Обоснование рациональных параметров роликоопор линейных секций мощных ленточных конвейеров горных предприятий

Актуальность работы. В последнее время в связи с интенсификацией горных работ и применением передовых технологий добычи полезного ископаемого возникает необходимость повышения производительности ленточных конвейеров горных предприятий. При добыче угля подземным способом эта проблема возникает при переходе на технологию «шахталава», когда резко возрастают нагрузки на очистной забой и единственно возможным способом транспортирования полезного ископаемого от забоя до поверхности являются высокопроизводительные ленточные конвейеры. При открытой добыче полезного ископаемого с применением выемочно-погрузочных машин непрерывного действия используются ленточные конвейеры, производительность которых может достигать 10 000 м3/ч при ширине ленты 3 м и более.

Как правило, практически по всей длине ленточного конвейера ленту поддерживают линейные роликоопоры, которые на грузовой ветви состоят из 3-х одинаковых по длине и диаметру роликов с углом установки боковых роликов 30° или 36°. Ролики являются наиболее массовыми элементами ленточного конвейера с различным конструктивным исполнением в зависимости от крупности транспортируемого груза, его насыпной плотности, ширины и скорости движения конвейерной ленты.

Основными недостатками трехроликовой роликоопоры с одинаковой длиной роликов являются неравномерная нагрузка, приходящаяся на средний и боковые ролики, а также недоиспользование ленты по производительности. Так на трехроликовой опоре при роликах равной длины нагрузка, приходящаяся на средний ролик, составляет около 70% от суммарной погонной нагрузки от транспортируемого груза, ленты и веса вращающихся частей роликоопор. При этом на боковые ролики приходится 30%, поэтому нагрузка на подшипники среднего ролика примерно в 2,5 раза больше, чем на подшипники боковых роликов.

При увеличении ширины ленты нагрузки на подшипники роликов возрастают, особенно на подшипники средних роликов, что приводит к их более частым отказам и снижению общей надежности ленточных конвейеров. Уменьшить нагрузки на средний ролик можно путём изменения геометрической формы роликоопоры. Наряду со снижением нагрузок на подшипники среднего ролика и повышением их долговечности изменение геометрической формы роликоопоры позволяет несколько увеличить производительность конвейера при той же ширине ленты и её скорости.

Такое положение имеет место практически на всех ленточных конвейерах, работающих на горных предприятиях России, ближнего и дальнего зарубежья, а также на горных предприятиях Исламской Республики Иран.

Таким образом, выбор рациональных параметров роликоопор линейных секций мощных ленточных конвейеров (ширина ленты более 1400 мм) за счёт изменения геометрической формы роликоопоры для выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов линейной части конвейеров горных предприятий, является актуальной научной задачей.

Целью работы являются обоснование рациональных параметров роликоопор линейных секций мощных ленточных конвейеров горных предприятий, при которых выравниваются нагрузки на подшипники среднего и боковых роликов, и повышается их долговечность, а также оценка изменения величины общего коэффициента сопротивления движению ленточного конвейера, оснащённого роликами разной длины.

Идея работы состоит в том, чтобы за счёт варьирования геометрическими размерами среднего и боковых роликов обеспечить выравнивание нагрузок на их подшипники, возникающие от движения насыпного груза в пролете между роликоопорами.

Научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

— математическая модель для определения нагрузок на ролики разной длины, входящие в линейную опору ленточного конвейера, отличающаяся тем, что позволяет определить силы, действующие на подшипники роликов от веса транспортируемого груза в его активной и пассивной фазах, а также ленты и вращающихся частей роликов при движении ленты по роликоопораманалитические зависимости для определения оптимального соотношения между длиной среднего и боковых роликов, при которых достигается выравнивание нагрузок на подшипники, отличающиеся тем, что в них учитываются угол естественного откоса, угол внутреннего трения груза на движущейся ленте, угол наклона боковых роликов, позволяющие увеличить долговечность подшипников, для получения зависимости необходимой динамической грузоподъемности подшипников роликов от их геометрических размеров;

— цифровая модель роликоопоры с находящейся на ней лентой с грузом, позволяющая оценить изменение общего коэффициента сопротивления движению ленты на линейных роликоопорах при варьировании соотношениями между длинами среднего и боковых роликов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием математического анализа, теории машин и механизмов, теории сыпучей среды, а также экспериментальными исследованиями деформированного состояния ленты с грузом, расположенной на линейных роликоопорах с роликами разной длины при её нагружении, выполненными на ЭВМ в пакете программ А^УБ методом конечных элементов. Сходимость экспериментальных и теоретических зависимостей при определении коэффициента сопротивления движению обеспечивается при уровне значимости относительной ошибки 0,10 составляет 95%.

Новизна исследований заключается в установлении зависимостей для определения соотношения между длиной среднего и боковых роликов, обеспечивающих максимальную площадь поперечного сечения груза на движущейся лентев разработке математической модели для определения сил, действующих на подшипники роликов с целью выравнивания нагрузок на них и увеличения долговечности в зависимости от напряжённого состояния транспортируемого груза в пролете между роликоопорамив составлении цифровой модели пролета линейной части конвейера и получении на её основе математической модели, описывающей изменение общего коэффициента сопротивления движению ленты по роликоопорам при варьировании соотношениями между длиной среднего и боковых роликов.

Научное значение имеют зависимости для определения оптимального соотношения между длиной среднего и боковых роликов, математическая модель нагрузок на ролики трехроликовой опоры, позволяющая определить оптимальную их форму, при которой достигается выравнивание нагрузок на подшипники роликов, а также цифровая модель для ЭВМ для установления зависимостей общего коэффициента сопротивления движению ленты по роликоопорам от изменения их геометрической формы.

Практическое значение исследований заключается в разработке методики расчёта рациональных геометрических параметров роликоопор линейных секций грузовой ветви мощных ленточных конвейеров, рекомендаций по определению нагрузок на подшипники роликов, что позволяет осуществить выбор подшипников, обеспечивающих заданную долговечность, и обосновании коэффициента сопротивления движению ленты по роликоопорам с роликами разной длины.

Реализация выводов и рекомендаций работы. «Методика расчета рациональных параметров роликоопор линейных секций грузовой ветви мощных ленточных конвейеров» и рекомендации по определению нагрузок на подшипники роликов, позволяющие выбрать подшипники с заданной долговечностью и обосновать коэффициент сопротивления движению ленты по роликам разной длины, приняты ОАО «Объединенные машиностроительные технологии».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы получили одобрение на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка — 2008;2009 г.» и семинарах кафедры «Горная механика и транспорт» МГГУ (2008;2009 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из 93 наименований и включает 39 рисунков, 12 таблиц и приложения.

Выводы по главе.

1. Одним из важных технико-экономических показателей ленточного конвейера является его коэффициент сопротивления движению, который определяет расход электроэнергии, влияет на выбор типа конвейерной ленты и привода и их стоимость.

2. В общем коэффициенте сопротивления движению ленточного конвейера основной составляющей, зависящей от геометрической формы роликоопоры, является составляющая от деформирования груза и ленты. Экспериментальные исследования, выполненные путем моделирования в пакете А№У8 позволили установить, что доля составляющей от деформирования груза и ленты для роликоопоры с укороченным средними роликом в среднем на 5% меньше, чем на роликоопоре с роликами равной длины при варьировании основных параметров (натяжения, расстояния между роликоопорами и пр.).

3. Для конвейера с лентой шириной В =200Омм при ее натяжении 5=30 000Н и транспортируемого груза в виде песка экспериментально получен коэффициент сопротивления движению = 0,016 дЛя опоры с роликами равной длины и &trade-'деф ~ 0>014 — для опоры с укороченным средними роликом.

4. Для аппроксимации экспериментально полученных зависимостей предложено аналитическое выражение для коэффициента сопротивления движению деформирования груза и ленты в виде деф = Сдеф ехр (-5 / ?) — что позволяет использовать для тяговых расчетов ленточных конвейеров, оборудованных опорами с укороченными средними роликами, известную методику расчёта традиционных ленточных конвейеров, изложенную в технической литературе.

Заключение

.

В результате теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача по выбору рациональных параметров роликоопор линейных секций мощных ленточных конвейеров за счёт изменения геометрической формы роликоопоры для выравнивания нагрузок на подшипники среднего и боковых роликов линейной части, а также научно обоснован метод выбора типов подшипников для рекомендуемой конфигурации роликоопоры.

Результаты и выводы, полученные лично автором:

1. Выполненные в работе исследования позволили определить соотношение между длиной среднего и боковых роликов, при котором достигается максимальная площадь поперечного сечения груза на ленте. Это соотношение зависит от угла естественного откоса груза на движущейся ленте р) и угла наклона боковых роликов (/?). Для насыпных грузов, транспортируемых на горных предприятиях (#> = 15° и 20°), и существующих углов наклона боковых роликов (/? = 30 и 3 6и) это соотношение находится в пределах в = 0,2 -ь 0,3 — при этом значении в производительность ленточного конвейера возрастает примерно на 4−5% (на конвейере с лентой шириной 2000 мм эта добавка составляет примерно 1200 т/ч).

2. В настоящее время на ленточных конвейерах применяют опоры с роликами равной длины и одинаковыми подшипниками, у которых подшипники боковых роликов существенно недогружены. Выравнивание нагрузок на подшипники роликов может быть достигнуто изменением соотношения между длиной среднего и боковых роликов. Так, для конвейера с лентой шириной В =2000 мм и насыпных грузов с углами (р^. 15°-4−20° рациональная длина среднего ролика колеблется в пределах 450+550 мм, а длина боковых роликов в пределах 800−850 мм (для лент шириной 1600−2000 мм), при этом рациональный угол наклона боковых роликов составляет /? — 41° 43°.

3. Анализ эксплуатационных требований к подшипникам конвейерных роликов при изменённой геометрии роликоопоры показал, что выбор подшипников следует производить по их динамической грузоподъемности, при этом с уменьшением динамической грузоподъемности подшипников необходимо сохранять или увеличивать диаметр их осей. Получена зависимость диаметра оси подшипников от длины бокового ролика, при которой обеспечивается необходимая жесткость оси.

4. Соотношение расчетной нагрузки на подшипник и веса груза при выравнивании нагрузок на подшипники уменьшается на 23 ^ 45% в сравнении с таким же соотношением при использовании роликоопор с роликами равной длины.

5. Стратегия и эффективность использования резерва динамической грузоподъемности подшипников, возникающего при выравнивании нагрузок на них, определяются закономерностями построения типоразмерных рядов стандартных подшипников и в частности зависимостями динамической грузоподъемности от диаметров внутреннего и наружного колец. На основе анализа этих зависимостей для разных типов и серий подшипников разработаны рекомендации по рациональному использованию резерва их динамической грузоподъемности.

6. Показано, что в общем коэффициенте сопротивления движению ленточного конвейера наиболее существенно от геометрической формы роликоопоры зависит составляющая от деформирования груза и ленты. Экспериментальные исследования, выполненные путем цифрового моделирования на ЭВМ в пакете программ А^УБ методом конечных элементов, позволили установить, что составляющая от деформирования груза и ленты для роликоопоры с укороченным средним роликом в среднем на 5% меньше, чем на роликоопоре с роликами равной длины. Так, для конвейера с лентой шириной В =2000 мм при её натяжении? =300 кН и груза в виде песка экспериментально получен коэффициент сопротивления от деформирования груза и ленты м>'деф = 0,016 для опоры с роликами равной длины и м>'деф = 0,0145 для роликоопоры с укороченным средним роликом. Составляющие от вдавливания роликов в ленту и их вращения для обоих случаев практически одинаковы и равны, (уу'вр + м>'вд) ~ 0,025.Таким образом, общий коэффициент сопротивления движению при натяжении ленты 8=300 кН для опоры с роликами равной длины равен 0,041, а для опоры с укороченным средним роликом — 0,039.

Подобные соотношения сохраняются и для конвейеров с другой шириной лент, следовательно, при установке на линейных секциях роликопор с укороченным средним роликом все показатели, зависящие от общего коэффициента сопротивления движению, не ухудшаются.

7. На основании выполненных исследований разработаны «Методика расчета рациональных параметров роликоопор линейных секций грузовой ветви мощных ленточных конвейеров» и рекомендации по определению нагрузок на подшипники роликов, позволяющие выбирать подшипники с заданной долговечностью и обосновать коэффициент сопротивления движению ленты по роликам разной длины.