Выбор основных параметров линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой для горных предприятий

Транспортная проблема — одна из самых серьезных для глубоких карьеров, из которых в настоящее время добывается до 90% минерального сырья. Ухудшение технико-экономических показателей добычи минерального сырья при увеличении глубины карьера зависит главным образом от затрат на транспортные работы. Наиболее эффективный способ отработки глубоких карьеров — это применение циклично-поточной технологии.

Ленточные конвейеры, применяющиеся в схемах с циклично-поточной технологией на глубоких карьерах, практически исчерпали себя, так как при максимальном угле подъема не превышающем 16−18° длина конвейерной линии достаточно велика, а главное, она должна представлять собой цепь коротких конвейеров с перегрузкой с одного конвейера на другой. Открытая поверхность груза на конвейере и перегрузочные комплексы служат дополнительными источниками пылеобразования.

Значительно упростить трассу, уменьшить длину транспортирования и улучшить экологическую ситуацию на горных предприятиях позволяет использование крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой.

Крутонаклонные конвейеры с прижимной лентой для глубоких карьеров представляются наиболее рациональным решением, так как они универсальны, способны работать под углами наклона до 90°, обеспечивать производительность более 10 000 м3/час и иметь высоту подъема одним ставом до 300 метров при современной прочности лент. Крутонаклонный конвейер с прижимной лентой эффективен при наклонном подъеме из глубоких шахт. Вместе с тем, хотя в мире эксплуатируется уже более двухсот крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой (KHK) в разных отраслях промышленности, на горных предприятиях, в том числе на карьерах и шахтах, — единицы.

Современные методики позволяют обосновать отдельные параметры KHK, но недостаточно внимания уделено выбору таких параметров, как: рабочая ширина ленты, расстояние между роликоопорами, минимальное натяжение грузонесущей ленты на линейной части KHK. Недостаточно учтены в расчетах физико-механические характеристики используемых лент.

Поскольку вышеперечисленные параметры значительно влияют на технико-экономические показатели использования данного вида конвейерного транспорта, то обоснование основных параметров линейной части KHK с прижимной лентой является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка математической и цифровой моделей лент крутонаклонного конвейера с прижимной лентой на крутонаклонной линейной части для установления зависимостей напряженно-деформированного состояния лент от величины поперечного сечения груза, расстояния между роликоопорами и натяжения на линейной части с учетом динамических свойств материала лент.

Идея работы заключается в ограничении деформаций и напряжений отдельных участков лент за счет варьирования конструктивных параметров конвейера, величины поперечного сечения груза и натяжения лент на линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

— математическая и цифровая модели грузонесущей и прижимной конвейерных лент линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой, отличающиеся тем, что учитывают динамические свойства материала конвейерной ленты;

— аналитические выражения для расчета сил действующих на модели лент KHK на линейной крутонаклонной части;

— зависимости расстояния между роликоопорами от величины поперечного сечения груза и минимального натяжения грузонесущей ленты на линейной части KHK, учитывающие критерий минимально допустимых деформации и натяжения ленты;

— зависимости расстояния между роликоопорами линейной части KHK от ширины грузонесущей ленты и величины статического модуля упругости, учитывающие критерий минимально допустимых деформации и натяжения ленты.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— корректностью сделанных допущений при построении математической и конечно-элементной цифровых моделей;

— использованием методов теории упругости, механики сыпучих сред, методов статистической обработки данных, использованием современных компьютерных технологий и современного математического программного обеспечения;

— анализом существующих экспериментальных и теоретических данных, сравнением результатов исследования с соответствующими зарубежными аналогами крутонаклонных конвейеров и результатами их промышленной эксплуатации (расхождение параметров не превышает 12%).

Научное значение работы заключается:

— в создании математической и адекватной ей цифровой модели грузонесущей и прижимной лен линейной части KHK с учетом динамических свойств материала лент;

— в установлении аналитических зависимостей для расчета сил действующих на модели лент KHK на линейной крутонаклонной части;

— в установлении зависимости расстояния между роликоопорами от величины поперечного сечения груза и минимального натяжения грузонесущей ленты на линейной части KHK ;

— в установлении зависимости расстояния между роликоопорами линейной части KHK от ширины грузонесущей ленты и величины статического модуля упругости.

Практическое значение работы заключается в разработке методики обоснования ширины лент, величины свободных краев лент, расстояния между роликоопорами, минимального натяжения лент на линейной части KHK и пакета прикладных программ, которые дают возможность корректировать параметры конвейера на стадии проектирования.

Реализация результатов работы. Методика обоснования ширины лент, величины свободных краев лент, расстояния между роликоопорами, минимального натяжения лент на линейной части КНК и пакет прикладных программ приняты ОАО «Объединенные машиностроительные технологии» для использования при проектировании крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международных научно-технических симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, 2007;2009 гг.), на XII Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века» (МГГУ, 2008 г.) и на кафедре «Горная механика и транспорт» (МГГУ, 2009 г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано пять статей, общим объемом 1.5 п. л, из них личный вклад соискателя 1 п.л.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 136 страниц, 73 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 93 наименований.

Выводы и результаты, полученные лично автором, в процессе выполнения исследования:

1. В глубоких карьерах применяющиеся в схемах циклично-поточной технологии ленточные конвейеры исчерпали свои возможности и их необходимо заменить крутонаклонными конвейерами с прижимной лентой, которые способны упростить трассу, уменьшить длину транспортирования, улучшить экологию карьера и уменьшить энергоемкость транспортирования.

2. Анализ отечественных и зарубежных научных исследований показал, что большая часть проблем, связанных с выбором параметров крутонаклонного конвейера с прижимной лентой, решена это: устойчивость груза на лентах конвейера, параметры переходных участков, распределение мощности основного и прижимного контура и ряд других. Одной из проблем, не нашедших пока решения, можно считать обоснование основных параметров крутонаклонной линейной части конвейера.

3. Математические модели напряженно-деформированного состояния лент на линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой описываются системой уравнений в частных производных, варьируемыми параметрами в которых являются нагрузки, действующие на ленту, модули упругости и коэффициенты Пуассона с учетом динамических свойств материала лент. Цифровые модели напряженно-деформированного состояния лент также позволяют учитывать динамические свойства лент, что важно, так как синтетические прокладочные конвейерные ленты, в основном применяемые в этом виде конвейеров, отличаются явно выраженными динамическими свойствами.

4. Работе конвейера могут препятствовать как деформации краев грузонесущей ленты, обусловливающие просыпи на линейной части конвейера, так и снижение напряжений отдельных участков ленты ниже допустимых пределов, вызывающее неустойчивое движение ленты.

5. Анализ зависимости напряженно-деформированного состояния грузонесущей ленты от степени загрузки полотна конвейера, натяжения грузонесущей ленты, прижимного усилия и расстояния между роликоопорами показал, что имеется реальная возможность увеличения степени заполнения конвейера.

6. Принятое в зарубежных моделях крутонаклонных конвейеров поперечное сечение груза на ленте составляет примерно 60% величины загрузки традиционного ленточного конвейера, что приводит к увеличению ширины дорогостоящей конвейерной ленты.

7. Зависимости напряженно-деформированного состояния лент от параметров линейной части конвейера показывают, что для обеспечения его работоспособности при 100%-й величине загрузки традиционного ленточного конвейера потребуется увеличение минимального натяжения грузонесущей ленты на линейной части и увеличение прижимного усилия в 3 раза. Это может вызвать необходимость в более прочной грузонесущей ленте, а прижимные усилия могут превысить максимальную допустимую величину. Более рациональным является варьирование расстояния между роликоопорами.

8. Анализ напряженно-деформированного состояния лент при дискретном увеличении площади поперечного сечения груза на ленте позволил заключить, что при 80%-й величине загрузки традиционного конвейера добиться работоспособности KHK можно без увеличения минимального натяжения грузонесущей ленты конвейера на линейной части. При расчетном минимальном натяжении 12,5 кН для ленты шириной 1,2 м расстояние между роликоопорами должно составлять 0,5 м. При минимальном натяжении 25 кН расстояние между роликоопорами может быть увеличено до 0,9 м.

9. Установка роликоопор грузонесущей ленты с переменным шагом (увеличивая его по мере увеличения натяжения ленты) позволит снизить металлоемкость конвейера с прижимной лентой.

10. Анализ зависимости напряженно-деформированного состояния грузонесущей ленты показал, что с увеличением ширины ленты увеличивается не только деформация краев лент, но изменяется направление деформаций краев ленты по оси Z, что обусловливает более жесткие требования к натяжению и расстоянию между роликоопорами. Напряжения, возникающие в краях ленты, являются основным лимитирующим фактором при выборе расстояний между роликоопорами.

11. Исследования влияния статического модуля упругости, в диапазоне (2 — 5) • 108 Н/мм2 на НДС грузонесущей ленты показали, что деформация ленты уменьшается с увеличением жесткости последней, но резко увеличивается перенапряжение ленты, края которой могут переходить в зону сжимающих напряжений. Учитывая, что ограничения по напряжениям ленты являются, как правило, лимитирующими по всем параметрам линейной части конвейера, модуль упругости ленты по основе должен составлять (3 — 4) • 108 Н/мм2.

12. Методика обоснования ширины лент, величины свободных краев лент, расстояния между роликоопорами, минимальными натяжениями лент на линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой и пакет прикладных программ приняты ОАО «Объединенные машиностроительные технологии» для использования при проектировании крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой.

Заключение

.

В результате теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача по обоснованию основных параметров линейной части крутонаклонного конвейера с прижимной лентой, что позволяет повысить производительность конвейера при той же ширине ленты и срок службы ленты, обеспечив устойчивое ее движение и предотвращая расслоение прокладок.