Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КРУТОНАКЛОННЫХ КОНВЕЙЕРОВ С ПЕРЕГОРОДКАМИ

Баженов А.А.

Санкт-Петербург 2012

Диссертация выполнена в кафедре транспортно-технологических машин ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор доктор технических наук, доцент Репин Сергей Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузьмичев Виктор Алексеевич (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор) кандидат технических наук, доцент

Сапожников Александр Иванович (Научно-техническая фирма «Специальное оборудование судов и глубоководная техника», главный конструктор)

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится « 25 » мая 2012 г. в ______ час. на заседании диссертационного совета Д 212.223.02 при ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" по адресу: 190103, Санкт-Петербург, ул. Курляндская, д. 2/5, ауд. 340-К.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, СПбГАСУ, диссертационный совет.

Автореферат разослан _______ апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор С.А. Волков

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Значительный рост объемов гражданского и транспортного строительства, наблюдаемый в РФ за последнее десятилетие, невозможен без опережающих темпов развития производства строительных материалов и конструкций. Высокие темпы выпуска продукции призвана обеспечить модернизация промышленного оборудования этих производств, и, в первую очередь, технологического транспорта, основным из которых является конвейерный.

Перспективным направлением совершенствования конвейеров является создание крутонаклонных транспортирующих машин, у которых угол наклона потока материала превышает угол естественного откоса сыпучего груза за счет применения перегородок. Крутонаклонные конвейеры (КНК) обеспечивают высокую производительность транспортирования материалов при малых габаритах, что значительно сокращает производственные площади, улучшает экологичность производств, снижает энергопотребление.

Однако, широкому внедрению КНК препятствует отсутствие точных математических методов расчёта нагрузок на транспортирующие органы, выбора их оптимальных параметров.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета нагрузок на транспортирующие органы КНК, а также оптимизации основных геометрических параметров транспортирующих органов различной формы.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:

- разработки на основе теории предельного равновесия методов расчета распределения напряжений от сыпучего груза на рабочем полотне движущихся лент с перегородками;

- исследования влияния на распределение напряжений в сыпучем грузе массовых сил, установившемся работе конвейера;

- разработки методов расчета оптимальных конструктивных параметров конвейерных установок, исходя из условий наиболее эффективной их работы.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выбраны крутонаклонные конвейеры с перегородками, предназначенные для транспортировки сыпучих грузов.

Предметом исследования являются процессы взаимодействия транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров с перемещаемой сыпучей средой.

Научная новизна заключается в:

1. разработке новых и совершенствовании существующих методов расчета:

а) распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров.

б) поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материал. Модифицирован метод линий уровня, в качестве ориентира предложено использовать напряжение в грузе на ленте (ранее использовалось напряжение в точках, лежащих вдоль вертикальной линии, проведенной из точки, где толщина слоя груза равна нулю);

в) оптимальных геометрических параметров различных транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров с перегородками различных типов.

2. результатах экспериментальных исследований давления на ленту и перегородку.

Практическая значимость результатов заключается в разработке инженерных методик расчета нагрузок и геометрических параметров КНК и подтверждается актами внедрения. Предложенная методика расчета конвейеров может быть реализована проектными институтами и конструкторскими бюро.

Результаты работы используются также при обучении студентов специальности «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», при изучении дисциплины «Машины непрерывного транспорта» в Горном университете г. Санкт-Петербурга.

Достоверность результатов исследований подтверждается их сравнением с результатами экспериментальных исследований, проведенных на опытно-промышленных установках в СЗТУ, ВНИИПТМАШе, УкрНИИпроекте и гарантируется математически строгими построениями.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новые методы расчета:

- распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров;

- поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала;

- оптимальных геометрических параметров различных транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров.

2. Результаты экспериментальных исследований по измерению давления на рабочий орган конвейера.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры, 4-х международных и пяти межвузовский конференциях.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах (из них 2 - из списка ВАКа, в т. ч. 1 статья без соавторов, и 4 - в международных сборниках, приравненных к журналам из списка ВАКа, в т. ч. 1 статья без соавторов).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Основное содержание работы изложено на 91 странице, 28 рисунков.

2. Содержание работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту

Во введении изложена актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные задачи исследования, раскрыта общая структура диссертационного исследования.

В первой главе показана область применения КНК, выполнен анализ их конструкций, транспортирующих органов, приведен анализ существующих методов расчета конвейеров с перегородками ленточно-цепных конвейеров и скребковых конвейеров и результаты экспериментальных исследований крутонаклонных конвейеров с перегородками. Наиболее точные результаты расчета параметров КНК дают решения методами механики сыпучих грузов. Приближенное решение многих задач механики сыпучей среды, применительно к расчету транспортирующих машин, дано Р.Л.Зенковым. Наиболее точный метод расчета нагрузок на КНК - метод последовательных приближений принадлежит Ю.А. Пертену, однако и в этом случае расхождение с результатами экспериментов достигает 20%, что позволяет считать точность расчетов неудовлетворительной.

Глава заканчивается выводами, в которых кратко сформулировано состояние разработок и основные направления дальнейших исследований. Главное направление - разработка положений методики расчета КНК с перегородками, включающих методы расчета:

1) распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров;

2) поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала;

3) оптимальных геометрических параметров различных транспортирующих органов крутонаклонных конвейеров;

а также компьютерные программы расчета КНК по разработанным методам.

Вторая глава посвящена разработке первых двух из указанных выше методов расчета, а именно распределения давлений на полотне и перегородках движущихся крутонаклонных конвейеров и поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала.

Новый расчета распределения давлений на полотне и перегородках движущихся был предложен В.Д. Черненко и получил название вариационного. В диссертации разработаны основные теоретические положения метода и выполнен расчет по специально разработанной компьютерной программе. Вариационный метод позволяет практически сразу получить результат вычисления, в отличие от метода последовательных приближений, при использовании которого осуществляются последовательные приближения до получения нужной точности. Общим для вариационного метода и метода последовательных приближений, используемого ранее (Р.Л.Зенков, Ю.А. Пертен), является использование уравнений равновесия сыпучего груза, которые для плоского случая имеют вид

где - проекции массовых сил на оси координат. Присоединяя условие предельного равновесия

получаем статически определимую систему уравнений. Здесь - угол внутреннего трения сыпучего материала, - временное сопротивление растяжению.

В результате введения функции напряжений , получим, что уравнения равновесия тождественно удовлетворяются, а условие предельного равновесия примет вид



где - переменные коэффициенты,

Таким образом, задача сводится к решению нелинейного дифференциального уравнения в частных производных с переменными коэффициентами. На данном этапе заканчивается сходство методов - вариационного и последовательных приближений.

Метод последовательных приближений заключается в решении уравнений (3) с применением метода итераций, который является приближенным и дает ощутимую погрешность, которая, в свою очередь, завит от субъективных факторов (выбор числа итераций).

При применении же вариационного метода решение находим в виде

Где и - некоторые заранее выбранных функции, удовлетворяющая всем граничным условиям и отражающая действительное распределение функции напряжений в сыпучем теле.

Для того, чтобы функция являлась точным решением уравнения предельного равновесия, необходимо, чтобы уравнение тождественно удовлетворялись при подстановке в них решения, а это требование равносильно требованию ортогональности по всем функциям системы и и . Отсюда находим систему уравнений,



которая служит для определения неопределенных коэффициентов .

Интегрируя выражение (5) по площади треугольника

=0

находим постоянную интегрирования :

Отсюда поле напряжений в сыпучем грузе

Распределение давления от сыпучего груза по перегородке и ленте находим по формулам Коши:

Pп = уx sin2д + уy cos2д + фxy sin2д

Pл = уx cos2д + уy sin2д + фxy sin2д.

Вариационный метод реализован в виде компьютерных программ, Алгоритм который представлен на рис.1. Предлагаемый вариационный метод позволяет рассчитать нагрузку на рабочий орган, минуя расчёт напряженного состояния сыпучего материала в объеме. Результаты расчета нагрузок на ленту и перегородку (шаги 1…5) являются исходными для расчета напряженного состояния массива сыпучего груза (шаг 6).

Рис. 1 Алгоритм к вариационному методу.

Приведем результаты виртуального эксперимента, приведенного на кафедре транспортно-технологических систем СЗТУ.

Параметры обсчитываемого сыпучего тела на рабочем участке крутонаклонного ленточного конвейера с перегородками следующие: см - высота перегородки, - угол наклона конвейера, - коэффициент сцепления, - угол внутреннего трения, т/м3 - объемная масса груза, см, см.

Программа расчета позволяет провести вычислительный эксперимент. Изменяя объемную массу от 0,98т/м3 до 1,98т/м3, находим распределение давлений от сыпучего груза по перегородке и ленте (рис.2). Кривая 1 соответствует объемной массе т/м3, кривая т/м3, кривая т/м3. напряжение груз лента конвейерный

Рис. 2. Распределение давления сыпучего груза по ленте от объемной массы.

Новый метод расчета поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала представляет собой модификацию известного метода линий (В.Д. Черненко), который отличается от применяемого ранее тем, направление расчета идет не от поверхности материла в глубину, а от известных напряжений на ленте и перегородке. Данный метод обладает большей точностью. Метод расчета поля напряжений в среде транспортируемого сыпучего материала предусматривает разбивку исследуемой области сеткой, как показано на рис.2. По оси узлы отстоят друг от друга на расстоянии , а по оси на расстоянии . Точки 6, 10, 14, 16, 19, 21 расположены на поверхностях ленты и перегородки и являются отправными для проведения расчета. Точные значения производных заменим их приближенными значениями через дискретные значения функций на конечных интервалах

Верхний индекс определяет координаты узловой точки (в случае использования степени в выражении координаты берутся в скобки). Учитывая граничные условия на свободной поверхности сыпучего тела, система примет вид

Уравнения приводятся к рекуррентной форме и решаются в численном виде по специально разработанной компьютерной программе.

В третьей главе разработан метод расчета оптимальных геометрических параметров крутонаклонных конвейеров с перегородками различных типов.

Расчетная схема количества перемещаемого груза и сопротивлений определяется конструкцией транспортирующего органа (рис. 3).

Сначала рассмотрена плоская конвейерная лента с перегородками. С помощью метода множителей Лагранжа разработана методика расчета оптимальных геометрических параметров конвейерной ленты с перегородками в зависимости от требуемой производительности и условий работы.



Рис.3. Схемы, поясняющие конструкцию ленточного конвейера с перегородками (а), с перегородками и продольными бортами (б) и с V-образной лентой (в).

Затем рассмотрена плоская лента с вертикальными бортами и перегородками. Предложены итерационные циклы расчета оптимальных параметров в зависимости от расстояния между перегородками. Если в рассматриваемой конструкции, какие-либо ее геометрические параметры заданы, то в соответствующих условиях минимума функции погонной массы и итерационных циклах их следует принимать за постоянные величины.

Далее приведен расчет -образной конвейерной ленты. Приведены итерационные циклы для нахождения оптимальных значений геометрических параметров, когда свободная поверхность сыпучего груза ограничена плоскостью.

Для конвейера с перегородками, если считать, что сыпучий груз сверху ограничен плоскостью, наклоненной под углом к плоскости конвейерной ленты, оптимальные геометрические параметры конвейерной ленты будут определяться по формулам



Оптимальные размеры конвейерной ленты с продольными бортами, у которой размер бортов задан конструктивно, находятся из следующих формул

Если конструктивно задана ширина ленты, то для случая

оптимальные размеры ленты будут



,

а при

Для V-образной ленты оптимальные параметры будут

В работе обсчитывался наклонный конвейер с плоской лентой и перегородками, конвейер с продольными бортами и конвейер с - образным сечением.

Результаты вычислительного эксперимента на компьютере, когда в программы обеспечиваемых конвейеров вводилась одна и та же исходная информация, приведены в таблице.

Табл.1 Оптимальные параметры конвейерных лент различных сечений

т/ч; м; т/м3; ; м/с;
	, м	, м	, кВт	, м	, дан	, м
1	2	3	4	5	6	7
	0,24	0,8	26,7	0,085	1927	-
	0,56	0,4	26,1	0,2	1507	0,15
	0,69	0,8	26,5	0,23	1752	0,18

По результатам эксперимента видно, что оптимальным вариантом из рассмотренных конструкций конвейерных лент по мощности двигателя является конвейер с вертикальными продольными бортами.

Для конвейера с погруженными скребками распределенная нагрузка складывается из распределенной нагрузки на нижнее, верхнее дно и стенки прямоугольного короба. Суммарная распределенная нагрузка для вертикально-крутонаклонного участка находится по формуле

Где

В четвертой главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований давления движущегося сыпучего груза на рабочее полотно конвейера.

Результаты испытаний и расчетов приведены в таблицах. Снимались показания датчиков давления, закрепленных на ленте и перегородке конвейера. Результаты замеров сравнивались с данными теоретических вычислений, полученных различными методами: старым (последовательных приближений) и новым (вариационным).

Табл.2. Давление на полотно конвейера.

	Размер частиц	Угол естественного откоса	Угол наклона ленты	Плотность	Эксперимент. давление, Па	Давление старый метод, Па	Давление новый метод, Па
Гравий	2	35	40	3,4 г/смі	1300	1800/38	1500/15
			50	3,4 г/смі	1090	1600/46	1400/28
			60	3,4 г/смі	850	1000/17	1000/17
	20	40	40	3,2 г/смі	1220	1500/22	1300/6
			50	3,2 г/смі	1020	1300/27	1100/7
			60	3,2 г/смі	800	1000/25	900/12
Щебень	2	35	40	2,4 г/смі	910	1000/9	1000/9
			50	2,4 г/смі	770	900/16	800/3
			60	2,4 г/смі	600	700/16	700/16
	20	40	40	2,2 г/смі	840	1000/19	1200/42
			50	2,2 г/смі	700	800/14	750/7
			60	2,2 г/смі	550	700/27	600/9
Песок	1	25…30	40	1,6 г/смі	880	1000/13	900/2
			50	1,6 г/смі	730	900/23	800/9
			60	1,6 г/смі	575	800/39	600/4

Табл.3. Давление на перегородки.

	Рзмер частиц	Угол естественного откоса	Угол наклона ленты	Плотность	Эксперимент, давление, Па	Давление, старый метод, Па	Давление, новый метод, Па
Гравий	2	35	40	3,4 г/смі	1090	1200/10	1100/1
			50	3,4 г/смі	1300	1600/23	1550/19
			60	3,4 г/смі	1550	1800/16	1650/6
	20	40	40	3,2 г/смі	1020	1100/7	1050/2
			50	3,2 г/смі	1220	1300/6	1250/2
			60	3,2 г/смі	1500	1700/13	1600/6
Щебень	2	35	40	2,4 г/смі	770	900/16	800/3
			50	2,4 г/смі	910	1100/20	1000/9
			60	2,4 г/смі	1000	1200/20	1100/10
	20	40	40	2,2 г/смі	700	900/28	800/14
			50	2,2 г/смі	840	1000/19	900/7
			60	2,2 г/смі	1000	1200/20	1100/10
Песок	1	25…30	40	1,6 г/смі	730	900/23	800/9
			50	1,6 г/смі	880	1000/13	900/2
			60	1,6 г/смі	100	1200/20	1200/20

В числителе приведены значения давления на полотно и ленту, а в знаменателе - процентное расхождение с экспериментальными исследованиям. Результаты экспериментального исследования показали, что новый вариационный метод расчета давления на перегородку и ленту позволяет достичь большей точности расчетов (погрешность составляет 4..10%), т. е. точность повышается примерно в два раза по сравнению со старым методом

Рис.8. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований. Зависимость давления, Па, от угла наклона ленты, 0

Незначительное расхождение между экспериментальными и теоретическими результатами позволяет рекомендовать разработанную методику расчета конвейеров для практического использования.

Заключение

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1. Использование математического аппарата механики сплошной среды применительно к сыпучим грузам позволило добиться значительного сокращения разрыва между теоретическими и экспериментальными результатами, наблюдающегося при использовании теории сыпучих грузов, основанной на гипотезе сыпучего тела.

2. При рассмотрении задач механики сыпучих грузов предлагается использование функции напряжений при решении уравнений предельного равновесия и движения методом последовательных приближений, т.е. задача сведена к нелинейному дифференциальному условию предельного равновесия, решение которого основано на последовательной линеаризации решений, получаемых методом разделения переменных или в рядах.

3. Разработан вариационный метод решения нелинейных дифференциальных уравнений предельного равновесия сыпучих грузов для плоского случая. На частном примере показана сходимость решений уравнений предельного равновесия методом последовательных приближений и дано сравнение с результатами вариационного метода, причем установлено, что каждое последующее приближение дает поправку на порядок меньшую предыдущей и результат расчета постепенно приближается к результату, полученному вариационным методом.

4. Разработаны аналитические методы расчета по теории предельного равновесия давления сыпучего груза на перегородки и ленту с учетом динамических сил, возникающих в процессе движения при открытой поверхности сыпучего груза и при перемещении сыпучего груза в замкнутом коробе. При исследовании распределения давления от сыпучего груза по перегородке и ленте предложен вариационный метод решения дифференциального уравнения предельного равновесия.

5. Разработан численный метод расчета распределения напряжений по перегородке и ленте крутонаклонных конвейеров.

6. С помощью метода множителей Лагранжа разработана методика расчета оптимальных геометрических параметров ленты с перегородками в зависимости от требуемой производительности и условий работы.

7. Применение разработанной теории к расчету крутонаклонных конвейеров позволило создать новые методы расчета, где в процессе итерационного обсчета на компьютере практически учтены все условия работы конвейера.

8. Расчет конвейеров на компьютере позволяет с помощью условных операторов и операторов перехода изыскать оптимальные конструктивные параметры, исходя из условий наиболее эффективной работы конвейерных установок. Кроме того, расчет на компьютере дает возможность при варьировании исходной информации провести вычислительный эксперимент с целью оптимального выбора технических характеристик.

Публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Баженов А.А. Определение оптимальных геометрических параметров плоской конвейерной ленты с перегородками / А.А.Баженов // Промышленное и гражданское строительство, 2012. - № 5. - 0,3 п.л.

2. Баженов А.А. Расчет поля напряжений в сыпучем грузе на рабочем полотне крутонаклонного конвейера с перегородками / В.Н. Смирнов, А.А. Баженов, Т.В. Сапунова // Научно-технические ведомости, СПбГПУ, - СПб, 2010. №3. - С 107-111. -0,3 п.л.

Публикации докладов на международных конференциях:

3. Баженов А.А. Расчет давления от сыпучего груза по перегородке и ленте наклонных конвейеров с перегородками / В.Д. Черненко, А.А. Баженов // XXXIX неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Инженерные науки. - СПб, 2010. С. 235-237, 0,2 п.л.

4. Баженов А. А. Расчёт по нелинейной теории конвейерных лент с поперечными перегородками / В.Д. Черненко А.А. Баженов // Современные проблемы техносферы и подготовки научных кадров. Сборник трудов III Международного семинара в г. Табарка (Тунис). Донецк - С 242-246 - 0,3 п.л

5. Баженов А.А. Расчёт желобчатых конвейерных лент по нелинейной теории. / А.А. Баженов // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте'2011. Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции Т. 1 Транспорт - Одесса. Черноморье, 2011 - 0,3 п.л.

Прочие публикации:

6. Баженов А.А. Определение поля напряжений в сыпучем грузе на рабочем полотне ленточно-цепных конвейеров / А.А. Баженов // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб.СЗТУ. - 2008. - Вып.39. С 196-199 - 0,2 п.л..

7. Баженов А.А. Исследование распределения напряжений в сыпучем грузе на рабочем участке скребковых конвейеров / А.А. Баженов //Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб.СЗТУ. - 2008. - Вып. 39.С. 186-189 - 0,3 п.л..

8. Баженов А.А. Расчет оптимальных геометрических параметров плоской ленты с перегородками / А.А. Баженов //Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб.СЗТУ. - 2008. - Вып. 39.С. 190-192 - 0,2 п.л..

9. Баженов А.А. Определение давления от сыпучего груза на перегородку и ленту крутонаклонного конвейера с перегородками / А.А. Баженов //Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб.СЗТУ. - 2008. - Вып. 39. -С. 193-195 - 0,2 п.л..

10. Баженов А.А. Разработка методов расчета давлений от сыпучего груза по перегородке и ленте крутонаклонного конвейера с перегородками / В.Д. Черненко, А.А. Баженов // Сб.н.-пр.ст., «Проблемы теории и практики автомобильного транспорта», СЗТУ. - 2009. -Вып.2.- С. 96-101 0,4 п.л.

Размещено на Allbest.ru

...