Установление параметров и режимов нагружения силового каркаса шахтных переносных вулканизационных прессов

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 имеет слабую связь с прокладкаминедовулканизация и «пережоги» отдельных участков резиновой прослойки. Такие же дефекты имеются в резине заделки концов стыковых соединений.

Все это объясняется тем, что применяющиеся на горных предприятиях прессы с жесткими плитами и вмонтированными в их пазы электрическими нагревательными элементами из проволочной спирали не могут обеспечить равномерного распределения давления и необходимой стабильности температуры нагрева по всей площади вулканизации. Вследствие разности толщины подготовленного к вулканизации стыкового соединения, достигающей 4−5 мм, разности в толщине отдельных плит, прогибов элементов конструкции при использовании этих прессов по площади вулканизации неизбежно появятся участки с большим давлением, из которых нагретая резина прослойки выдавливается с смежные участки с меньшим давлением.

Участки с дефектами соединительного слоя и сниженной прочностью сердечника ленты вследствие его перегрева являются очагами начала разрушения стыков и расслоения лент, снижают их долговечность и надежность в работе.

Существенные недостатки указанных прессов — большая металлоемкость и масса отдельных узлов, трудоемкость и продолжительность сборки-разборки и процесса вулканизации.

На большинстве применяемых вулканизационных прессов отклонение температуры вулканизации составляет ±-10°С по отношению к номинальной температуре, равной 140−160°С. В то же время имеет место многократное локальное превышение номинального давления на стыковое соединение, принимаемого, исходя из парового давления образующихся в процессе вулканизации водяного пара и других газов, для различных лент в пределах 1,0−1,7 МПа. Это вызывает повышенные напряжения в конструктивных элементах прессов, а следовательно, необходимость увеличения их размеров и массы, которые для шахтных переносных прессов ограничены весьма жесткими величинами.

Хотя проблеме совершенствования принципов действия и конструкции прессов для вулканизации конвейерных лент посвящено много исследовательских работ[6, 20, 24, 26, и др.], в том числе и диссертационных, практически все они посвящены разработке методов теплового расчета. Вопросы расчета силового каркаса вулканизационных прессов отражены практически только в одной работе. Но и в этой работе рассматриваются только вопросы укрупненного расчета конструктивных элементов пресса на прочность.

В существующей научно-технической литературе отсутствует также анализ распределения давления по площади стыкового соединения в прессах для вулканизации конвейерных лент и способов снижения его неравномерности. Конструктивные предложения по решению этой задачи основываются, большей частью, на умозрительных представлениях и не подкреплены аналитическими и экспериментальными исследованиями. Такое положение вызвано, на наш взгляд, сложностью теоретического описания напряженно-деформированного состояния элементов многослойной объемной конструкции вулканизационного пресса, многообразием конструктивных схем прессов при котором затруднена типизация их расчетных моделей, а также техническими трудностями экспериментального измерения давления на стыковое соединение.

В настоящей работе предложена классификация расчетных механических моделей прессов для вулканизации стыковых соединений конвейерных лент и выполнен укрупненный теоретический анализ распределения давления на стыковое соединение для двух основных выявленных схем силового каркаса таких прессов, основанный на соотношениях теории упругости и имеющихся данных о физико-механических сеойствох конвейер ных лент и вулканизационных резиновых смесей. Ввиду больших техничеа ских трудностей экспериментального измерения давления на стыковое соединение и напряжений в элементах пресса, выполнен вычислительный эксперимент на объемных конечно-элементных моделях вулканизационно-го пресса с использованием современных программных средств, реализующих метод конечных элементов (МКЭ).

Целью работы является установление закономерностей силового взаимодействия элементов вулканизационного пресса со стыковым соединением конвейерной ленты, разработка конструктивной схемы вулканизационного пресса, обеспечивающей необходимую равномерность рабочего давления по площади стыкового соединения, при которой обеспечивается его большая прочность и долговечность, является актуальной задачей.

Идея работы состоит в создании необходимой равномерности распределения давления по поверхности стыкового соединения путем использования элементов специальной конструкции, а также путем создания предварительного давления при помощи винтового нажимного устройства с последующим доведением этого давления до номинальной величины за счет применения диафрагмы давления.

Основные научные положения, выносимые на защиту, разработанные лично автором и их новизна:

• математическая модель силового каркаса вулканизационного пресса с внешним, внутренним и комбинированным замыканием силового каркаса, позволяющая определить напряженно-деформированное состояние элементов пресса и стыкового соединения в зависимости от их конструктивных параметров и физико-механических свойств;

• физико-механические свойства резины и их изменение в процессе вулканизации несущественно влияют на напряженно-деформированное состояние пресса при вулканизации резинотканевых лент и значительно — при вулканизации резинотросовых;

• распределение напряжений в элементах пресса и давления на стыковое соединение ленты определяется краевыми эффектами, зависящими от сочетания граничных и начальных условий деформирования на контурах диафрагмы и стыкового соединения, а также от материала диафрагмы;

• существует рациональная величина предварительной внешней нагрузки на силовой каркас пресса, зависящая от типа и конструкции вулканизируемой ленты, ее физико-механических свойств и геометрических размеров, обеспечивающая необходимую равномерность передаваемого от диафрагмы гидростатического давления на стыковое соединение ленты.

Обоснованность и достоверность научных положений, методология и методы исследования.'.

Достоверность основных научных положений подтверждена анализом существующих экспериментальных и теоретических данных, данных моделирования на ЭВМ основных математических моделей, анализом значимости и практической интерпретации выявленных эффектов, возникающих при взаимодействии элементов силового каркаса пресса со стыковым соединением конвейерной ленты.

Теоретические исследования основаны на теории упругости, сопротивления материалов, математическом анализе, прикладной механике, математической статистике.

Экспериментальные исследования основаны на моделировании на ЭВМ методом конечных элементов работы различных узлов вулканизаци-онного пресса (силовых балок, нагревательных плит, диафрагмы и др.), а также пресса в целомопределение закономерностей распределения давления по поверхности стыкового соединения выполнено на промышленном образце вулканизационного пресса Боровичского завода «Полимермаш».

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

Научное значение работы заключается в разработке математической модели вулканизационного пресса, в обосновании рациональной силовой схемы силового каркаса пресса и процесса его нагруже-ния, обеспечивающих необходимую равномерность давления по поверхности стыкового соединения вулканизируемой ленты.

Практическое значение работы заключается в разработке конструктивной схемы и рекомендаций по выбору геометрических параметров элементов шахтных переносных вулканизационных прессов, а также рациональных режимов нагружения его силового каркаса.

Реализация результатов работы. Разработанные конструктивные схемы и рекомендации по выбору геометрических параметров элементов шахтных переносных вулканизационных прессов и рациональных режимов нагружения силового каркаса реализованы при изготовлении заводом «Полимермаш» шахтных переносных вулканизационных прессов для конвейерных лент шириной 1000 мм.

Апробация работы. Работа и основные ее положения докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка — 2002, 2003» в Ml 1 У, на первой и третьей Международной научно-практической конференции по проблемам конвейерного транспорта в г. Боровичк в 2000 к 2003 г. г., в отделе подземного транспорта ИГД им. А. А. Скочинского в 2001 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликспапо пять статей, одно свидетельство на полезную модель и один патент на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 63 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 64 наименований.

Выводы по работе.

1. Перспективной конструкцией вулканизационного пресса для конвейерных лент, позволяющего получить необходимую равномерность рабочего давления по площади стыкового соединения, является пресс с комбинированным замыканием силовой системы.

2. Распределение напряжений в элементах вулканизационного пресса и давления на стыковое соединение определяется краевыми эффектами, возникающими при взаимодействии элементов силового каркаса и зависящими от сочетания граничных и начальных условий деформирования на контурах диафрагмы и стыкового соединения, а также от типа материала диафрагмы давления.

3. Для силового каркаса вулканизационных прессов с комбинированным замыканием силовой схемы процесс нагружения должен включать два последовательных этапа: создание предварительного давления нагружения внешними силами с помощью винтового нажимного устройства с последующим доведением этого давления до номинальной величины с помощью внутренних сил, создаваемых диафрагмой давления.

4. Равномерность распределения давления на стыковое соединение ленты повышается как при создании на торцах диафрагмы граничных условий деформирования, близких к защемлению, так и путем выноса торцевых заглушек за границы бортов вулканизируемой ленты под крайние ребра жесткости стяжных балок. Во всех случаях целесообразно выполнять диафрагму давления из эластичного синтетического материала для повышения равномерности распределения давления.

5. Существует рациональная величина предварительного усилия затяжки стяжных болтов, обеспечивающая необходимую равномерность передаваемого от диафрагмы давления на стыковое соединение ленты. Рекомендуемые значения этого усилия в зависимости от типа вулканизируемой ленты и ее физико-механических свойств составляют: для резинотканевых лент: с металлической диафрагмой порядка 60%, с синтетической диафрагмой — 70%, для резинотросовых лент: с металлической диафрагмой порядка 70%, с синтетической диафрагмой — 80%.

6. Изгибная жесткость листовых элементов конструкции пресса, определяемая их толщиной, влияет в основном на величину максимальных напряжений, возникающих вблизи сварных соединений элементов стяжных балок и диафрагм. Наиболее рациональными с точки зрения снижения металлоемкости пресса способами обеспечения прочности его элементов являются: применение коробчатых балок.

7. Разработанные конструктивные схемы и рекомендации по выбору геометрических параметров элементов шахтных переносных вулканизаци-онных прессов реализованы при изготовлении Боровичским заводом «По-лимермаш» для конвейерных лент шириной 1000 мм, которые работают на шахтах 12 объединений России, на шахтах Украины, Белоруссии и Эстонии.