Обоснование и выбор параметров нагревательных плит шахтных переносных вулканизационных прессов с целью снижения неравномерности температурного поля

Ленточные конвейеры, благодаря их высокой производительности, простоте конструкции и обслуживания, низким эксплуатационным затратам и высокой надежности работы, являются наиболее эффективным средством непрерывного транспорта в горной промышленности. Это подтвердили и итоги реструктуризации горной промышленности, прошедшей в последние годы. Несмотря на сокращение удельного веса магистрального конвейерного транспорта на открытых угольных разработках, он остается основой транспортных систем на угольных шахтах. Уже в течение многих лет расширяется область применения ленточных конвейеров на открытых разработках скальных пород и руд, на карьерах черной и цветной металлургии.

В связи с постоянным увеличением производительности и длины ленточных конвейеров, предъявляются повышенные требования к надежности их работы. Показатели надежности большинства узлов современных ленточных конвейеров являются весьма высокими. В то же время наиболее слабым местом продолжают оставаться стыковые соединения ленты. Вследствие их разрушения нарушается ритмичная работа горных предприятий, увеличивается расход конвейерных лент и стоимость транспортирования. В настоящее время считается бесспорным преимущество метода горячей вулканизации перед другими способами стыковки конвейерных лент. Для резинотросовых лент этот способ вообще является единственно допустимым. Но продолжительность работы вулканизированных стыковых соединений даже в одинаковых условиях эксплуатации колеблется в очень широких пределах — от нескольких недель до нескольких месяцев и даже лет.

Как показали исследования, прочность, долговечность и надежность работы стыковых соединений снижается вследствие дефектов вулканизации: различная толщина резиновой прослойки (от 0,1−0,2 до 3−4 мм), различие в качестве резины прослойки и прочности ее связи с прокладками по площади стыка — в одних местах резина прослойки монолитная, и прочность ее связи с прокладками выше средних значений, в других, часто на больших участках, прослойки состоят из пористой или губчатой резины с низкими физико-механическими свойствами и имеют слабую связь с прокладкаминедовулканизация и «пережоги» отдельных участков резиновой прослойки. Такие же дефекты имеются в резине заделки концов стыковых соединений.

Целью работы является снижение неравномерности температурного поля нагревательных плит вулканизационного пресса с позисторными источниками тепла, обеспечивающего повышение качества вулканизируемых соединений лент конвейеров горной промышленности.

Идея работы состоит в снижении неравномерности температурного поля нагре вательных плит, обеспечиваемой рациональной плотностью размещения источников тепла, которая определяется на основе математической модели тепловых потоков внутреннего и внешнего теплообмена вулканизационного пресса.

Основные научные положения, выносимые на защиту: расчетные тепловые модели конструктивных элементов вулканизационного пресса составляются путем комбинирования трех универсальных идеализированных элементов: термически тонких листов, бесконечных тонких стенок и теплоотдающих реберматематическая модель распределения тепловых потоков и температуры в элементах вулканизационного пресса представлена в виде сочетания двух видов теплообмена: внутреннего теплообмена между элементами пресса через соединяющие их термически тонкие листы и внешнего теплообмена через тепло-отдающие ребра, присоединенные к указанным термически тонким листамнеобходимая равномерность температурного поля на границах нагревательных плит пресса обеспечивается при помощи тепловых барьеров на их краях, тепловая мощность которых должна быть пропорциональна термическому сопротивлению теплоизоляционного слоя пресса.

Научная новизна работы состоит в разработке: тепловых моделей основных конструктивных элементов вулканизационного пресса, эквивалентной схемы их сопряжений, общей схемы теплообмена и математической модели распределения тепловых потоков и температуры в элементах прессав установлении зависимостей: для определения тепловых потоков и температуры пресса, для оценки влияния на неравномерность температурного поля нагревательных плит пресса дискретного характера размещения источников тепла в нагревательных плитах пресса, для расчета теплоотдачи от элементов пресса в окружающую среду.

Достоверность основных научных положений подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными на основании научно спланированных экспериментов, которые проведены на специально подготовленном образце пресса, а также в промышленных условиях на лентах действующих конвейеров и статистической обработкой экспериментальных данных.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена удовлетворительной корреляцией теоретических исследований и экспериментальных данных (расхождение 10%).

Научное значение работы состоит в разработке и обосновании математической модели тепловых процессов в элементах вулканизационного пресса, в обосновании способа обеспечения равномерности температурного поля нагревательных плит путем создания тепловых барьеров на их границах и разработке метода расчета рациональной плотности размещения источников тепла.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по созданию заданного температурного режима вулканизационного пресса с позис-торными нагревательными элементами.

Реализация результатов работы:

Разработанные в работе рекомендации по созданию температурного режима использованы при создании пресса, обеспечивающего заданную неравномерность температурного поля вулканизации, при промышленном изготовлении вулканизаци-онных прессов с позисторными элементами типа ПСШ1 (изготовлено 84 пресса), используемых на шахтах (взрывобезопасный вариант), типа ПСС (изготовлено 27 прессов), используемых в карьерах, предприятиях металлургии и других предприятиях.

Апробация работы. Работа и основные ее положения докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка — 2002, 2003» в МГГУ, на первой и третьей Международной научно-практической конференции по проблемам конвейерного транспорта в г. Боровичи в 2000 и 2003 г. г., на семинаре Госгортехнадзора России по усовершенствованию надзорной работы в электромеханическом хозяйстве подконтрольных угольных предприятий в Новокузнецке в ноябре 1999 г., в отделе подземного транспорта ИГД им. А. А. Скочинского в 2001 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть научных статей, одно свидетельство на полезную модель и один патент на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 32 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 66 наименований.

4.5. Выводы по главе 4.

1. Основными факторами, определяющими неравномерность температурного поля нагревательных плит вулканизационного пресса с позисторными источниками тепла, являются общее снижение температуры к концам плит, вследствие теплоотдачи через их торцовые поверхности и присоединенные консольные элементы, а также дискретное распределение источников тепла. Общее снижение температуры к концам плит распространяется на длину до 300 мм и составляет 1,5% на концах без консольных элементов и до 2,3% на концах с консольными элементами.

Снижением температуры к краям рабочей поверхности пресса в продольном направлении можно пренебречь.

2. Полученная в главе 2 теоретическая линейная зависимость неравномерности распределения температуры из-за дискретности размещения источников тепла от расстояния между источниками подтверждается экспериментальными измерениями при уровне значимости 0,10. На прессе рассматриваемой конструкции размах значений температуры составляет до 0,75°С. Аппроксимация полученной зависимости на случай несаморегулируемых источников тепла показывает, что в этом случае размах значений температуры может составить до 2 °C. Оценка предельно допустимого шага установки источников тепла показала, что для саморегулируемых источников он равен около 1150 мм, для несаморегулируемых — 50 мм.

3. Принятые в главе 3 теоретические положения по расчету необходимого теплового барьера на концах нагревательных плит и ориентировочные значения параметров теплоотдачи через их торцовые поверхности и через другие элементы вулканизационного пресса подтверждаются данными экспериментальных исследований. При этом достаточная ширина теплового барьера составляет около трех значений толщины нагревательных плит при максимальной мощности источников тепла, равной удвоенной номинальной плотности.

Заключение

.

В результате проведенных исследований дано решение актуальной научной задачи по разработке методов расчета тепловых режимов вулканизационных прессов, выбору рациональной плотности размещения источников тепла, обеспечивающей заданную неравномерность температурного поля нагревательных плит вулканизационного пресса, а, следовательно, и повышение эффективности процесса вулканизации и качества вулканизируемых соединений лент конвейеров горных предприятий.

Выполненные исследования позволили сделать следующие основные выводы полученные лично автором в результате выполненных исследований:

1. Расчетная тепловая модель активных (нагревательных) элементов вулканизационного пресса представлена в виде комбинации распределенных плоских источников тепла и тонких теплоотдающих реберрасчетные тепловые модели пассивных элементов пресса представлены в виде комбинации теплоизолирующей бесконечной плоской стенки и граничных термически тонких листов, участвующих своими краями в теплообмене с окружающей средой. Условие теплообмена элементов пресса с окружающей средой смоделировано системой теплоотдающих ребер.

2. На основании разработанных тепловых моделей элементов создана тепловая модель вулканизационного пресса в целом, состоящая из внутренних термических сопротивлений, моделируемых плоскими теплопроводящими стенками, и внешних термических сопротивлений, моделируемых эквивалентными теплоот-дающими ребрами.

3. Определена неравномерность температурного поля вулканизационного пресса в поперечном к ленте направлении, создаваемая теплоотдачей нагревательных плит через торцевые поверхности и присоединенные консольные элементы, а также дискретным распределением источников тепла. Показано, что неравномерностью температурного поля в продольном направлении при расчетах можно пренебречь.

4. Расчетами установлено, что для срединной части пресса допустимая неравномерность температурного поля для исследованной в работе конструкции обеспечивается при шаге установки саморегулируемых нагревательных элементов (позисторов) равном 150 мм и несаморегулируемых элементов — 50 мм.

5. Необходимая неравномерность температурного поля в поперечном направлении вблизи внешних торцевых поверхностей нагревательных плит должна обеспечиваться путем создания тепловых барьеров в этих зонах. Рациональная ширина тепловых барьеров должна превышать толщину нагревательных плит не менее чем в 2 раза, а плотность источников тепла в них должна быть пропорциональна отношению термического сопротивления теплоизолирующего слоя пресса к сопротивлению теплоотдачи через торцовые поверхности нагревательных плит. В работе получены аналитические зависимости для расчета длины и мощности тепловых барьеров. Так в прессе для ленты шириной 1200 мм длина тепловых барьеров равна 90 мм.

6. Теоретически рассчитанная неравномерность распределения температуры из-за дискретного характера размещения источников тепла подтверждена экспериментальными измерениями при уровне значимости 0,1. На прессе рассматриваемой конструкции неравномерность температуры составляет 0,75°С.

7. Теоретические расчеты параметров теплового барьера на внешних торцевых поверхностях нагревательных плит подтверждены данными экспериментальных исследований. При этом достаточная ширина теплового барьера составляет около трех значений толщины нагревательной плиты при максимальной плотности размещения источников тепла, равной удвоенной номинальной плотности.