XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020
Разработка элементов методики расчетов става поворотного конвейера с учетом движения скребкового тягового органа.
КомментарииПолная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Разработка поворотных конвейеров в любой зоне их става, позволяет автоматизировать процессы выемки пластовых месторождений камерным способом, который становиться все более популярным в связи с исчерпанием запасов, залегающих в идеальных горно-геологических условиях.
Мы рассмотрим конструкцию таких конвейеров и особенности технологии их использования, а также методы расчета нагруженности узлов и деталей в зоне поворота.
Поворотные конвейера также необходимы для транспортирования материалов в криволинейных выработках, это уменьшает необходимость дополнительных перегрузочных пунктов, а также сократит длину, а значит и затраты на их проходку и поддержание.
Программы семейства Adams используются для разработки и совершенствования конструкций фактически всего, что движется – от простых механических и электромеханических устройств до автомобилей и самолетов, железнодорожной техники, космических аппаратов и т.д.
Характерной особенностью и большим достоинством программного пакета Adams является эффективный и чрезвычайно дружественный графический интерфейс пользователя. Используя этот интерфейс, пользователь пакета Adams имеет возможность быстро разработать расчётную модель изделия строя ее на базе геометрических примитивов, создаваемых непосредственно в препроцессоре или на базе геометрических моделей компонентов изделия, импортируемых из CAD-систем, задать связи компонентов модели (упругие, демпфирующие, кинематические и др.), приложить нагрузки, запустить расчет и проанализировать его результаты. Интерфейс пользователя пакета Adams включает эффективные средства анализа результатов, которые позволяют в сжатые сроки наметить пути к совершенствованию расчётной модели и добиться максимальной близости её свойств к характеристикам реального динамического процесса, изделия-прототипа или результатам испытаний физического образца разрабатываемой машины.
Раньше на получение сведений о характеристиках работы будущего изделия уходили недели, месяцы, а в некоторых случаях и годы, требовались огромные средства. Теперь же, используя Adams, можно получить представление о работе разрабатываемого изделия ещё до начала раскроя металла или отливки пластика для изготовления опытного образца. Начиная с самых ранних стадий проектирования, можно видеть как будет работать машина и улучшать ее функционирование. Применение Adams позволяет исследовать десятки, сотни и даже тысячи вариантов конструкции, сравнивать и выбирать лучший, совершенствовать и совершенствовать будущее изделие, тратя на это во много раз меньше времени и средств, чем при использовании традиционных подходов.
1 Известные конструкции
Известны поворотные конвейера с постоянно расположенной по длине става зоной поворота, например в некоторых нарезных агрегатах используются одноцепные погрузчики с поворотом к конвейерной ветви к зоне погрузки (на другой конвейер или вагонетки). В первом случае дополнительный конвейер располагают телескопически к погрузчику, так что бы комбайн мог вынимать забой перемещаясь в глубь, а погрузка на конвейер осуществлялась непрерывно, рисунок 1. Как следует из анализа работы таких нарезных агрегатов погрузчик вы полненный в виде одноцепного углового конвейера с поворотом на 90 градусов работает устойчиво. Впервые подобные системы были применены в Караганде на ш. Тентекская в агрегате безлюдной выемки Тентек 2КБ, хотя поломки скребков фиксировались и происходили за счет их консольности.
Также существуют поворотные конвейера с постоянно расположенной по длине става зоной поворота, например такие системы используются на фабриках, заводах для транспортирования сельскохозяйственной продукции, рис. 1 – 3. Во всех случаях полотно конвейера созданное в соответствии с требованиями для стационарных зон поворота работает стабильно. Однако приводные усилия не большие и никак не могут сравниваться с усилиями действующими для конвейеров в горной промышленности, транспортирующих твердые минеральные ископаемые на сотни метров, с общим тяговым усилием в десятки тс. Так лента конвейер – поезда ф. Joy выполнена в центре из кевлара, по бокам из мягкой резины, что позволяет ей сжиматься и рсатягиваться, обеспечивая поворот на 90 градусов, при ширине ленты 1 м. И радиусе не менее 6 м. Конвейер поезд применяется при камерной выемке угольных пластов.
Рис. 1 Участок поворотного конвейера с возможностью поворота до 90 градусов: 1 ролик с приводом; 2 – выровненная часть; 3 – зона поворота
Рис. 2. Поворотный радиусный конвейер модели «КМ»
Рис. 3 Поворотный конвейердля промышленности с пластиковой модульнойлентой
Рис. 4 Поворотный конвейер разработанный в КарГТУ
1 – звездочка, 2 – цепь, 3 – рештак, 4 – проушина, 5 – натяжная станция, 6 - скребок
2 Разработки КарГТУ
Для камерной выемки необходимы устройства, где зона поворота должна распологаться в любом месте става конвейера.
В патенте КарГТУ для этого предназначены силовые устройства и смыкающиеся и размыкающиеся шарниры расположенные с обеих сторон рештаков с каждой его стороны. Так, что при повороте на право - правый
шарнир сомкнут, а левый разомкнут и наоборот. Образующиеся зазоры закрыты секторными упругими листами расположенными под средними листами рештаков с секторными боковинами, таким образом, что бы возможность поворотов рештаков друг относительно друга в вертикальной плоскости сохранялась. При этом цепь скребков расположенна в середине. Система управления шарнирами автоматизированна. Данная конструкция показана на Рисунке 4.
Рис. 5. Схема двухстороннего поворотного скребкового конвейера: 4-рештак; 5- средний лист; 6- упругие сегменты; 7 – отражатель; 8-
приводной фиксатор слева; 9- опора скребка; 11- ограничитель скребка; 12- сектор с отражателем; 13-приводной фиксатор справа (в частности, гидроцилиндр); 14-скребок
Рештаков для двухстороннего поворотного конвейера, например, для лав могут разделяться на 2 типа. В одном из них средний лист,разделяющий его на рабочую и холостую полость выполнен с прикреплёнными в нижней части упругими сегментами 6. Так, что последние дугообразными выступами заходят под соседние средние листы с обеих сторон. Упругий сегмент 6 среднего листа выполнен в виде сектора, дуга 7, которого имеет длину обеспечивающую перекрытие угловых зазоров возникающих при взаимном развороте рештаков 4. Возможна и иная конструкция рештаков, когда один из упругих сегментов 6 выполняется сверху среднего листа 5. В этом случае при движении цепи на лево в рабочей полости и на право в холостой полости скребки не смогут зацепить консольную часть упругих сегментов 6, так как их расположение - по
Рис. 6
направлению движения цепи и даже в случае случайной деформации упругих сегментов их поломки не произойдёт. При этом угол разворота может достигать 15˚. Таким образом, для разворота линии транспортирования на 90˚ используется, в частности, до 6 специальных рештаков. Привод конвейера одно-цепной, а скребки по краям имеют вмонтированные звенья цепи 11, что обеспечивает необходимую жесткость расположения скребков, ограничивает их поворот относительно тяговой цепи, что необходимо для контактирования опор в виде катков 9 с рештаками и предупреждения перехода траектории цепи в линию вместо формы параллельной оси развёрнутых рештаков. На рисунке 5 (рештак условно не показан) сечение левой половины рештака (площадь попадающая в сечение выделена черным цветом): 18 – боковина; 17– опора скребка (в, частности, каток); 19 – направляющий борт ; 16- опорное звено цепи (для контактирования с направляющим бортом 19); 11– скребок рабочей (верхней) и холостой ветви; 20 - направляющий бортик; 21- тяговая цепь; 22 – болт крепления скребка к звену тяговой цепи. Скребки 11 конвейера можно применить и с криволинейным оформлением концов скребков – опор 17, что предусмотрено регламентом их изготовления стандартных конвейеров известных фирм, при этом установка опорных звеньев цепи может производится по заказу (эти условия представляет завод изготовитель или на местах). Опорное звено цепи 16, а значит и скребок 11 удерживаются в рамках радиуса поворота направляющими бортами 19, а также, например, направляющим бортиком 20. Для определения оптимальной конструкции (с направляющими элементами или без них) необходимы экспериментальные и теоретические исследования, причем известный опыт говорит о том что, первые эксперименты показали работоспособность конструкции при центральном расположении цепи и без элементов направляющих, образующих замкнутое пространство с обеих сторон рештака как это показано на рисунке 6.
3 Применение
Для чего нужен такой конвейер или его модификации. В первую очередь сегодня на шахтах и рудниках необходимы новые производственные системы добычи так как лавы исчерпали свои возможности. А при выемке рудных месторождений прогресс в области механизации практически остановился из за большой крепости пород необходимости БВР и цикличным, в связи с этим характером работ. Мы предполагаем применение короткозабойных (камерных) систем, приведенных в КарГТУ. Кроме того выработки на шахтах и особенно рудниках проводятся в основном прямолинейными, что объясняется наличием прямолинейно работающей конвейерной техникой, хотя это не выгодно во многих горно-геологических условиях. Поэтому при наличии криволинейных выработок нужны и соответствующие конвейера (Такие выработки имеются и сейчас, однако их может быть гораздо больше, что горному производству выгодно из – за сокращения трасс транспортирования). Кроме того погрузчики горных машин должны иметь изгибающийся став, что важно для эффективной погрузки на другие конвейера, вагонетки и т.д. обеспечивая автономную работу при забойных погрузчиков и часть осуществляющей погрузку на транспортные средства рисунок 5.
- Имеются криволинейные выработки и необходимо обеспечить транспортирование на основе изгибающихся конвейеров (Разрезы, шахтные выработки);
- Обеспечения непрерывной коротко-забойной выемки пластовых и рудных месторождений;
Погрузчики с изменяемой зоной погрузки (проходческие комбайны, погрузчики).
Рис. 7
Область применения и конструктивное исполнение поворотных конвейеров
|
№ |
Область применения |
Тип конвейера |
Возможности поворотов |
Локализация механизмов поворотов |
|
1 |
В лавах на сопряжениях очистной и транспортной выработки |
Скребковый |
Односторонний |
На сопряжении лавы и транспортной выработки с односторонним поворотом |
|
2 |
В криволинейных выработках или трассах, когда прямолинейное транспортирование затруднено или невозможно |
Скребковый и ленточный (до 45 градусов) |
Односторонний |
Только в зонах поворота |
|
3 |
В коротких лавах с разворотами лавы и выемкой от центрального штрека в обе стороны |
Скребковый и ленточный (при разработке специальной ленты) |
Двусторонний |
По всей зоне става |
|
4 |
В коротких лавах с разворотом лавы и выемки штрека, расположенного с края выемочного столба |
Скребковый и ленточный (при разработке специальной ленты) |
Односторонний |
По всей зоне става |
|
5 |
В коротких лавах с широкозахватной выемкой с заездом в лаву конвейер-поезда |
Скребковый конвейер-поезд |
Односторонний |
По всей зоне става |
|
6 |
В камерных системах выемки при подземной и открыто подземной добыче |
Скребковый конвейер-поезд |
Односторонний, при работе со штреками с края столба двухсторонний при работе с центрального штрека |
По всей зоне става |
|
7 |
На рудниках для работы на тупиковых участках с заторами и неудобными трассами для самосвальной техники |
Скребковый |
Двусторонний |
По всей зоне става |
|
8 |
В зонах перегрузки, где ведутся буро-разрывные работы, включая и нужны МЧС |
Скребковый |
Двусторонний |
По всей зоне става |
|
9 |
На заводах, фабриках, при транспортировании тяжелых насыпных абразивных грузов и в условиях дефицита объема помещений |
Скребковый и ленточный (до 45 градусов) |
Односторонний |
Только в зонах поворота |
4 Особенности моделирования в ADAMS
Сложность математических моделей при имитации производственных операций неизбежно ведет к широкому использованию численных
методов и созданию специализированного программного обеспечения. В процессах:
– составление программы;
– отладка;
– расчет
Второе звено занимает больше времени, чем остальные два. Это связанно с невозможностью избежать ошибок при программировании, а затем с их поиском. Ошибки допускаются и при модификация или адаптации программы ее к новой задаче. В результате происходит значительная потеря времени. Кроме того программы созданные отдельными программистами, как правило, используют различный формат входных и выходных данных, различные численные методы и алгоритмы расчета. Это сильно затрудняет совместное использование нескольких программ, например, для проверки корректности результатов, а так же обмен данными между различными программами при решении совместных задач.
Преодоление этих проблем привело к созданию вычислительных пакетов, то есть программных продуктов, предназначенных для решения необычайно широкого круга задач и при этом использующих стандартные способы ввода-вывода исходных данных. К первым из таких пакетов программ, получивши мировую известность можно отнести пакет ANSYS, который позволяет решать задачи в области деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, электромагнетизма и др. Позже появились специализированные пакеты – NASTRAN, LS-DYNA, STAR-CD и рассматриваемый ниже пакет ADAMS. Все вычислительные пакеты функционально состоят из
трех основных частей:
1. Предпроцессор – программа позволяющая задавать геометрические и физические параметры модели, а так же начальные и граничные условия. Обычно в предпроцессор закладываются геометрические и физически свойства простейших элементов и материалов. Можно сказать, что предпроцессор это с одной стороны, графический редактор, где изображение строится по уже готовым эскизам, с другой стороны это инструмент для задания всех исходных данных модели. Кроме того, предпроцессор отвечает за импорт данных из других вычислительных пакетов. Это позволяет для решения составной задачи использовать несколько различных вычислительных пакетов, применяя к каждой части задачи именно тот пакет, который дает наиболее точное решение.
2. Процессор или решатель (solver) это программа, предназначенная для численного решения уравнений, описывающих поведение созданной модели, с исходными данными, заданными в предпроцессоре. Один и тот же решатель может использовать различные методы интегрирования уравнений. В вычислительном пакете можно использовать различные решатели по желанию пользователя.
3. Постпроцессор отвечает за обработку результатов вычислений. Он используется для построения графиков, различных величин. Экспорта исловых и графических данных, построения анимационных роликов для наглядного представления работы модели.
Рис. 8
ADAMS/View предназначен для создания, тестирования и оптимизации работы моделей механизмов и конструкций, состоящих из абсолютно твердых тел и их соединений (шарниров, нитей, пружин и т.д.).
Создание модели подразумевает описание всех ее характеристик: геометрических размеров, физических свойств, способов соединения подвижных и неподвижных частей, задание действующих сил и моментов, начального положения элементов модели и их скоростей.
Этап тестирования модели включает в себя моделирование поведения частей модели под действием приложенных сил и заданных движений и выявление критических параметров, наиболее сильно влияющих на эффективность работы модели в целом.
Оптимизация модели заключается в определении таких значений критических параметров модели, при которых ее работа будет наиболее эффективной.
Задачи решаются за счет лианеризации уравнений динамики и в данном случае имеем не простую схему включающую гибкие связи (цепи) и элементы связанные с рештаком определенными граничными условиями. При наличии гибких связей возникают колебания и их особенности, например, изложены в работах анализ которых приводиться ниже, они решаются на основе Adams.
Цель работы - моделирование упрощенной модели конвейера, для исследования динамики поворота. Например, при моделировании упрощенной модели конвейера силы под действием собственного веса действуют вниз. В реальном поворотном скребковом конвейере на борт рештаков действуют силы отпора скребков. Очевидно, если будет получено решение для деформации «подвешенного конвейера» то оно позволит легко перейти к воздействию скребков на борта с измененным направлением действия сил.
На основе моделирования скребков рештака в курсовой работе по теме «Разработка элементов изгибающегося скребкового конвейер – поезда» продолжаем моделирование конвейера.
1. Построим рештак с размерами: Длина - 120 см, Высота - 60 см, Ширина - 20 см с помощью команды Bodies > RigidBody > Box
Рисунок 1
2. Аналогично построим второй и третий рештаки вплотную с такими же размерами.
Рисунок 2
3. Построим проушину в правом верхнем углу 1-го рештака с размерами: Длина- 20см, Высота- 20см, Ширина-20см с помощью команды Bodies > RigidBody > Box
Рисунок 3
4. Построим проушину в левом верхнем углу 2-го рештака с размерами: длина- 20см, высота- 20см, ширина-20см с помощью команды Bodies >RigidBody > Box
Рисунок 4
5. Аналогично построим остальные проушины.
Рисунок 5
6. Жестко закрепляем проушину и рештак в левом углу с помощью команды Connectors > CreateaFixedJoint.
Рисунок 6
7. Аналогично жестко закрепляем отсальные проушины с рештаками.
Рисунок 7
8. Закрепляем две рядом стоящие проушины с помощью команды Connectors > CreateaRevolutejoint.
Рисунок 8
9. Аналогично закрепляем другие проушины.
Рисунок 9
10. Построим еще одну проушину с помощью команды Bodies > RigidBody > Box.
Рисунок 10
11. Построим рычаг между 2 проушинами с помощью команды Bodies > RigidBody > Cylinder
Рисунок 11
12. Закрепляем проушину с рычагом с помощью команды Connectors > Create a Revolute joint.
Рисунок 12
13. Аналогично закрепим другую проушину
Рисунок 13
14. Жестко закрепляем проушину Connectors > Create a Fixed Joint.
Рисунок 14
15. Построим проушину в нижней части 1-го рештака с размерами: длина- 20см, высота- 20см, ширина-20см с помощью команды Bodies > RigidBody > Box
Рисунок 15
16. Аналогично строим другие проушины.
Рисунок 16
17. Жестко закрепляем проушину и рештак в левом углу с помощью команды Connectors > CreateaFixedJoint.
Рисунок 17
18. Аналогично закрепляем другие проушины .
Рисунок 18
19. Построим 2 цилиндра с размерами:длина-50см,радиус 3 см с помощью команды Bodies > RigidBody > Cylinder
Рисунок 19
20. Аналогично построим 2 цилиндра с размерами:длина-50см,радиус-2см.
Рисунок 20
21. Построим соединение двух цилиндров с указанием направления с помощью команды Connectors-CreateaCylindricalJoint.
Рисунок 21
22. Аналогично построим соединение двух цилиндров с указанием направления с помощью команды Connectors > CreateaCylindricalJoint.
Рисунок 22
23. Включаем симуляцию для проверки работоспособности конвейера .
Рисунок 23
24. Три вида конвейера :сверху,сбоку и изометрия.
Рисунок 24
25. Добавляем еще один рештак справа - командой Box и задаем размеры
Рисунок 25
26. Удаляем проушину и закрепление справа от предыдущего рештака - командой ПКМ >Part_22 > Delete
Рисунок 26
27. Заново добавляем проушину на предыдущем рештаке, а также на новом - командой Box и задаем размеры
Рисунок 27
28. Добавляем еще одну проушину на новом рештаке и жестко закрепляем свойством OnGround
Рисунок 28
29. Добавляем проушины и соединяем их цилиндрами – командами Box и Cylinder, задаем размеры
Рисунок 29
30. Закрепляем проушину замком – командой Connectors > Fixed Joint
Рисунок 30
31. А также вторую
Рисунок 31
34. Включаем симуляцию - командой Simulation > InteractiveSimulation, можем заметить что все работает
Рисунок 32
35. Вид конвейера в изометрии
Рисунок 33
Представленная модель была разработана в рамках СНФ 2019 при этом она была усовершенствована и выполнена с учетом возможностей поворота в обе стороны става на 90 градусов. При этом удалось обойтись теми же самыми конструктивными элементами поворотного конвейера, а также удалось уменьшить количество гидрооборудования, что резко сократило расходы на изготовление. Имитационное моделирование с применением шарнирных и поворотно поступательных систем полностью подтвердило работоспособность схемы собранной по новому принципу. На конструкцию подана заявка на Евразийский патент и получено решение о готовности его выдать. С учетом результатов моделирования на заводе КарГорМашМ были изготовлены полноразмерные секции конвейера, рисунок 34.
Рисунок 34
Ррисунок 35.
Заключение
Мы научились работать в программе AdamsView 2017, научились разрабатывать расчётные модели исследуемых изделий, в максимальной степени учитывающих особенности их конструкции, включая высокую идентичность внешнего вида, что во многих случаях облегчает построение моделей, их отладку и анализ полученных результатов, научились выполнять расчёт параметров изделий, определяющих их работоспособность и точность (перемещения, скорости и ускорения компонентов изделия, действующие нагрузки, габариты пространства, необходимого для движущихся частей машины и т.п.). Рассмотрены конструкции поворотных конвейеров и особенности технологии их использования, а также методы расчета загруженности узлов и деталей в зоне поворота. В отличии от имеющихся систем особенно в легкой промышленности такие конвейера должны обеспечить поворот в любой зоне става при их непрерывном движении. В этом случае решается задача автоматизации процессов выемки пластовыхместорождений камерным способом, который становиться все более популярным в связи с исчерпанием запасов, залегающих в сложных горно-геологических условиях
Поворотные конвейера особенно необходимы для транспортирования материалов в криволинейных выработках, это уменьшает необходимость дополнительных перегрузочных пунктов, а также сократит длину, а значит и затраты на их проходку и поддержание. Выполнен анализ элементов расчета ленточного конвейера в зоне поворота.
В данной задаче было рассмотрено взаимодействие рештаков конвейера при их закреплении у устья выработки и на проходческом комбайне. Получены решения об устойчивости става рештаков, а также нагрузка в действующих шарнирных опорах, это позволит полностью рассчитать став поворотного конвейера при движении нагруженного тягового органа.
Имитационное моделирование с применением шарнирных и поворотно поступательных систем полностью подтвердило работоспособность схемы собранной по новому принципу. На конструкцию подана заявка на Евразийский патент и получено решение о готовности его выдать. С учетом результатов моделирования на заводе КарГорМашМ были изготовлены полноразмерные секции конвейера.
Список использованных источников
1. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки про- мышленных информационных систем. Караганда, 2010, изд-во КарГТУ, 207с.
2. Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жолдыбаева Г.С, Шманов М.Н., Малы- баев Н.С., Автопроектирование горных машин в 3 d: проектно-модельный под- ход. Караганда, 2016, изд-во КарГТУ, 209с.
3. Бейсембаев К.М., Мендиенов К.К. , Шманов М.Н., Зверев Н.А., Есма- гамбетов А.Б., Разов И.О.Особенности расчёта рычажных конструкций для но- вых технологий добычи пластовых месторождений// Успехи современного естествознания - 2014.- Москва, "Академия Естествознания", № 9 часть 2, с. 137-142
4. Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жетесов С.С., Шманов М.Н., Малыбаев Н.С., Курманов С.Т., Алпысов С. Угловой скребковый конвейер
5. Бейсембаев К.М. Демонстрационная разработка элементов баз авто- управления //Современные наукоемкие технологии№ 9, 2015, с.. 9-13
6. 7.Бейсембаев К.М., Шащянова М.Б. Основы системного анализа в базах данных.Караганды, Болашак-Баспа, 2008, 208 с.
7. Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жетесов С.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н Практические и исследовательские аспекты разработки горных машин в 3 d монография. Караганда, 2012, изд-во КарГТУ, 135с.
8. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика / Москва, «Высшая школа», 2007, 199с.
9. Поляков К.А. Создание виртуальных моделей в пакете прикладных про- грамм ADAMS , учебное пособие, Самара 2003, электронный вариант
10. BasicADAMS/FullSimulation (ADM 701)/ -М: Московское представительство MSC.SoftwareGmbH, 2005 – 754. с.
11. Мелентьев В.С., Гвоздев А.С. ADAMSView, краткий справочник пользователя: Учебное пособие. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. – 105 с.
12. Ибраева А.М. «Разработка элементов изгибающегося скребкового конвейер – поезда», Научная студенческая работа, Караганды: КарГТУ; 2016 – 36c.