о, расстоянии между канатами 215мм, участке ширины ленты, опирающейся на боковые ролики равном 50мм.
Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основана на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и результатов экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы:
1. Разработана усовершенствованная конструкция двухконтурного ленточно-канатного конвейера, исключающая недостатки существующих конструкций канатно-ленточных конвейеров, обеспечивающая возможность использования конвейера при увеличенных значениях длины транспортирования, угла наклона конвейера и производительности при той же ширине конвейерной ленты.
2. Разработана методика расчета и выбора рациональных параметров двухконтурных ленточно-канатных конвейеров предлагаемой конструкции.
Реализация результатов работы. Ленточно-канатные конвейеры предлагаемой конструкции рекомендуются для использования в качестве магистральных и подъемных конвейеров в шахтах, рудниках и карьерах горной промышленности, а также в качестве магистральных конвейеров на предприятиях любых других отраслей промышленности.
Личный вклад автора. Разработка усовершенствованной конструкции ленточно-канатного конвейера и стендов для экспериментального исследования его параметров. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд. Проведены экспериментальные исследования и установлены функциональные зависимости между основными параметрами конвейера. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров ленточно-канатного конвейера и методика расчета двухконтурного ленточно-канатного конвейера.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технической конференции горно-электромеханического факультета СПГГУ в 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 4 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 35 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 78 наименований. Общий объем диссертации 105 страниц.
Основное содержание работы:
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследований.
В главе 1 приведен анализ известных конструкций канатно-ленточных конвейеров, указаны их недостатки и направления совершенствования их конструкции, обеспечивающие улучшение их технико-экономических показателей.
В главе 2 приведено описание конструкции и принципа действия усовершенствованного варианта разработанного двухконтурного ленточно-канатного конвейера.
В главе 3 приведена разработанная математическая модель двухконтурного ленточно-канатного конвейера и, определяемые на ее основе, производительность конвейера, статические сопротивления движению тягового и несущего контуров, составляющие тяговых усилий, реализуемых стальными проволочными канатами и конвейерной лентой. Описана принципиальная схема приводного блока для тягового и несущего контуров.
В главе 4 рассматривается конструкция экспериментального стенда, методика проведения экспериментальных исследований, приведены результаты исследований и, аппроксимированные на их основе, функциональные связи между основными параметрами конвейера.
В главе 5 приведена методика расчета усовершенствованной конструкции двухконтурного ленточно-канатного конвейера, позволяющая выбирать его рациональные параметры в зависимости от заданных или принятых исходных данных при проектировании конвейера, а также предложена конструкция бункера, обеспечивающая снижение динамических нагрузок на конвейерную ленту в зоне ее загрузки транспортируемым грузом.
Заключение отражает обобщенные выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии со сформулированной целью и решаемыми научными и практическими задачами.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Математическая модель двухконтурного ленточно-канатного конвейера, описывающая функциональные связи величины составляющей тягового усилия, реализуемого стальными проволочными канатами, от величины суммарного тягового усилия и площади поперечного сечения транспортируемого груза, с расстоянием между тяговыми канатами и углом наклона боковых роликов грузонесущей ветви конвейерной ленты, что позволяет определить величины тяговых усилий, реализуемых тяговыми канатами и самой конвейерной лентой, с обоснованным выбором прочных размеров тяговых канатов и конвейерной ленты.
Разработана конструкция двухконтурного ленточно-канатного конвейера (рис.1) и методика расчета и выбора основных его параметров. Использование такого конвейера позволит, по сравнению с традиционными канатно-ленточными конвейерами, увеличить длину транспортирования, что обуславливается перераспределением тягового усилия между лентой и канатами, увеличить производительность конвейера при той же ширине ленты за счет увеличения площади поперечного сечения.
Рис.1. Поперечное сечение двухконтурного ленточно-канатного конвейера: 1, 2 – грузонесущая и холостая ветви конвейерной ленты с опорными роликами 3, 4; 5, 6 - стальные проволочные канаты тягового контура; 7– опорный ролик для тяговых канатов грузонесущей ветви; 8– рама конвейера, 9 - транспортируемый груз.
Соотношение тягового усилия, реализуемого тяговыми канатами, и суммарного тягового усилия:
, (1)
где W0- суммарное тяговое усилие, кН; Wк- тяговое усилие, реализуемое стальными проволочными канатами, кН.
При заданной производительности Q конвейера, которой соответствует значение суммарного тягового усилия W0, тяговое усилие, реализуемое самой конвейерной лентой (Н):
, (2)
Величина 
функционально связана с параметрами конвейера:
, (3)
где а- расстояние между тяговыми канатами, м; В- ширина конвейерной ленты, м; 
,
,
- коэффициенты, зависящие от угла 
наклона боковых опорных роликов конвейерной ленты и участка b (м) ширины ленты, опирающейся на боковые ролики.
Значение этих коэффициентов определены по результатам экспериментальных исследований на стенде.
При этом значение коэффициента 
, определяемое по формуле (3), принято с запасом из условия равенства 
, где 
- коэффициент трения (сцепления) между тяговыми канатами и грузонесущей ветвью конвейерной ленты; 
- приведенный коэффициент сопротивления движению ленточного контура по боковым опорным роликам грузонесущей ветви и роликоопорам нерабочей ветви с учетом местных сопротивлений движению.
Тяговое усилие, которое может быть реализовано двухканатным тяговым контуром, равно (Н):
, (4)
где 
- длина конвейера, м; qл, q- линейная масса конвейерной ленты и транспортируемого груза, кг/м; 
- угол наклона конвейера.
Величина 
превышает значение 
. Поэтому при выборе размеров канатов целесообразно принимать значение 
(4), а при выборе размеров конвейерной ленты величину 
, определяемую по формуле (2), что обеспечивает достаточный запас прочности как тяговых канатов, так и конвейерной ленты с соответствующим повышением надежности эксплуатации двухконтурного ленточного канатного конвейера.
Производительность, обеспечиваемая ленточно-канатным конвейером, определяется по известной формуле (т/ч):
, (5)
где F -площадь поперечного сечения транспортируемого груза на грузонесущей ветви конвейерной ленты, м2; v - скорость движения ленты совместно с канатным тяговым контуром, м/с; - насыпная плотность транспортируемого груза, т/ м3. При этом площадь F (м2) определяется следующим образом:
(6)
где - угол откоса транспортируемого груза на движущейся конвейерной ленте, град.; B - ширина конвейерной ленты, м; a – расстояние между двумя канатами круглого поперечного сечения, м; - ширина свободной от транспортируемого груза кромки конвейерной ленты, м.
Для обеспечения максимально возможной производительности конвейера при заданных параметрах B, a,, боковые ролики устанавливаются под углом наклона, определяемым непосредственно из уравнения (6), графика функции F(), построенного при различных значениях угла, или из приравненной к нулю производной dF/d этой функции. Для обеспечения максимального тягового усилия, реализуемого канатным тяговым органом, сообщаемого конвейерной ленте, величину угла наклона боковых роликов следует принимать максимально возможной при условии обеспечения заданной производительности.
Сопротивление движению грузонесущей ветви тягово-несущего контура (Н):
(7) где L — длина конвейера (м); 
— отношение длин ленточного L0 и канатного L контуров при рабочих натяжениях соответственно ленты и каната (к = L0/L); qл,qк, q — линейная масса соответственно ленты, каната (или канатов) и транспортируемого груза (кг/м); w' — приведенный коэффициент сопротивления движению грузонесущей ветви тягово-несущего контура; 
- угол наклона конвейера (град.); qрл, qpк — линейная масса вращающихся частей роликоопор соответственно для ленты и каната (кг/м); wл', wк' -коэффициенты сопротивления движению соответственно ленты и каната по указанным выше роликоопорам.
Сопротивление движению нерабочей ветви тягово-несущего контура (Н):
(8)
где qрх - линейная масса вращающихся частей роликоопор на нерабочей ветви тягово-несущего контура (кг/м); w"- коэффициент сопротивления движению тягово-несущего контура на его нерабочей ветви.
Коэффициент w' может быть определен как средневзвешенная величина коэффициентов сопротивления движению ленты и каната по роликоопорам:
(9)
где 
— доля весовой нагрузки, приходящаяся на тяговый канат. Что касается параметра w", то он равен коэффициенту сопротивления движению тягово-несущего контура по роликоопорам нерабочей ветви ленты. Величина показателя 
определяется в зависимости от принятой формы лотка ленты на грузонесущей ветви. При этом 
.
Суммарные сопротивления движению тягово-несущего контура (Н):
(10)
где К- коэффициент (К>1) учитывающий местные сопротивления движению тягово-несущего контура.
Численные значения рациональных параметров рассмотрены во втором научном положении.
2. Рациональные параметры ленточно-канатного конвейера, обеспечивающие его максимальную производительность и максимальную величину составляющей тягового усилия, реализуемого тяговыми канатами, при заданной ширине ленты, определяются при угле наклона боковых роликов 50о, расстоянии между канатами 215мм, участке ширины ленты, опирающейся на боковые ролики равном 50мм.
В настоящее время для выбора параметров разрабатываемого ленточно-канатного конвейера отсутствуют необходимые для расчета данные. Эти данные можно получить только экспериментальным путем при исследовании тягового усилия, реализуемого тяговыми канатами и самой лентой.
Рис. 2 Поперечный разрез стенда для исследования параметров ленточно-канатного конвейера: 1- отрезок конвейерной ленты; 2– проба транспортируемого груза; 3,4 – боковые опорные ролики для ленты 1; 5, 6 – отрезки тяговых канатов; 7, 8 – двуплечие рычаги с шарнирами 9, 10 и сменными грузами 11, 12; 13, 14 – опорные ролики для канатов 5, 6
В результате проведенных стендовых экспериментальных исследований (рис.2) установлены функциональные зависимости (рис.3), определяющие величину коэффициента Kт при различных значениях расстояния a между канатами, углах наклона боковых опорных роликов для конвейерной ленты и участка b ширины ленты, опирающейся на боковые ролики:
,
где a – расстояние между тяговыми канатами, м; B - ширина конвейерной ленты, м; k1, k2, k3 - коэффициенты, величина которых зависит от угла наклона боковых роликов для ленты и участка b(м) ширины ленты, опирающейся на боковые ролики:
При = 50 градусов и b = 50 мм: k1 = 24,365; k2 = 11,831; k3 = -2,2392.
При = 30 градусов и b = 50 мм: k1 = 1,9748; k2 = 0,5362; k3 = -0,4378.
При = 20 градусов и b = 50 мм: k1 = 14,822; k2 = 6,9149; k3 = -1,4377.
Рис. 3. Зависимость коэффициента КТ от отношения а/В при 
=50о и b=50мм
Функциональная зависимость аппроксимирована уравнением:
.
Установлены зависимости коэффициента Kт от участка b ширины ленты, опирающейся на боковые ролики (рис.4):
