|
|
Автореферат |
|
||||||||||||||||||||
 |
 |
|||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||
|
|
Вступ
Скребковий конвеєр в найбільш простому виконання складається з ріштакового ставу, що складається із збірних секцій і утворює два жолоби: робочий жолоб і жолоб для холостої гілки. Також конструкція скребкового конвеєра включає тяговий ланцюговий орган із закріпленими на ньому скребками, що необхідні для транспортування вугілля методом волочіння. Невід'ємними частинами скребкового конвеєра є приводна і натяжна станції, що розташовані на двох протилежних кінцях конвеєра. Скребкові конвеєри є невід'ємній конструктивній складовій комплексу устаткування лави і мають низку переваг в порівнянні з іншими транспортними установками безперервної дії, але також і не позбавлені недоліків, в основному, пов'язаних з швидким зносом і поривами тягового ланцюга. Дана робота присвячена дослідженню динамічної завантаженості ланцюгового тягового органу забійних скребкових конвеєрів на основі аналізу спектру збурень на приводній зірочці конвеєра, а також вивченню впливу частот вимушених коливань різних спектрів збурення при формуванні динамічних навантажень на тяговий орган. У даній роботі основою для проведення спектрального аналізу обурень є розкладання функції прискорення руху ланцюга в ряд Фур’є. Спектр (від лат. Spectrum – уявлення, образ) – це сукупність всіх значень будь-якої фізичної величини, що характеризує систему або процес. У даній роботі досліджується процес зачеплення круглоланкового ланцюга із зубами приводної зірочки скребкового конвеєра. Характеристикою процесу виступає функція прискорення руху тягового органу скребкового конвеєра, яка представляється як сукупність амплітуд і частот всіх її гармонік.
Аналіз публікацій
Широкому впровадженню конвеєрів на вугільних шахтах сприяють наукові, експериментальні і конструкторські роботи, що виконуються науково-дослідницькими, науково-конструкторськими і учбовими інститутами. Величезне значення в розвитку конвеєробудування мають праці по теорії, конструюванню, експлуатації конвеєрів чл.-кор. АН СРСР проф. А. О. Співаковського, що є основоположником вітчизняної наукової школи по конвеєрному транспорту. Великий вклад до розвитку науки підземного конвеєрного транспорту внесли роботи академіки АН УРСР проф. Н. С. Полякова, а також низки інших радянських н зарубіжних учених. В результаті зусиль учених, колективів НДІ і заводів в даний час повністю конвеєризоване транспортування вугілля із забоїв, де в основному застосовуються скребкові конвеєри. У зв'язку із зростаючою концентрацією видобутку вугілля на невеликому числі високопродуктивних ділянок втрати у видобутку на одній ділянці в результаті якоїсь аварії, наприклад, унаслідок розриву ланцюга, значно зростають навіть при невеликій тривалості простоїв. Причини виходу ланцюгів з ладу дуже різні, але в основному ланки ланцюга руйнуються від неприпустимих або під впливом помірних динамічних навантажень, що часто повторюються. Динамікою конвеєрів з ланцюговим тяговим органом починали займатися в 30-х роках XX століття. Г. Ганфштенгелем була отримана аналітична залежність визначення динамічних сил на тяговий орган конвеєра [4], відповідно до якої величина динамічних сил виявлялася прямо пропорційною квадрату швидкості руху конвеєра. Надалі з'ясувалося, що пропонована теорія є вірною тільки для невеликих тихохідних конвеєрів. В кінці 40-х років А. О. Співаковським та В. Д. Кружковим були проведені дослідження динамічних зусиль в тяговому органі скребкового конвеєра. Осцилограми, що отримано в результаті вимірів зусиль за допомогою тензометричних датчиків показали, що частота коливання зусиль в тяговому ланцюзі пропорційна повороту зірочки на один зуб, а амплітуда коливань залежить від попереднього натягненні ланцюга. В той же час дослідження А. А. Долголенко, який вперше розглянув тяговий ланцюг конвеєра як систему з розподіленими параметрами, показали істотний вплив динамічних характеристик тягового органу на коливальні процеси [5]. В результаті їм була запропонована методика визначенні динамічних сил в тягових ланцюгах з урахуванням їх пружних властивостей. Теоретичні дослідження A. А. Долголенко зіграли вирішальну роль в розвитку теорії конвеєрів з ланцюговим тяговим органом. Найповніші дослідження динаміки тягових ланцюгів скребкових конвеєрів, підтверджені багаточисельними експериментальними даними, були проведені І. Г. Штокманом [6]. В результаті розроблено теорію динаміки тягових ланцюгів і методики розрахунку динамічних зусиль і дано рекомендації щодо вибору параметрів скребкових конвеєрів. Динаміка скребкових, пластинчастих і стрічково-ланцюгових конвеєрів з урахуванням впливу диссипативних сил була досліджена в роботах д.т.н. Смирнова. д.т.н. В. П. Крота [7], Д. М, Беленького [8, 9] і проф. В. Н. Маценко [10]. Таким чином, в результаті великої роботи, виконаної в основному радянськими вченими, була створена теорія руху тягових ланцюгів скребкових і стрічково-ланцюгових конвеєрів. Проте автори перерахованих робіт при побудові фізичних моделей конвеєра не враховували впливу приводів на динаміку тягового ланцюга. Проте вже в роботах [6], [11] та інших було відмічено, що введення пружної ланки в приводний пристрій скребкових конвеєрів у ряді випадків знижує динамічні навантаження, що діють в ланцюзі. Це показує, що привід конвеєра може впливати на коливальні процеси, що виникають як в тяговому ланцюзі, так і в механічній системі всього конвеєра. Слід також відзначити, що приводи конвеєрів з турбомуфтами, що набули в останнє десятиліття широкое поширення, значно змінили їх динамічні характеристики. Маси ротора електродвигуна і приєднаних до нього елементів зчиняють дуже слабкий вплив на виникаючі коливання в конвеєрі, а турбінне колесо, редуктор і приводний пристрій повністю беруть участь в коливальному русі механічної системи конвеєра, оскільки співвідношення приведених мас цих елементів і рухомих мас скребкових конвеєрів цілком сумірні. Слідує відзначити, що при дослідженні динаміки конвеєрів динамічні і кінематичні характеристики його елементів, а також завантаження по довжині зазвичай приймалися незмінним. Тим часом різні умови експлуатації, знос тягових ланцюгів і інших елементів конвеєрів обумовлюють зміну його динамічних характеристик. Таким чином, в численних роботах, присвячених динаміці конвеєрів з ланцюговим тяговим органом, при схематизації реальних систем не враховувався вплив мас приводу, що обертали, або вплив рухомих часток робочого органу. При цьому передбачалося, що в процесі експлуатації конвеєрів, їх динамічні і кінематичні характеристики залишаються незмінними. У роботі [12] проф. д.т.н. Л. І. Чугрєєвим враховується спільний вплив на рух механічної системи конвеєра приводу, робочого органу і ставу, що змінюють свої динамічні і кінетичні характеристики в процесі експлуатації.
Актуальність теми
Вугільна промисловість тривалий період є основою економіки багатьох областей України. Вугілля є одним з основних природних багатств нашої держави і є основним джерелом енергетичної незалежності України. Для підтримки конкурентоспроможності вугілля в порівнянні з іншими ефективнішими енергоносіями, такими як нафта і природний газ, на ринку енергоресурсів представникам української промисловості і НДІ доводитися постійно удосконалювати механізовані установки видобутку вугілля, одночасно вирішуючи питання по збільшенню їх продуктивності, надійності і довговічності, а також зниженню собівартості, що, у свою чергу, знижує собівартість вугілля. У сучасних умовах видобутку вугілля скребковий конвеєр є незамінним засобом транспортування вугілля по лаві. Саме у лаві найбільш складні умови транспортування вантажів, до яких відносяться: волога середа, агресивність вод і атмосфери, в деяких випадках навіть наявність блукаючих струмів, а також недолік робочого простору. Крім того, завантаження відбитих шматків вугілля на транспортний засіб передбачає високу міцність його конструкції. З погляду повноти забезпечення вищеперелічених вимог скребковий конвеєр є єдиним і незамінним транспортним засобом при видобутку вугілля. Проте, з погляду довговічності, безперебійності роботи і економії металу, скребковий конвеєр володіє масою недоліків, вирішення яких значно поліпшить умови експлуатації конвеєра, а також приведе до зниження собівартості вугілля.
Мета і задачі
Метою даної роботи є виявлення і оцінка значущості по критерію ресурсу тягового органу гармонік збурення на приводній зірочці скребкового конвеєра. Для досягнення вказаної мети сформульовані наступні основні задачі: - вивчити кінематику зачеплення круглоланкового (кільцевого) ланцюга із зіркою і визначити джерело вимушених коливань ланцюга; - розробити універсальний алгоритм розкладання періодичних функцій в ряд Фур’є в системі MATHCAD, отримати спектри частот вимушених коливань для різних моделей конвеєрів; - отримати ряд частот основного тону і подальших обертонів власних коливань на прикладі конкретного конвеєра; - порівняти отримані спектри частот власних і вимушених коливань і виявити частоти, при яких можливий резонанс, оцінити ресурс ланцюга в режимах, що розглянено.
Основна частина
Згідно [13] можна виділити наступні причини, що викликають коливання тягового органу: - взаємодія приводної зірочки з ланками ланцюга. При цьому в тяговому органі виникають подовжні пружні удари з частотою:
де n - частота обертання приводної зірочки конвеєра, об/хв; z - число зубів приводної зірочки; - взаємодія приводної зірочки з шкрябаннями тягового органу. Шкрябання підводять ланцюг при проходженні через зірочку, що приводить до виникнення динамічних навантажень в ланцюзі з частотою:
де
- взаємодія місць сполучення риштаків з ланками ланцюга. Це викликано тим, що ланцюг минає стик по ламаній лінії. В цьому випадку частота коливань ланцюга визначається по формулі:
де - наслідки зіткнень ланок біля місця сполучення риштаків. Частота коливання ланцюга в цьому випадку дорівнює:
де
Також важливе місце в коливальних процесах мають частоти власних коливань ланцюга. Коливання (1), що виникають від збурень ланцюга на приводній зірочці обумовлені кінематикою зачеплення ланцюга із зіркою. На рисунку 2.1 показана схема набігання ланцюга на зірочку [14]. .
На рисунку 2 приведена просторова картина зачеплення круглоланкового ланцюга із зіркою, а також позначені основні параметри зачеплення; крок ланцюга, центральний кут зірочки і радіус початкового кола зірочки.
Аналіз кінематики зачеплення показав що функції швидкості та прискорення є періодичними, отже згідно [15] можуть бути представлені в вигляді суми ряду. Аналізуючи матеріали [1], можна зробити висновок, що коливання тягового ланцюга при зачепленні відбуваються по закону прискорення. Таким чином, розглянемо цілий ряд гармонік функції прискорення, який можна отримати розкладанням функції прискорення в ряд Фур'є згідно [15]:
Результатом розкладання в ряд фур'є є графіки наведені на рисунку 3.
Використовуючи формулу (6) можна отримати спектр частот відповідно до кожної з гармонік:
За результатами наведено гістограму, яка показує частоту збурень кожної з 12 найбільш значущих гармонік, а також показує їх частку в % у значенні амплітуди прискорення руху ланцюга. Гістограма приведена на рисунку 4.
Дослідження частот власних коливань ланцюга конвеєра необхідне для того, щоб визначити найбільш небезпечні частоти збурень на приводній зірочці конвеєра при формуванні динамічних навантажень на тяговий орган. Небезпечними є резонансні частоти, тобто співпадаючі за значенням частоти власних коливань з частотами збурень (гармонік). Аналізуючи отримані раніше дані, можна зробити висновок, що найбільший вплив при формуванні динамічних навантажень можуть надати частоти перших трьох гармонік, оскільки вони складають значну частку від амплітудного значення прискорення ланцюга, а саме 64,7%, 32,0% і 21,2 % відповідно. Згідно (7) можна визначити частоти власних вільних коливань відповідно для закритичного та докритичного первинного натягнення ланцюга;
Отже, при закритичному натягненні резонансними є відповідно частота обурення від першої гармоніки і частота першого обертону власних коливань, частота обурення другої гармоніки і частота третього обертону власних коливань, а також частота обурення третьої гармоніки і частота п'ятого обертону власних коливань. Подальші пошуки резонансних частот проводити не доцільно, оскільки навіть за наявності таких вони не здійсняють суттєвого впливу на зростання динамічних навантажень, що обумовлено значним зменшенням долі подальших гармонік в амплітуді прискорення і стрімким віддаленням частот обертонів від частоти основного тону власних коливань. При докритичному первинному натягненні тягового органу поява резонансу маловірогідна, оскільки збігу частот власних коливань з частотами вимушених коливань не спостерігається. Для наочності частоти власних і вимушених коливань зобразимо в порядку зростання значення частоти у вигляді гістограми, рисунок 5. На отриманій гістограмі частоти, позначені «с», відносяться до частот власних коливань, а частоти, відповідно позначені «в», відносяться до частот збурень на приводній зірочці скребкового конвеєра.
Розглядатимемо випадок, коли перші три частоти обурень дають резонанс відповідно з частотами 2-го, 4-го і 6-го тонів власних коливань. Як зазначено раніше це відбувається при довжині конвеєра 54 м. Також вивчимо випадок, коли резонанс відсутній взагалі і випадок, при якому наявність резонансу можлива тільки починаючи з третьої частоти обурень. Відсутність резонансу серед найближчих частот обурень можлива, коли відношення власних і вимушених частот не можна представити у вигляді звичайного дробу, біля якого чисельник і знаменник відносяться до розряду одиниць. Це можливо, наприклад, при довжині конвеєра 46 м . Виникнення резонансу, починаючи з третього збурення, можливо при відношенні частот власних і вимушених коливань, вираженого у вигляді звичайного дробу, біля якого в чисельнику знаходиться 3, наприклад при відношенні 3/2, що можливо при довжині конвеєра 36 м. Для випадків, що досліджено, графіки динамічних навантажень в часі, отримані за результатами вищезгаданої програми, представлені відповідно на рисунку 6.
Величини максимальних динамічних навантажень, а також ресурс ланцюга з їх урахуванням для випадків, що було досліджено, надано в таблиці.
Таблиця. Максимальні динамічні навантаження і відповідний ресурс ланцюга
Висновки:
1. Обґрунтована значна роль зовнішніх збурень на приводній зірочці скребкового конвеєра в точці набігання ланцюга у формуванні динамічних навантажень на тяговий ланцюг. Виявлено джерело зовнішніх обурень і необхідність вивчення цілого спектру частот, а також їх впливи на ресурс ланцюга. 2. Розроблена програма в системі MATHCAD для забезпечення точності та легкості розкладання періодичних функцій в ряд Фур’є. 3. Спектральне розкладання в ряд Фур’є функції прискорення точки набігання тягового ланцюга на приводну зірку для конвеєрів різних моделей. показало спільну закономірність: 6 гармонік мають питому вагу в амплітудному значенні прискорення руху ланцюга не менше 10%, найбільшу питому вагу мають перші три гармоніки.
На данному этапі магістерська робота знаходитсья в стадії розробки. Закінчення роботи планується на грудень 2009 року.
Перелік посилань:
1. Проектирование и конструирование транспортных машин и комплексов: Учеб. для вузов / Под ред. И. Г. Штокмана. –М.; Недра, 1986 - 392 с. 2. Штокман И. Г., Эппель Л. И. Прочность и долговечность тяговых органов/ М.; Недра, 1967, 231с. 3. Галкин Н. А. Усилия в звеньях тяговой цепи на звёздочках скребкового конвейера/ Известия вузов. Горный журнал, 1981, №3, с. 76-79. 4. Галфштенгель Г. Механизация транспорта массовых грузов. Ч. I-М. Госмашметиздат 1934 - 295 с. 5. Долголенко А. А. Динамические усилия в замкнутых тяговых органах подъёмно – транспортных машин.—В кн.: Новая подъёмно – транспортная техника. М., Машгиз, 1943, с. 51 —6.1 6. Штокман И. Г. Динамика тяговых цепей рудничных конвейеров М., Углетехиздат, 1969 - 290 с. 7. Смирнов В. К., Крот В. П. О динамическом расчете скребкового конвейера.—В кн.. Вопросы рудничного транспорта, М., Недра, 1965 №9, с.91-104 8. Беленький Д. М. Магистральные конвейеры. M., «Недра», 1965 - 220 с 9. Беленький Д. M.. Пластинчатые конвейеры. М., «Недра». 1971 - 183 с. 10. Маценко В. Н. Моделирование тягового органа цепных конвейеров— В кн. : Разработка месторождений полезных ископаемые №3, Киев, «Техника». 1965 - 326 c. 11. Михайлов Ю. И., Хван А. П., Терещенко В. Н. Параметрические колебания тяговой цепи конвейера/ Изв. вузов. Горный журнал, 1984, №4, с.65 – 68 12. Чугреев Л. И. Динамика конвейеров с цепным тяговым органом/ М., Недра, 1976 - 162с. 13. Берман А. В. Методика оценки динамических нагрузок в тяговом органе. 14. Спиваковский А. О. Общая теория конвейеров. Учебное пособие, М. 1964 - 68 с. 15. Корн Т. М., Корт Г. А. Справочник по математике для научных работников и инженеров/ «Лань», 2003 – 832 с. 16. Хорин В. Н. Скребковые забойные конвейера. М., Недра 1981 - 159 с.
|
|
© Платонов Леонид - 2009 |