Ленточные конвейеры находят широкое применение во многих отраслях промышленности: горной, металлургической, строительных материалов, химической и т. д. Наряду с постоянным расширением области применения, характерной тенденцией современного развития ленточных конвейеров в России и за рубежом является увеличение их производительности, длины, мощности привода, ширины и прочности ленты. Так, например, на открытых горных разработках применяют конвейеры с производительностью до 30 ООО т/ч, с лентой шириной до 4000 мм, скоростью транспортирования 6-^8 м/с, длиной става одного конвейера до 8-^12 км.
Конвейерное оборудование существенно меняется, при этом постоянно возрастает его надёжность при эксплуатации и уменьшается трудоёмкость работ по обслуживанию и эксплуатации. Применение особо прочных конвейерных лент, шарнирных подвесных роликоопор, роликов с долговременной смазкой, усовершенствованных погрузочных и перегрузочных пунктов, широкое применение средств автоматизации, телемеханики и компьютерной техники, различного рода модернизированных вспомогательных устройств в значительной степени способствует улучшению технического оснащения конвейеров и повышает надежность их работы.
При добыче полезного ископаемого открытым способом ленточными конвейерами приходится транспортировать крупнокусковые грузы, вследствие чего особое значение приобретает правильный выбор скорости транспортирования и параметров конвейерной ленты. В этом случае она является наиболее дорогим и наименее долговечным элементом, от которого зависит эффективность работы ленточного конвейера.
В настоящее время на горных предприятиях России применяют три типа конвейерных лент: резинотканевые, резинотросовые и однопрокла-дочные (многоосновные), причём последние пока ещё имеют ограниченную область применения.
Резинотросовые ленты имеют большую прочность, но и большую стоимость по сравнению с резинотканевыми лентамикроме того при погрузке и транспортировании крупнокусковых грузов происходит разрушение отдельных проволок тросов сердечника, которое в дальнейшем прогрессирует и приводит к разрушению тросов и ослаблению прочности сечения ленты. Резинотканевые ленты, изготовляемые на основе синтетических материалов, имеют возможность рассеивать энергию удара за счёт вязкоупругих свойств применяемых материаловданное преимущество резинотканевых лент перед резинотросовыми лентами позволяет более эффективно использовать их при транспортировании крупнокусковых грузов.
Согласно экономическим расчётам [26], стоимость ленты составляет в среднем 50^-60% стоимости конвейера, а для шахтных конвейеров достигает 67%. Ещё большие эксплуатационные расходы связаны с заменой и ремонтом лент. Затраты на амортизацию лент на шахтах составляют 7СН-80% всех затрат на амортизацию конвейера, поэтому изучение вопросов, связанных с ресурсом и оценкой влияния на него различных факторов имеет большое практическое значение.
Статистические исследования, полученные при эксплуатации лент на предприятиях чёрной и цветной металлургии, дали следующие примерные распределения видов разрушения элементов конструкции ленты: рабочей обкладки — 56%, каркаса — 20%, бортов — 13%, нерабочей обкладки — 3%, аварийный износ всей ленты (включая нарушения стыкового соединения)—8% [35].
Представляет интерес распределение видов износа в зависимости от крупности транспортируемого груза [24,28]. Это распределение для горной массы крупностью 0ч- 160 мм по видам износа имеет следующие параметры: истирание средней части рабочей обкладки — 76%, общая потеря прочности (из-за низкого качества стыковки) — 13%, продольные порывы 5%, истирание и разрушение нерабочей обкладки — 3%- при доставке горной массы крупностью 0+300 мм из-за разрушения рабочей обкладки, общей потери прочности ленты (стыковка), усталостного износа и продольных порывов выходят из строя — 70, 17,7 и 6% лент соответственно. При транспортировании горной массы крупностью СН-400 мм количество изношенной ленты составляет: из-за общей потери прочности ленты (стыковка) — 43%, износа каркаса и нерабочей обкладки — 33%, износа рабочей обкладки — 24%.
Приведённые данные достаточно полно иллюстрируют многообразие факторов и причин, влияющих на техническое состояние и надёжность наиболее важного и дорогого элемента ленточного конвейера — лентыв частности, одной из основных причин выхода ленты из строя является ударное разрушение рабочей обкладки.
Возрастающая потребность в резинотканевых конвейерных лентах с одновременным снижением объёмов их производства промышленностью России, приводит к необходимости её закупки у зарубежных изготовителей, что увеличивает стоимость ленты (с учётом сертификации, растамо-живания, транспортных и складских расходов) и конвейерного транспорта.
В связи с этим, для анализа срока службы резинотканевых конвейерных лент при транспортировании кусковых грузов необходимо изучить механизм разрушения конвейерной ленты, и установить закономерности влияния на него различных факторов.
Вопросами эксплуатации конвейерных лент в условиях горнорудной промышленности в разное время занимались член — корреспондент АН СССР проф. Спиваковский А. О., проф. Андреев A.B., проф. Шахмейстер Л. Г., проф. Чугреев Л. И., проф. Дмитриев В. Г., проф. Монастырский В. И., проф. Штокман И. Г., проф. Полунин В. Т., проф. Бондарев B.C., кандидаты технических наук Волотковский B.C., Смирнов В. Н., Барабанов B.C., Григорьев Ю. И., Гуленко В. Н., Эппель Л. И., Рыбкин С. К., Нохрин А. Г., Герасимова М. Ф., Головань В. П. и др.
Анализом различных видов отказов конвейерных лент, сбором и обработкой статистической информации о сроках службы лент занимались институты ВНИИПТмаш, Союзпроммеханизация, УкрНИИПроект, ИГД Минчермета, Гипроруда, Гипроникель, ДОНУГИ и др. На основании обработки большого числа данных получены формулы для оценки срока службы лент в различных условиях.
Расчеты по этим формулам, для случая транспортирования кусковых грузов показали, что для одних и тех же условий формулы дают различные значения сроков службы, причем иногда различия составляют 30−40%. Следовательно, необходимо изучение механизма ударного разрушения ленты при транспортировании кусковых грузов, являющего основой при оценке долговечности ленты для условий транспортирования кусковых грузов. Кроме того, многие из рекомендуемых институтами зависимостей для определения срока службы получены на основании обработки данных по лентам устаревших конструкций, изготовленных из устаревших материалов Б-850, БКНЛ, ЛХ и др. и не могут быть применены для вновь создаваемых конструкций лент и материалов для них.
В существующих методиках определения показателей надёжности конвейерных лент не учитывается случайный характер концентрации очагов ударного повреждения. Кроме того, они не позволяют рассчитывать вероятностные параметры ударно-усталостного разрушения ленты в аналитическом виде.
Поэтому целью настоящей работы является разработка модели надежности резинотканевой конвейерной ленты при транспортировании кусковых грузов, учитывающей конструктивные особенности и режимы эксплуатации ленты и позволяющей прогнозировать ее технический ресурс.
Идея работы.
Автор исследований защищает следующие научные положения: состоит, в учете случайного перекрытия очагов ударно-усталостных повреждений каркаса резинотканевой ленты и потенциально опасных сечений ленты при транспортировании крупнокусковых грузов. математическую модель усталостного разрушения резинотканевой конвейерной ленты при ударных нагрузках от кусковых грузов в сочетании с абразивным изнашиванием рабочей обкладки, учитывающую гранулометрический состав транспортируемого груза, форму кусков и остро-угольность их вершин, переменное растягивающее напряжение, конструктивные параметры загрузочной секции и линейной части конвейера и позволяющая определить предельное усталостное состояние, после которого эксплуатация ленты нецелесообразнамодель структурной надежности резинотканевой конвейерной ленты при транспортировании кусковых грузов различного гранулометрического состава, позволяющую определить технический ресурс ленты в зависимости от ее конструктивных особенностей, механических свойств материалов ее элементов, основных параметров конвейера.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются: широким использованием в качестве базового материала при разработке модели усталостного разрушения ленты результатов экспериментальных исследований ряда авторовиспользованием в математических моделях основных законов механики и статистики. высоким уровнем сходимости распределения критерия повреждаемости конвейерной ленты при ударно-усталостном разрушении и распределения, полученного путем статистического моделирования на ЭВМ по экспериментальным даннымрезультатами сопоставления данных расчета по полученным в работе зависимостям среднего срока службы ленты с обобщенными статистическими данными эксплуатационного ресурса лент в горной промышленностиНаучная новизна работы заключается: в установлении аналитической зависимости критерия отказа конвейерной ленты от ее параметров, уровня концентрации напряжений и запаса прочности при растяжениив установлении аналитической зависимости статистических параметров критерия повреждаемости ленты от параметров конвейера, ленты и гранулометрического состава транспортируемого грузав определении зависимостей для расчета вероятности безотказной работы ленты, среднего срока службы и его дисперсии.
Практическая ценность работы состоит, в разработке программы для ЭВМ для оценки среднего срока службы ленты в зависимости от конструктивных параметров конвейера и ленты, типа груза и его гранулометрического состава;
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрения на следующих научных симпозиумах и семинарах: МГГУ «Неделя Горняка — 98» — семинар № 3- МГГУ «Неделя Горняка — 99» — семинар № 4;
Семинар отдела «Мощных ленточных конвейеров» ОАО «ВНИИП-ТМАШ» — 1999 г.
Семинар отдела «Ленточных конвейеров» проектного института «Союз-проммеханизация» — 1999 г.
4.5. Выводы по главе.
1. Теоретические выводы главы 3, полученные на основании некоторых упрощений, требуют обоснованного подтвержденияв работе это подтверждение осуществлено путём статистического моделирования (методом Монте — Карло) процесса ударно-усталостного разрушения конвейерной ленты транспортируемым кусковым грузом.
2. Разработаны алгоритм и программа статистического моделирования разрушающего эффекта от ударов крупных кусков груза по конвейерной ленте. В разработанной модели учтены все статистичиские характеристики грузопотока, входящие в точные теоретические формулы главы 3.
3. Результатами моделирования установлено, что при учёте в процессе разрушения кусков крупностью от 25 мм и более, распределение меры повреждённости т не подчиняется логарифмически — нормальному закону, а близко к гамма — распределению.
4. Учёт при статистическом моделировании разрушающего эффекта кусков крупностью от 100 мм и выше позволил получить для меры повреждённости т распределение, близкое к логарифмическинормальномупри этом ошибка в определении статистических характеристик величины т составляет не более 8 — 10%.
5. Подтверждение путём статистического моделирования возможного использования для оценки величины т логарифмически — нормального закона распределения позволяет получить основные статистические характеристики этой величины аналитическим путём.
6. Расчёты на основании статистического моделирования показали, что составляющая разрушающего фактора, связанная с линейными секциями конвейера (т|2), на несколько порядков меньше составляющей, связанной с загрузочной секцией (г|1), и может не учитываться при расчёте долговечности ленты при её ударном разрушении при транспортировании крупнокусковых грузов.
Глава 5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЁТА СРОКА СЛУЖБЫ ЛЕНТЫ И РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА.
5.1. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА КОНВЕЙЕРНОЙ ЛЕНТЫ ПРИ УДАРНО-УСТАЛОСТНОМ ИЗНАШИВАНИИ ПО ПРЕДЛАГАЕМОМУ И СУЩЕСТВУЮЩИМ МЕТОДАМ.
Для сравнения результатов прогнозирования среднего срока конвейерной ленты при ударно-усталостном разрушении транспортируемым крупнокусковым грузом нами выполнены расчёты по различным методам, наиболее часто упоминаемым в научно-технической литературе [31,46, и др.]: институтов ВНИИПТМАШ, «Гипроникель», «Гипроруда», ИГД МЧМ. Кроме того, выполнен расчёт по методике ИГД МЧМ [4], усовершенствованной на основании теоретических исследований коллективом авторов из ИГТМ АН УССР [31]. Расчёты выполнялись для ленточного конвейера с шириной ленты 1 м., скоростью движения ленты 2 м/с, длин.
•5 ной 500 м., толщиной рабочей обкладки ленты 5−10″ м., числом прокладок-4 шт., типом — ленты ТА — 300. В качестве транспортируемого материала принята крупнокусковая горная масса насыпной плотностью 2,5Т03кг/м3,.
— 5 л плотностью в целике «4,0−10 кг/м) при высоте погрузки 1 м., шаге роли-коопор загрузочной секции 0,5 м. Шаг линейных роликоопор рабочей ветви конвейера принят равным 1 м., диаметр роликов — 159 мм. Производительность конвейера — 1270 т/ч. В качестве главной характеристики гран-состава использовано расстояние между колосниками грохота [31], принятое равным 1г= 0,20 — 0,25 — 0,30 — 0,35 и 0,40 м. Результаты расчётов ресурса ленты в зависимости от 1 г приведены на рис. 5.1. Там же указаны соот.
149 ветствующие шкале изменения 1 г шкалы изменения среднего размера кусков груза, а к.ср. и максимального размера, а к.тах., соответствующего доле в общей массе > 0,5%.
Тсрдыс.час.
1 г, мм.
370 ак. ср, мм ак. тах, мм.
400 500 600 700 800.
Рис. 5.1 Зависимости среднего срока службы конвейерной ленты при расчетном варианте условий эксплуатации от параметров грансоста-ва транспортируемой руды по формулам расчета: 1- ВНИИП-ТМАШ- 2- «Гипроникель" — 3- «Гипроруда" — 4- ИГД МЧМ- 5-ИГТМ АН УССР- 6-по предлагаемой формуле.
Анализ кривых, приведённых на рис. 5.1, показывает, что расчётные формулы институтов ВНИИПТМАШ и «Гипроникель» не отражают изменение грансостава груза. При этом формула ВНИИПТМАШ более соответствует значениям 1Г= 200.250мм., а формула института «Гипроникель» с наибольшей точностью отражает ресурс ленты в диапазоне 1Г= 250.320мм. Формула ИГД МЧМ [4] даёт во всех этих диапазонах завышенные значения. Также завышенные значения, но в меньшей степени, даёт методика ИГТМ АН УССР. Последняя методика, однако, хорошо отражает общий характер зависимости ресурса ленты от 1 г.
Формула института «Гипроруда» даёт некоторую усреднённую линеаризованную зависимость Тср (1г), приближающуюся на отдельных участках к той или иной из проанализированных кривых и может быть принята наиболее достоверной из них на всём диапазоне изменения 1 г.
Таким образом, каждая из проанализированных формул, основанных на статистических данных, достаточно хорошо описывает характер изменения среднего срока службы конвейерной ленты лишь в узком диапазоне изменения грансостава транспортируемого груза. Причиной, на наш взгляд, является то, что в каждой из этих формул не учитывается какой-либо параметр грансостава, ленты или конвейера, величина которого как раз и определяет чувствительность ресурса ленты к изменению гран состава. Исключение составляют формула института «Гипроруда», отражающая в среднем изменение ресурса во всём диапазоне значений 1 г, и методика ИГТМ АН УССР, хорошо отражающая общий характер зависимости, хотя и дающая завышенные значения ресурса.
Как видно из рис. 5.1, предлагаемая нами методика (кривая 6) сочетает в себе положительные стороны обеих указанных методик, а на отдельных участках даёт результаты, практически совпадающие и по величине, и по характеру зависимости с результатами методик ИГД МЧМ.
1г<200мм.) и института «Гипроникель» (1г= 250. .320 мм.).
Для определения сравнительной эффективности предлагаемой методики прогнозирования ресурса конвейерной ленты целесообразно ориентироваться, как на наиболее достоверную из эмпирических формул, на формулу института «Гипроруда» (кривая 3 на рис. 5.1) (по крайней мере, в диапазоне 1Г= 250.350 мм.). Практически во всём указанном диапазоне формула института «Гипроруда» даёт завышенные примерно в 1,5 раза значения срока службы ленты. Это же характерно при других параметрах ленточного конвейера (Вл и Ул). Это значит, что выбранный с учётом этой формулы тип ленты, исходя из соответствия расчётного срока службы ленты, равного нормативному, на самом деле потребует в 1,5 раза больше замен за один и тот же период времени, чем предусмотрено нормативами. Более точное определение Tq, по предлагаемой методике позволяет довести частоту замен до нормативной. В этом заключается основной эксплуатационный эффект от использования предлагаемой нами методики.
5.2. РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.
Расчёт экономической эффективности от использования предлагаемой методики расчёта среднего срока службы конвейерных лент при транспортировании крупнокусковых грузов производится в соответствии с «Методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования», утверждёнными Госстроем, Минэкономики, Минфином и Госкомпромом России 31.03.94 г., № 7 — 12/47. Производится расчёт интегрального экономического эффекта в течение одного года использования методики, поэтому дисконтирования стоимостной оценки результатов и затрат не проводится. Интегральный экономический эффект в этом случае равен:
Эцнт. = R — (Знир. Зизг/Г. ЗэксПЛ. Х где К — стоимостная оценка результатов;
Знир. — затраты на разработку новой технологии;
Зшг.т. — затраты на изготовление новой техники;
Зэкспл. — затраты на производство конечной продукции с помощью новой технологии.
Поскольку при сравнительной оценке предлагаемой методики расчёта в сопоставлении с базовой, в качестве которой принята формула института «Гипроникель» (см. предыдущий параграф настоящей работы), оценивается только эффект от уменьшения частоты замен ленты до нормативного значения, в выражении для Эинт. Изменяются только эксплуатационные потери Зэксгш. из-за простоев конвейера. Снижение простоев из-за замены ленты ведёт к снижению себестоимости при добыче полезного ико-паемого.
Принимаем, что при простое транспортной цепи (на примере комплекса ЭРП — 2500) один день в году себестоимость единицы продукции возрастает в 1,002 раза [38]. Нормативный срок службы ленты принимаем равным 20 мес. [46 ]. Среднее нормативное число простоев, приходящееся на 1 год эксплуатации: 12 мес/20 мес.= 0,6. Как показано в предыдущем параграфе, при использовании базовой расчётной формулы число простоев увеличивается в 1,5 раза, по сравнению с нормативным, т. е. равно 0,9 шт/год. Длительность одного простоя принимаем равной 3 дням [38]. Тогда.
Эшгг. = (За. — Зэ2) = (0,9 — 0,6)-3−0,002-С-Аг, где С — себестоимость единицы продукции.
Аг — годовой объём транспортируемой горной массы. С = 62 руб/т (себестоимость добычи железной руды) Аг= 3500-Ю3 т/год.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи прогнозирования срока службы резинотканевых конвейерных лент при транспортировании кусковых, разработана модель надёжности резинотканевой конвейерной ленты, учитывающая конструктивные особенности и режимы эксплуатации ленты, разработана программа для ЭВМ для оценки среднего срока службы ленты в зависимости от конструктивных параметров конвейера и ленты, типа груза и его гранулометрического состава.
Выполненные в работе исследования позволили сделать следующие выводы и рекомендации:
1. Основными видами разрушения резинотканевых конвейерных лент на горных предприятиях при транспортировании среднекусковых грузов являются усталостное ударное разрушение каркаса и абразивный износ рабочей обкладки, поэтому технический ресурс конвейерной ленты в этих условиях целесообразно определять на основании анализа усталостных ударных повреждений, приводящих к возникновению обширных очагов повреждения и усиливающихся от дополнительного влияния абразивного износа. Основными критериями отказа ленты являются снижение её прочности при растяжении ниже допустимого предела, выражаемого допустимым остаточным коэффициентом запаса прочности, а также полный износ рабочей обкладки.
2. Зависимость меры поврежденности каркаса резинотканевой конвейерной ленты при ударном усталостном разрушении от параметров конвейера, характеристик транспортируемого груза и свойств самой ленты представляет собой степенную функцию от этих параметров и характеристик. Такой же функцией выражается влияние подсыпки на взаимодействие крупных кусков груза с конвейерной лентой. Показатели степени являются эмпирическими величинами.
Вероятностное распределение значений степенной функции от основных характеристик крупных кусков транспортируемого груза (линейного размера кусков, радиуса закругления и угла заострения их вершин) близко к логарифмически нормальному, поэтому для определения математического ожидания и дисперсии меры поврежденности конвейерной ленты крупными кусками груза достаточно определить эти же статистические характеристики кусков груза.
Предложен способ вычисления моментов распределения меры повреж денности конвейерной ленты с использованием первых двух моментов распределений основных характеристик кусков груза.
3. Вероятностное распределение времени безотказной работы произвольного опасного сечения каркаса конвейерной ленты при ударном усталостном разрушении близко к гамма-распределениювероятность безотказной работы сечения выражается через три безразмерных параметра: число ударов кусков груза (?), показатель рассеивания характеристик кусков груза (а) и комплексный показатель стойкости каркаса ленты при усталостном разрушении в заданных условиях эксплуатации (1о).
Основные показатели надежности всего каркаса конвейерной ленты при ударном усталостном разрушении выражаются через четыре параметра: интенсивность ударов, длину конвейера, коэффициент вариации среднестатистического разрушающего воздействия единичного удара и комплексный показатель стойкости ленты к этому разрушающему воздействиюпри этом коэффициент вариации зависит только от параметров груза и практически не зависит от параметров ленты и конвейера, но определяет степень изнашивания на ресурс ленты.
Для двух последних параметров определены зависимости от характеристик конвейерной установки, ленты и транспортируемого груза.
4. Вероятностное распределение срока службы рабочей обкладки конвейерной ленты при абразивном и ударном изнашивании выражается усеченным а-законом распределения, для которого характерен рост дисперсии ресурса обкладки с увеличением среднего срока службыкоэффициент вариации ресурса обкладок конвейерных лент в различных условиях эксплуатации снижается с увеличением сроков службы.
5. Подтверждение теоретических выводов путём статистического моделирования (методом Монте-Карло) процесса ударно-усталостного разрушения конвейерной ленты транспортируемым кусковым грузом.
Разработаны алгоритм и программа статистического моделирования разрушающего эффекта от ударов крупных кусков груза по конвейерной ленте. В разработанной модели учтены все статистические характеристики грузопотока, входящие в точные теоретические формулы.
6. Результатами моделирования установлено, что при учёте в процессе разрушения кусков крупностью от 25 мм и более, распределение меры повреждённости т не подчиняется логарифмически — нормальному закону, а близко к гамма — распределению.
Учёт при статистическом моделировании разрушающего эффекта кусков крупностью от 100 мм и выше позволил получить для меры повреждённости т распределение, близкое к логарифмическинормальномупри этом ошибка в определении статистических характеристик величины х составляет не более 8 — 10%.
Подтверждение путём статистического моделирования возможного использования для оценки величины т логарифмически — нормального закона распределения позволяет получить основные статистические характеристики этой величины аналитическим путём.
7. Расчёты на основании статистического моделирования показали, что составляющая разрушающего фактора, связанная с линейными секциями конвейера (т^), на несколько порядков меньше составляющей, связанной с загрузочной секцией (т|х), и может не учитываться при расчёте.
