Исследование напряженного состояния и оптимизация конструктивных параметров барабанов ленточных конвейеров горных предприятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Гулак, Максим Леонидович

• Гулак, Максим Леонидович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гулак, Максим Леонидович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие положения

1.2. Анализ конструктивных особенностей барабанов ленточных конвейеров

1.3. Анализ методов проектирования и расчета барабанов ленточных конвейеров

1.4. Обзор методов расчета напряженно - деформированного состояния обечайки барабана ленточного конвейера

1.5. Обзор методов построения регрессионных моделей

1.6. Обзор методов оптимального проектирования конструкций

1.7. Выводы, цель и задачи исследований

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ БАРАБАНА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА ТРАДИЦИОННОЙ КОНСТРУКЦИИ

2.1. Конечно - элементная модель барабана ленточного конвейера обычной конструкции

2.2. Предпосылки, метод и задачи эксперимента

2.3. Аппаратура и оценка погрешностей измерений

2.4. План и программа эксперимента

2.5. Анализ результатов эксперимента

2.6. Сравнение данных, полученных в результате расчета по МКЭ барабана ленточного конвейера обычной конструкции с экспериментальными данными

2.7. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННО-

СТИ БАРАБАНА СОТОВОЙ КОНСТРУКЦИИ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ЕГО НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

3.1. Конечно - элементная модель барабана ленточного конвейера сотовой конструкции и ее числовые параметры

3.2. Оценка массы барабанов ленточных конвейеров обычной и сотовой конструкции на базе анализа их напряженного состояния

3.3. Построение регрессионной модели напряженно - деформированного состояния элементов барабана ленточного конвейера сотовой конструкции

3.4. Алгоритм проверочного расчета напряженно - деформированного состояния барабана ленточного конвейера сотовой конструкции

3.5. Сравнительный анализ долговечности барабанов ленточного конвейера обычной и сотовой конструкции для заданного режима нагружения

3.6. Оценка запаса прочности элементов барабана ленточного конвейера сотовой конструкции

3.7. Выводы по главе

ГЛАВА 4. АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ БАРАБАНА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА СОТОВОЙ КОНСТРУКЦИИ

4.1. Разработка целевой функции и определение величины и характера ограничений

4.2. Алгоритм конечномерной оптимизации барабана ленточного конвейера сотовой конструкции

4.3. Оптимизация барабана ленточного конвейера сотовой конструкции

4.4. Расчет экономического эффекта от использования барабана ленточного конвейера сотовой конструкции

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование напряженного состояния и оптимизация конструктивных параметров барабанов ленточных конвейеров горных предприятий»

ВВЕДЕНИЕ

Для коренного улучшения состояния экономики России необходимо увеличение добычи полезных ископаемых, в основном, за счет повышения производительности труда на основе дальнейшего совершенствования техники и технологии и повышения эффективности использования средств комплексной механизации и автоматизации на горных предприятиях.

Одним из важнейших звеньев технологического процесса на горных предприятиях является транспорт. Все более широкое применение в транс-портно-технологических схемах горных предприятий находят ленточные конвейеры. На угольных шахтах они являются основным средством непрерывного участкового и магистрального транспорта. Область применения ленточных конвейеров при добыче полезных ископаемых открытым способом в России и за рубежом значительно расширяется за счет использования их в схемах поточной и циклично-поточной технологии для транспортирования как мягких так и скальных пород.

Для современного развития конвейерного транспорта характерно увеличение его производительности и длины транспортирования, что увеличивает нагрузки на приводные и отклоняющие барабаны, а также количество барабанов в конвейере. Это снижает общую надежность конвейеров и ухудшает технико-экономические показатели их работы. Большое количество барабанов требуется не только для оборудования вновь выпускаемых конвейеров, но и для замены барабанов, установленных на действующих транспортирующих машинах, срок службы которых значительно ниже срока службы конвейера, особенно на горных предприятиях. Поэтому для удовлетворения потребностей в замене вышедших из строя барабанов необходимо изыскание возможностей как увеличения выпуска барабанов, так и более рационального их использования. Сложность этой задачи требует

поиска путей дальнейшего совершенствования конструкций, методов расчета и повышения надежности и долговечности барабанов ленточных конвейеров. В этой связи научная задача создания математической модели прочностного расчета барабанов ленточных конвейеров для снижения их металлоемкости и увеличения долговечности является актуальной.

Этот вопрос до сих пор не нашел должного отражения в работах по долговечности и надежности барабанов ленточных конвейеров.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке научно обоснованных методик расчета барабана ленточного конвейера новой "сотовой" конструкции, направленных на повышение его надежности и долговечности при транспортировке кусковых грузов на горных предприятиях.

Цель работы заключается в установлении зависимостей прочности и долговечности барабанов ленточного конвейера от его конструктивных параметров и характеристик грузопотока для создания математической модели барабана, позволяющей определить рациональные параметры его конструкции при допускаемом минимуме металлоемкости.

В работе проведены: экспериментальные и теоретические исследования напряженного состояния барабана ленточного конвейера обычной конструкции; теоретические исследования напряженного состояния барабана сотовой конструкции; сравнение барабанов обычной и сотовой конструкции по критериям массы и долговечности; разработка регрессионной модели барабана сотовой конструкции и, на ее основе, - методик проверочного и оптимизационного расчетов, а также долговечности.

Научные положения, защищаемые автором, состоят в следующем:

- математическая модель нагружения барабана ленточного конвейера и расчета его напряженного состояния должна учитывать неравномерность

распределения транспортируемого груза по ширине ленты, назначение барабана и его конструкцию;

- математическая модель оценки долговечности элементов барабана конвейера должна учитывать случайный характер грузопотока;

- математическая модель оптимизации параметров конструкции барабана по критерию минимизации металлоемкости, отличающаяся тем, что учитывает назначение барабана и его конструкцию;

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены:

- сопоставлением экспериментально определенной картины напряженного состояния элементов барабана ленточного конвейера с теоретической, полученной согласно предлагаемой математической модели; расхождение составляет 5-12%;

- теоретическими исследованиями зависимости свойств прочности от характера грузопотока, параметров конвейера с использованием апробированных методов теории механики деформированного твердого тела, теории усталостных разрушений и численных методов математического анализа;

- выбором наиболее полной математической модели прочностного расчета барабана ленточного конвейера, апробированной на широком классе барабанов, всестороннем тестировании программного обеспечении.

Научное значение работы состоит в обосновании математической модели прочностного расчета барабана ленточного конвейера с учетом долговечности его элементов, что является уточнением теоретических методов расчета узлов ленточных конвейеров.

Практическое значение работы заключается в разработке методик проверочного и оптимизационного расчетов и оценки долговечности основных элементов барабана ленточного конвейера, а также в написании программ, реализующих эти методики.

Диссертационная работа выполнена в Московском Ордена Трудового Красного Знамени государственном горном университете на кафедре "Горная механика и транспорт".

Автор выражает глубокую признательность за всестороннюю помощь и поддержку коллективу кафедры "Подъемно-транспортные машины и оборудование" Брянского государственного технического университета.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие положения

Системы автоматизированного проектирования (САПР) с каждым годом находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Применение САПР обеспечивает сокращение сроков создания и выпуска новых видов продукции и улучшение её качества, снижает затраты на создание и эксплуатацию проектируемых изделий, повышает производительность труда проектировщиков, конструкторов и технологов.

С учетом изменения экономической ситуации в стране, вопросы снижения себестоимости производимого оборудования выходят на первое место. Наиболее эффективно применение САПР при решении задач, имеющих многовариантное решение, как, например, задач оптимизации конструктивных параметров сложных систем. При этом задачи обычно имеют несколько критериев оптимизации разной значимости. Использование САПР для решения таких задач позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант решения.

К таким задачам относится и проектирование ленточных конвейеров. Необходимость проведения проектирования ленточных конвейеров именно с использованием САПР обусловлена дефицитом материальных и других ресурсов. Это связано с большими объемами производства и со значительной стоимостью изготовления оборудования и, как следствие, необходимостью оптимизации его элементов как для каждого отдельного случая, так и для отдельных серий.

Применение оптимизации при проектировании позволит значительно снизить металлоемкость применяемого оборудования, использовать менее мощные, а, следовательно, и менее дорогие, узлы и механизмы. При этом

надежность и долговечность этих элементов не только не уменьшится, но и может увеличиться.

Сказанное выше обуславливает необходимость создания САПР ленточных конвейеров в настоящее время.

Разработка САПР ленточного конвейера требует всесторонней проработки и анализа вопросов проектирования, расчета и конструирования конвейера. При этом необходима разработка новых методик расчета (с учетом возможностей и особенностей современной вычислительной техники) как всего конвейера в комплексе, так и отдельных его узлов и элементов.

Приводной барабан является одним из самых нагруженных и одним из ответственных узлов ленточного конвейера. Крутящий момент двигателя передается на ленту при помощи барабана с использованием фрикционной передачи. Для обеспечения достаточного тягового усилия барабана конвейерная лента имеет значительное натяжение. При этом, на мощных длинных ленточных конвейерах, нагрузки на барабан могут составлять сотни тысяч ньютонов. Нагружение элементов барабана носит сложный характер: нормальные нагрузки сочетаются с касательными, причем они не являются постоянными по углу обхвата и ширине ленты.

Отсутствие достаточно эффективных методик точного расчета барабанов вручную создает большие трудности при оптимизации параметров элементов барабана. Это приводит к необоснованному завышению коэффициентов запаса прочности. В результате конструкция барабана получается более металлоемкой, не увеличивая существенно ее надежности и долговечности.

Детальный расчет позволяет проектировать отдельные элементы и узлы конвейеров и конвейеры в целом с более высокими технико-экономическими показателями и затраты на выполнение дополнительного расчета представляют собой ничтожную величину по сравнению с эконо-

мией, которая получается при создании и эксплуатации ленточных конвейеров

1.2. Анализ конструктивных особенностей барабанов ленточных конвейеров

Барабаны ленточных конвейеров условно относятся к классу полых цилиндрических деталей - тел вращения, рабочие поверхности которых расположены концентрично. При этом характерной конструктивной и технологической особенностью этих барабанов является их тонкостенность при сравнительно больших диаметре и длине.

Выполняют такие барабаны, как правило, сварными с обечайками из листовой стали (обычно СтЗ) или толстостенных стальных труб (рис. 1.1 а).

В отдельных случаях при небольшом диаметре и значительном объеме выпуска барабаны делают литыми.

Обечайки сварных барабанов изготавливают из вальцованных или штампованных листов, сваренных встык сплошными швами.

Указанная технология изготовления барабанов ленточных конвейеров для открытых горных работ (т.е. конвейеров большой или особо большой производительности) весьма прогрессивна, особенно при сравнении ее с технологией изготовления литых барабанов, а также с учетом того, что производство мощных ленточных конвейеров является, в своем большинстве, мелкосерийным или даже единичным.

Кроме высокой массы к недостаткам описанных барабанов следует отнести их низкую долговечность. Так из опыта эксплуатации ленточных конвейеров на горных предприятиях известно, что барабаны, в основном, выходят из строя из-за разрушения обечайки в средней части или сварных швов, соединяющих лобовины и обечайку. Для увеличения срока службы обечаек и сварных швов в конструкцию барабанов вводятся некоторые из-

а)

1

У///////?///,

//// /У// //////// //// ////^Л^

в)

Рис. 1.1. Конструкции барабанов ленточных конвейеров.

менения и усовершенствования. Так, например, обечайки барабанов, установленных на конвейерах 2ЛБ120 выполняются ступенчатыми с увеличением толщины в средней части. Другой попыткой устранения указанных недостатков было изготовление для барабанов конвейеров типа Л100 ступиц с ребрами, соединяющими ступицу с обечайкой. Еще один вариант решения проблем высокой металлоемкости и низкой долговечности - усиление обечайки изнутри кольцевыми ребрами жесткости.

Как показывают практика и проведенные расчеты, этим достигается перераспределение возникающих напряжений, что приводит к некоторому увеличению долговечности элементов барабана, но служит причиной увеличения его массы. Т.е. при данной технологии трудно добиться существенного снижения массы барабана. Значительно снижаются и возможности конструктивного разнообразия барабанов сварной конструкции.

Приведенный ниже анализ конструкций барабанов, которые могут быть использованы в ленточных конвейерах большой мощности, показывает, что основные направления в совершенствовании указанных барабанов связаны не с попытками снижения их материалоемкости, а с возможностью увеличения тяговой способности, предотвращением залипания или обеспечением центрирующей способности барабанов.

В частности, значительное разнообразие получили конструктивные способы выполнения футеровок барабанов. Наибольшее распространение при этом получила резиновая футеровка, которая выполняется гладкой либо рифленой с шевронными канавками или ромбовидными ячейками [66]. Рифленая футеровка, обеспечивая хорошее сцепление с конвейерной лентой, способствует очищению барабана от мелких частиц транспортируемой породы и их выходу в стороны по пазам вместе с влагой. При этом экспериментально установлено следующее важное свойство таких футеровок: коэффициент сцепления с лентой возрастает при увеличении твердости ма-

териала футеровок (мягкие сорта резины из-за быстрого изнашивания вообще непригодны для футерования барабанов).

Так например, фирма "Тип-Топ" (Германия) для приводных барабанов изготовляет элластичные обкладочные пластины из специальной резины твердостью 62-68 по Шору. В работе [66] приведены также экспериментальные данные, полученные в институте транспортной техники (Германия) для значений коэффициентов сцепления барабанов с лентами.

Помимо использования футеровок увеличение сил сцепления обечайки барабанов с лентой может быть достигнуто и другими средствами. Например, известны конструкции приводных барабанов мощных ленточных конвейеров, в которых лента прижимается к обечайке с помощью дополнительных роликов [67] или бесконечной прижимной ленты.

Однако, в связи с целым рядом трудно преодолимых эксплуатационных недостатков, указанные средства, также как и способ увеличения сил сцепления ленты с барабаном с помощью вакуума, распространения не получили.

Известны конструкции барабанов ленточных конвейеров, в которых лента контактирует не с цилиндрической обечайкой, а с наружной поверхностью шнека (рис. 1.1 б) или многозаходного ленточного винта (рис. 1.1 в). Особенностью другого барабана ленточного конвейера, запатентованного в США (рис. 1.2) является то, что к внешним сторонам витков шнеков приварены полосы, расположенные по винтовой линии шнеков.

Все приведенные, а также другие подобные конструкции барабанов имеют принципиальные недостатки, важнейшим из которых является дополнительный износ ленты и поверхности барабана вследствие появления скольжения в месте контакта. По этой причине барабаны подобной конструкции применяются только на конвейерах малой мощности. Важным не-

i—»>1

<л

Рис. 1.2. Барабан ленточного конвейера.

достатком таких барабанов является также низкая технологичность их производства.

Известны также барабаны, в которых цилиндрическая обечайка заменена набором радиально установленных планок или лопаток - так называемые планчатые барабаны. Так барабан (рис. 1.3.) снабжен 24 лопатками, наружные кромки которых контактируют с лентой. Известны и другие конструкции планчатых барабанов.

Обладая бесспорным преимуществом - возможностью самоочистки конвейерной ленты - планчатые барабаны не обеспечивают высокой плавности ее хода. Кроме того, вследствие уменьшения контактной поверхности между лентой и барабаном, увеличивается удельное давление ленты на футерованные элементы планок или лопаток. Кроме перечисленных недостатков следует учитывать тот факт, что вследствие больших, неравномерно распределенных во времени, усилий, воспринимаемых элементами барабана, возможна потеря планками устойчивости.

Известны и другие более или менее удачные попытки обеспечить в конструкции барабана повышенное сцепление его рабочей поверхности с лентой, а также устойчивое движение последней в поперечном направлении. Однако указанные технические решения не позволяют добиться сколько-нибудь существенного снижения массы барабана за счет более оптимального расположения силовых элементов.

Так, например, известен барабан ленточного конвейера, включающий закрепленные на валу ступицы и установленный в них многогранный каркас с расположенными на каждой его грани футерованными элементами, выполненными в виде набора пластин (рис. 1.4). Данная конструкция упрощает технологию армирования образующей барабана футеровкой и замену ее в случае износа. Однако этот барабан также является материалоемким, а

Рис. 1.3. Барабан планчатой конструкции.

Рис. 1.4. Барабан ленточного конвейера..

выполнение его образующей в виде многогранника требует непростой технологии, особенно при больших габаритах барабана.

Подводя итог выполненному анализу конструкций барабанов ленточных конвейеров, можно отметить следующее:

1. Технические решения по совершенствованию конструкции барабанов направлены, прежде всего, на придание барабанам свойств, обеспечивающих надежное сцепление с лентой и устойчивый ее ход. Лишь отдельные решения имеют своей целью снижение материалоемкости барабанов.

2. Среди известных конструкций барабанов, которые в какой-то мере позволяют уменьшить их материалоемкость (без снижения прочности и жесткости), можно выделить следующее:

а) барабан сварной конструкции со сплошным валом и обечайкой из толстой листовой стали при необходимости подкрепленный кольцевыми ребрами жесткости;

б) барабан по пункту "а", вал которого в центральной части выполнен тонким;

в) барабан по пункту "а" с полым валом;

3. Приведенные конструкции барабанов выполнены в соответствии с принципом "сосредоточение массы барабана в виде отдельных мощных силовых элементов, воспринимающих действующие на него нагрузки".

4. Возможен альтернативный принцип: "рассредоточение массы барабана в виде совокупности однотипных маломощных и легких элементов совместно и одновременно воспринимающих действующие нагрузки". К барабанам, соответствующим этому принципу, условно можно отнести конструкции, показанные на рис. 1.1.б, 1.3. Однако эти барабаны имеют ряд недостатков, указанных выше. Имеются основания предполагать, что барабаны подобного типа позволяют добиться снижения материалоемкости их производства. Для этого следует выполнить широкое изучение возможно-

стей таких барабанов и, самое главное, необходимо осуществить всестороннюю проработку их конструкции.

Этому же принципу отвечает барабан, имеющий так называемую сотовую конструкцию [1,2].

Барабан сотовой конструкции [1] выполнен следующим образом (рис. 1.5). Барабан содержит вал 1, представляющий собой полую шестигранную трубу, переходящую на концах в цилиндрические гнезда, в которых укреплены (например, с помощью сварки) полуоси 2, предназначенные для установки барабана в подшипниковых узлах и приведения его во вращение в случае, если он приводной. На концах вала 1 смонтированы ступицы 3, к которым крепится обечайка 4, выполненная, например, из свернутого в трубку тонкого стального листа. В полости, образованной обечайкой 4, валом 1 и ступицами 3, размещен каркас, включающий плотно прижатые друг к другу полые шестигранные тела 5, установленные вдоль вала в один или несколько рядов.

В зазоры между обечайкой 4 и шестигранными телами 5 при необходимости и в целях придания барабану большей округлости могут быть установлены также полые трехгранные тела 6. Для увеличения сцепления с лентой обечайка 4 может быть армирована снаружи футеровкой.

Использование сотового каркаса позволяет при сохранении прежней прочности и общей жесткости барабана снизить массу его обечайки и ступиц, а также полностью отказаться от применения каких-либо дополнительных внутренних силовых элементов (например, колец).

Снижение массы достигается и за счет использования в барабане с сотовым каркасом полого шестигранного вала.

Другим важным преимуществом барабанов с сотовым каркасом является их высокая технологичность, обусловленная тем, что производство в больших масштабах идентичных друг другу, относительно небольших по

ччччччччччччччччччч.чччччччччччччччччччч.ччччччччччччччччччу

ЛЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧУ

чччччччччччччччччччЧччччччччччччччччччу

.ччччччч.

^ л

^чччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччЧ:

■\W\WN

ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧУчЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧУ^ ¿ЧЧЧЧЧЧЧЧУ

ШШЯШШШШШ />»»»»»Ш

ы о

Рис. 1.5. Барабан ленточного конвейера сотовой конструкции.

массе и габариту полых шестигранных элементов из пластин или гнутых элементов не вызывает трудностей, а сборка барабанов различных размеров значительно проще сборки существующих барабанов.

Как видно, барабан сотовой конструкции имеет ряд преимуществ как перед барабанами традиционной конструкции, так и перед барабанами, показанными на рис. 1.1 - 1.4.

1.3. Анализ методов проектирования и расчета барабанов ленточных конвейеров

Барабаны ленточных конвейеров относятся к классу полых тел вращения, рабочие поверхности которых расположены концентрично.

Наиболее простым методом расчета и проектирования барабанов, является метод, позволяющий оценить напряжения, возникающие в обечайке при заданной ее толщине. Толщина лобовин принимается равной толщине обечайки. При таком подходе обечайка рассматривается как круговая цилиндрическая оболочка. Усилия, воспринимаемые обечайкой представляются в виде давления, равномерно распределенного по всей поверхности оболочки.

В [35,36] предложен метод расчета напряженного состояния элементов барабана ленточного конвейера. В основу расчета обечайки барабана положена техническая теория Б.З. Власова; рассмотрен изгиб замкнутой цилиндрической оболочки для случаев действия следующих нагрузок: продольной, радиальной и касательной. Введено допущение о том, что нагрузки равномерно распределены по длине оболочки на небольшом участке ее ширины.

В качестве расчетной конструкции принята модель, изображенная на рис. 1.6.

а:

//////

Ид

/77

777

Щ/////Щ

ю о

Ч--ТЗ

Рис. 1.6. Расчетная схема барабана ленточного конвейера.

1-^=1,75 3-^=3,74

2-^=2,75 4-^=5,50

Рис. 1.7. Определение эмпирических коэффициентов.

Расчеты выполнены при следующих допущениях:

- барабан жестко посажен на вал,

- расстояние между лобовинами равно ширине ленты,

- сцепление ленты с барабаном происходит по всей дуге обхвата, усилие передается в соответствии с формулой Эйлера.

При решении задачи деформации обечайки барабана, лобовин и вала рассмотрены совместно.

Радиальные и касательные нагрузки на обечайку приводного барабана представлены в виде рядов

= ГЗсве^уцД + £ 2' ^фд + з- 8|п(п/?)

Я/л\-Н п=0

у {(Х,р) = -ря{а,Р\

где

zn =

2SCBe^

n ;r(n2+//z)LR

(jMjifa) cos(n/?0) + nch(///?0) sin(n/?0));

23 gM

ZT = / 2СБ 2мп(^ch(M)sin(n/?0) + nsh(///?0)cos(n/?0)); л-(п +// )LR

где a, P - безразмерные координаты.

Для неприводных барабанов ц=0; Scb^She^S; y(a,P)=0. В приведенных формула обозначено: R - радиус окружности срединной поверхности обечайки; X, Y, Z - положительные направления поверхностных сил.

В работе [36] приведена система уравнений для определения перемещений и силовых факторов в диске лобовины.

Изгиб вала приводного барабана при угле обхвата ленты 2|30=7Г вызван силами

P'^S^e^-ljcosA,

действующими соответственно в плоскостях (3=0 и п (3=тг/2 в местах посадки лобовин. В указанных сечениях со стороны лобовин на вал передаются моменты, которые определяются из условия равновесия диска:

4яОд д

в плоскости В=0: М =-—А,

Н R

4лОп

в плоскости В=7с/2: М =-—А',

Н R

Углы поворота среднего сечения подступичной части вала в плоскостях (3=0 и п (3=71/2 соответственно равны {Pl2 ML]

. fp'l2 M'Ü

ф(\ —--+- ,

ro UEI 2ElJ

, яс14

где I =--осевой момент инерции сечения вала на участке;

64

Р = ^ SCB е4М) - 2е2//А • cos(2/?0) +1 - радиальная нагрузка на один

подшипник; для неприводных барабанов Р = Т • sin Д,.

Установлено, что с достаточной для инженерных расчетов точностью можно принять приведенные напряжения в среднем сечении обечайки в виде

omax _ Sc6 ^

где коэффициенты Ki и Кг определяют по графикам рис. 1.7.

'РР ML .

,2EI + 2ElJ'

fp'i2 M'Ü

-+-

l 2EI 2EIJ

Оценка прочности диска в месте крепления к ступице основана на предположении о жестком закреплении диска на наружном контуре. При этом момент, передаваемый на диск лобовины со стороны вала, можно определить по формуле Р1

М =

1 +

2в1 '

яс!

где I =--осевой момент инерции сечения вала между ступицами;

64

б - коэффициент;

Б = -

3(1 -V)

71

*

,2Л

К Н2+г?

о'

Проверку прочности диска лобовины на внутреннем контуре можно проводить по формуле

^тах

яИоЬд

31

Рс - Гп 3+1/

11

281

д

Основными недостатками данного метода следует признать следую-

щие:

- равенство нагрузок на барабан по всей ширине ленты;

- расчетная модель вала не соответствует реальной конструкции, т.к. не учитываются нагрузки, возникающие от действия натяжения сбегающей ветви ленты 8Сб;

- приведенные напряжения, возникающие в средней части обечайки и в месте соединения обечайки с диском лобовины считаются одинаковыми;

- в каждом конкретном случае для каждого элемента барабана напряжения вычисляются независимо друг от друга, т.е. при расчете обечайки не

учитывается влияние на нее лобовин и вала; то же самое можно сказать и о расчете лобовины: один из контуров считается жестко закрепленным;

Другой метод, более полно определяющий напряженно - деформированное состояние барабана ленточного конвейера предложен кафедрой Подъемно-транспортных машин Брянского института транспортного машиностроения [63].

Целью расчета является определение конструктивных параметров корпуса барабана, обеспечивающих заданные запасы статической и усталостной прочности.

В качестве статического критерия прочности принята величина наибольшего касательного напряжения (третья теория прочности). Этот критерий хорошо подтверждается опытами и является условием отсутствия массовых пластических деформаций.

В качестве усталостного критерия прочности принята способность

п

корпуса выдержать не менее 10 циклов нагружения.

Коэффициент запаса статической прочности п3 вычисляется как отношение предела текучести материала [стт] к наибольшей величине эквивалентного напряжения Сэ , определенного по третьей теории прочности. Данный подход достаточно обоснован опытами и обеспечивает отсутствие массовых пластических деформаций.

пз=[стт]/ вэ

При расчете на прочность напряжения вычисляются в 20 точках обечайки, 20 точках лобовины и в наиболее нагруженных точках ступицы. Коэффициенты запаса вычисляются для наиболее загруженных точек. Заданные коэффициенты запаса статической прочности должны быть 1,5 - 2,0, а усталостной прочности 1,8 - 2,5 . Кроме того, заданный коэффициент запаса статической прочности умножается на коэффициент динамичности к<!=1,3 и коэффициент к8=1,1, учитывающий смещение ленты на барабане.

Обечайка рассматривается как тонкая цилиндрическая оболочка, закрепленная в местах соединения с лобовинами и нагруженная распределенными усилиями Р1 и Р3 (рис.1.8). Представление усилий Р1 и Р3 в виде ряда Фурье приводит к необходимости отдельного расчета обечайки при действии каждой гармоники нагрузки и суммирования вычисленных напряжений.

На основании суммарных напряжений вычисляют величину наибольшего эквивалентного напряжения. Среднее и амплитудное значение эквивалентного напряжения вычисляется при суммировании осесиммет-ричных и неосесимметричных напряжений соответственно.

Устойчивость обечайки проверяется как устойчивость оболочки средней длины с учетом возможного применения подпорных колец и износа и коррозии поверхности. При этом проверяется наибольшее давление на обечайку и сравнивается с допустимым для данного типа ленты.

Лобовина рассматривается как кольцевая пластина постоянной и переменной толщины, закрепленная на ступице. На основании принципа суперпозиций напряжения в лобовине от действия каждого нагружающего фактора вычисляются отдельно, а затем суммируются. Эквивалентное напряжение определяется также как и для обечайки.

В качестве нагружающих факторов рассматриваются следующие (рис. 1.9):

-радиальный изгибающий момент М0; -крутящий момент Мкр; -изгибающая сила Тх; -радиальное усилие С)г. Производятся следующие расчеты: -при действии осесимметричных и крутящих моментов; -при действии изгибающей силы;

Рис. 1.8. Расчетная схема обечайки барабана ленточного конвейера.

Рис. 1.9. Расчетная схема лобовины барабана ленточного конвейера.

- при действии радиального усилия;

-при перекосе вала.

Ступица при расчете рассматривается как толстостенный цилиндр (рис. 1.10). При этом определяются монтажные напряжения, возникающие при соединении ступицы и вала с натягом.

Расчет сварных соединений производится с учетом циклически изменяющегося характера возникающих напряжений.

Нагрузки, действующие на барабан определяются следующим образом.

Взаимодействие конвейерной ленты с обечайкой барабана приводит к

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Гулак, Максим Леонидович

4.5. Выводы по главе.

1. Целевая функция массы барабана сотовой конструкции и все накладываемые на нее ограничения являются линейными зависимостями и для нахождения оптимальных конструктивных параметров барабана используется симплекс-метод.

2. Расчетный годовой экономический эффект от применения на ленточных конвейерах горных предприятий барабанов сотовой конструкции в пересчете на один барабан составляет 16844,72 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ.

В диссертации решена актуальная научная задача увеличения долговечности и снижения металлоемкости барабанов ленточных конвейеров горных предприятий и разработаны методики проверочного и оптимизационного расчетов конструктивных параметров барабанов сотовой конструкции.

Выполненные в работе исследования позволяют получить практические результаты и сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Применяемые в настоящее время барабаны ленточных конвейеров не отвечают требованиям, предъявляемым к прочности, долговечности, металлоемкости, а используемые для их расчета аналитические методы вызывают необходимость принятия целого ряда допущений, что приводит к снижению точности оценки напряженного состояния. Для проведения более точного расчета напряженно - деформированного состояния элементов барабана необходимо применение современных численных методов расчета, в частности, метода конечных элементов.

2. Рассмотрены технические решения, позволяющие повысить долговечность барабанов ленточных конвейеров путем усовершенствования их конструкции.

3. Разработаны математическая модель нагружения барабанов ленточных конвейеров традиционной конструкции и метод расчета их напряженного состояния. Установлены наиболее нагруженные элементы барабана: сварные швы и средняя часть обечайки.

4. Разработаны математическая модель нагружения барабана ленточного конвейера сотовой конструкции и расчета его напряженного состояния, учитывающая неравномерность распределения транспортируемого груза по ширине ленты, назначение барабана и его конструкцию, математическая модель оценки долговечности элементов барабана конвейера, учитывающая случайный характер грузопотока, математическая модель оптимизации параметров конструкции барабана по критерию минимизации металлоемкости.

5. Масса барабанов сотовой конструкции меньше массы обычных барабанов при тех же нагрузках в среднем на 10 - 20%. Наиболее целесообразно применение барабанов сотовой конструкции на мощных ленточных конвейерах с широкой лентой и большими нагрузками. Меньшую (на 15 -20%) массу имеют барабаны сотовой конструкции, у которых необходимая прочность достигается за счет увеличения толщины обечайки, а не элементов сотового каркаса при прочих равных условиях.

6. Напряженное состояние барабана ленточного конвейера сотовой конструкции, математически описанное при помощи методов регрессионного анализа, позволяет за короткое время произвести проверочный расчет элементов барабана.

7. Долговечность, определяемая по критериям неразрушения обечайки барабана ленточного конвейера в средней части и сварных швов, при заданном режиме нагружения, для барабана сотовой конструкции выше на 18 и 24% соответственно. При проектировании барабана ленточного конвейера сотовой конструкции прочность обечайки оценивается через вычисление коэффициента запаса при заданном сроке службы и режиме эксплуатации.

8. При решении задачи оптимизации целевая функция массы барабана сотовой конструкции и все накладываемые на нее ограничения являются линейными зависимостями и для нахождения оптимальных конструктивных параметров барабана используется симплекс-метод.

9. Расчетный годовой экономический эффект от применения на ленточных конвейерах горных предприятий барабанов сотовой конструкции в пересчете на один барабан составляет 16844,72 руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гулак, Максим Леонидович, 1998 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.c. 1490043 СССР, МКИ3 В 65 G 23/04.

2. A.c. 1682265 СССР, МКИ3 В 65 G 23/04.

3. Абовский Н.П., Андреев Н.П., Деруга А.П., Вариационные принципы теории упругости и теории оболочек. -М.: Наука, 1978. -292с.

4. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1982. -583с.

5. Баландин Н.Г., Николаев А.П. К расчету сочлененных оболочек с помощью четырехугольного конечного элемента с матрицей жесткости 36x36. // Расчеты на прочность. -М.: Машиностроение, 1980, вып.21. -С.225-236.

6. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс.: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1988. -128с.

7. Банди Б. Основы линейного программирования: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989. -176с.

8. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования, -М.: Наука, 1965. -458с.

9. Бенайюн Р., Ларичев О.П., де Монгольере Ж., Герни Т. Линейное программирование с многими критериями. Метод ограничений // Автоматика и телемеханика, 1971. -№8.

10. Бердичевский В.Л. Вариационные принципы механики сплошной среды. -М.: Наук,. 1983. -448с.

11. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. -М.: Машиностроение, 1977. -508с.

12. Бояршинов C.B. Основы теории строительной механики машин. -М.: Машиностроение, 1973. -456с.

13. Булавский В.А., Звягина P.A., Яковлева М.А. Численные методы линейного программирования / Под ред. Л.В. Канторовича. -М.: Наука, 1977. -367с.

14. Валишвили Н.В. Методы расчета оболочек вращения на ЭВЦМ. -М.: Машиностроение, 1976. -278с.

15. Валишвили Н.В., Гаврюшин С.С. Решение нелинейных задач деформации тонких оболочек. // Расчеты на прочность. -М.: Машиностроение, вып.21. С237-242.

16. Власов В.З. Тонкостенные пространственные системы. -М.: Строй-гиз, 1958. -502с.

17. Вольмир А.Е. Нелинейная динамика пластин и оболочек. -М.: Наука, 1972.-432с.

18. Галимов К.З. Основы нелинейной теории оболочек. -Казань: КГУ,

1975. -325с.

19. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. -509с.

20. Гольденвейзер A.JI. Теория тонких упругих оболочек. -М.: ГИТТЛ,

1976. -644с.

21. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов. -М.: Металлургия, 1974.

22. ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. -М.: Изд-во стандартов, 1980.

23. Григолюк Э.И., Селедцев И.Т. Неоклассические теории колебаний стержней, пластин и оболочек. -М.: ВИНИТИ, 1973. -272с.

24. Гудалов В.П. Выбор ленточных конвейеров для транспортирования угля из очистных забоев. // Шахтный и карьерный транспорт. -М.: Недра, 1975, вып.2. -С80-87.

25. Гулак М.Л. Метод расчета сотовых барабанов ленточных конвейеров: Информ. листок. -Брянск: ЦНТИ, 1998. -4с.

26. Гулак М.Л. Оценка долговечности барабанов ленточных конвейеров сотовой конструкции: Информ. листок. -Брянск: ЦНТИ, 1998. -4с.

27. Гуснин С.Ю., Омельянов Г.А., Резников Г.А., Сироткин B.C. Минимизация в инженерных расчетах на ЭВМ. -М.: Машиностроение, 1981.-121с.

28. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. -Мл Мир, 1984. -318с.

29. Драйпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. -М.: Мир, 1973.

30. Ельпатьевский А.Н., Васильев В.И., Прочность цилиндрических оболочек из армированных материалов. -М.: Машиностроение, 1972. -193с.

31. Еремин И.И., Астафьев H.H. Введение в теорию линейного и выпуклого программирования. -М.: Наука, 1976. -191с.

32. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. -М.: Наука, 1976. -390с.

33. Исследование динамики внутриминутных грузопотоков из высокопроизводительных очистных забоев угольных шахт / М.А. Котов, О.М. Зарецкий, Ю.А. Кондрашин, А.Н. Лещенков. // Шахтный и карьерный транспорт. -М.: Недра, 1977, вып.З. -С297-306.

34. Исследование операций: В 2-х томах / Под ред. Дж. Моудера., С. Злмаграби. -М: Мир, 1981. -678с.

35. Калихман Г.Л. Исследования напряженного состояния барабанов ленточного конвейера и разработка методов их расчета. Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. -Киев, 1970. -22с.

36. Калихман Г.Л., Уманский Э.С. О влиянии подкрепляющего кольца на напряженное состояние барабанов ленточного конвейера. // Проблемы прочности. -Киев, Наукова думка, 1969, №4. -С35-41.

37. Когаев В.П. Расчеты на прочность при нагружениях, переменных во времени. -М.: Машиностроение, 1977. -232с.

38. Когаев В.П., Гальперин М.Я., Крамаренко О.Ю. Накопление усталостных повреждений при нерегулярном нагружении в связи с влиянием конструктивных факторов. // Вестник машиностроителя, 1983, №2. -С 17-19.

39. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. -М.: Машиностроение, 1985. -224с.

40. Конвейеры: Справочник / P.A. Волков, А.Н. Гнутов, В.К. Дьячков и др. Под общ. ред. Ю.А. Пертена. -JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. -367с.

41. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. -Мн.: Изд-во БГУ, 1982.-302с.

42. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. -М.: Машиностроение, 1985. -344с.

43. Ляв А.. Математическая теория упругости. -М.: ОНТИ, 1935. -647с.

44. Малков В.П., Угодчиков А.Г. Оптимизация упругих систем. -М.: Наука, 1981.-288с.

45. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. ГК СМ СССР по науке и технике, АН СССР. Госплан СССР, ГК СМ СССР по делам изобретений и открытий. -М., 1978 -с.41.

46. Методы расчета деталей машин на выносливость в вероятностном аспекте: Методические указания. -М.: Изд. стандартов, 1980. -32с.

47. Модели и методы оптимизации надежности сложных систем / Вол-кович В.Л., Волошин А.Ф., Заславский В.А., Ушаков И.А.; Отв. ред. Михалевич B.C.; АН Украины. Ин-т кибернетики им. В.М. Глушко-ва. -Киев: Наук, думка, 1992. -312с.

48. Мяченков В.И., Григорьев И.В. Расчет составных оболочечных конструкций на ЭВМ. Справочник. -М.: Машиностроение, 1981. -216с.

49. Мяченков В.И., Мальцев В.П. Методы и алгоритмы расчета пространственных конструкций на ЭВМ ЕС. -М.: Машиностроение, 1984. -280с.

50. Налимов В.В. Теория эксперимента. -М.: Наука, 1971.

51. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логические основания планирования эксперимента. -М.: Металлургия, 1976.

52. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. -М.: Наука, 1965.

53. Новые идеи в планировании эксперимента / Под ред. В.В. Налимова. -М.: Наука, 1969.

54. Об эффективности использования магистральных ленточных конвейеров / В.М. Гойхман, Е.В. Новицкая, К.А. Васильев, В.А. Гендон. -Изв. вузов. Горный журнал, 1977, №2. -С89-91.

55. Образцов И.Ф., Савельев JI.H., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. -М.: Высшая школа, 1985. -392с.

56. Овчаров Б.З., Горожанкин Д.И. Выбор параметров уравнительного натяжного устройства ленточного конвейера. // Развитие и совершенствование шахтного и конвейерного транспорта. -М.: Недра, 1973 -С70-74.

57. Оден Д. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. -М.: Мир, 1976. -382с.

58. Оптимизация радиоэлектронной аппаратуры / А.Я. Маслов, A.A. Чернышев, В.В. Ведерников и др. -М.: Радио и связь, 1982. -200с.

59. Подопригора Ю.А., Гулак М.Л. Конструкция барабана ленточного конвейера: Информ. листок. -Брянск: ЦНТИ, 1998. -4с.

60. Поляк Б.Т. Введение в оптимизацию. -М.: Наука, 1983. -384с.

61. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник. Том 1 / Ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. -М.: Машиностроение, 1968. -832с.

62. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник. Том 2/ Ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. -М.: Машиностроение, 1968. -464с.

63. Разработка методики расчета и оптимизации параметров барабанов и роликоопор мощных ленточных конвейеров на ЭВМ: Отчет о научно-исследовательской работе. -Брянск, 1989.

64. Раскин Л.Г., Кириченко И.О. Многоиндексные задачи линейного программирования. Теория, методы, приложения. -М.: Радио и связь, 1982. -239с.

65. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость / Н.И. Шапошников, Н.Д. Тарабасов, В.Б. Петров, В.И. Мяченков. -М.: Машиностроение, 1981. -333с.

66. Спиваковский А.О. и др. Карьерный конвейерный транспорт, -М: Недра, 1979, -61с.

67. Спиваковский А.О., Дьячков В.Н. Транспортирующие машины. -М: Машиностроение, 1968,-109с.

68. Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций, А.В. Кармшин, В.А. Ласковец, В.И. Мяченков, А.Н. Фролов. -М.: Машиностроение, 1975. -376с.

69. Сухарев А.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. -М.: Наука, 1986. -328с.

70. Тонкостенные оболочечные конструкции: Теория, эксперименты и проектирование / Ред. Э.И. Григолюк. -М.: Машиностроение, 1980. -607с.

71. Троицкий В.А., Петухов Л.В. Оптимизация формы упругих тел. -М.: Наука, 1982. -432с.

72. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. -М.: Наука, 1971.

73. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. -М.: Мир, 1969.

74. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. -М.: Мир, 1973.

75. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: Пер. с англ. -М.: Мир, 1975. -534с.

76. Численные методы условной оптимизации. Пер. с англ. / Под. ред. Ф. Гилла и У. Мюррея. -М.: Мир, 1977. -290с.

77. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Вероятностные методы расчета транспортирующих машин. -М.: Машиностроение, 1983. -256с.

78. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Теория и расчет ленточных конвейеров. -М.: Машиностроение, 1978. -392с.

79. Юдин Д.Б., Гольдштейн Е.Г. Линейное программирование. Теория, методы и приложения. -М.: Наука, 1969. -424с.

80. Schutz W. Fatigue Life prédiction of aircraft Structures. // Eng. Frac. Mech, 1974. Vol.6, -P745-773.

81. King TJ. Belt Conveyor Pulley Design - Why the Failure. I I Bulk Solids Handling, 1986, V.6, №2, p.339-347.

82. Tillman F. F., Hwang C.L., Kuo W. Optimization techniques for system reliability with redundancy a review // Jbid, 1977. -R26, №3. -P148-155.