Совершенствование метода определения нагрузок и снижения металлоемкости цепных конвейеров

В машиностроении и многих других отраслях промышленности с массовым и крупносерийным производством широко применяются цепные конвейеры [67, 72, 73, 78, 79]: Ответственность данного* типа машин обуславливает высокие требования к надежности и экономичности' при эксплуатации [14, 36, 44, 52, 53, 61, 69, 74], которые напрямую связаны с конструктивными особенностями машин, методами прочностного и усталостного расчета, а главное, с достоверным определением действующих нагрузок.

Увеличение интенсивности грузопереработки на предприятиях требует повышения^ производительности транспортирующих машин, что обеспечивается увеличением количества груза на единице длины трассы или скоростей транспортирования.

Первая возможность связана со значительным повышением статической нагруженности конвейера, высокой металлоемкостьюходовой и опорных частейвысокими приведенными затратами на перевозку груза. Проектировщики чаще всего проблему повышения производительности решают именно таким образом. Чтобы снизить металлоемкость конвейеров можно идти: несколькими путями: повышать? скорость транспортирования, привод устанавливать в месте трассыкогда, минимальное усилие в тяговом органе будет наименьшим, — конвейеры большой длины делать многоприводными.

Вместе с тем важнейшей задачей является достоверное определение нагрузок на узлы и механизмы конвейеров, что так же приведет к снижению металлоемкости.

Скорости транспортирования в цёпных конвейерах обычно связаны с технологическим процессом, условиями загрузки и разгрузки, характеристиками грузов и не превышает одного-двух метров в секунду. Увеличение скорости неизбежно ведет и к повышению динамических нагрузок различной природы. Это нагрузки, возникающие в моменты пуска и торможения, нагрузки вызванные кинематикой зацепления, нагрузки, возникающие при различных сопутствующих процессах, таких как разгрузка или загрузка, стопорение или зацепление тележек с грузом.

Важнейшей проблемой теории цепных конвейеров является определение усилий, вызванных кинематикой зацепления привода с шарниром тяговой цепи. Данной проблемой занимались многие известные ученые — Ганфштенгель Г. Г., Долголенко A.A., Штокман И. Г и целый ряд других ученых. Но использование созданных ими методик не позволяет достоверно определять нагрузки, которые могут отличаться от действительных в несколько раз.

В последнее время разработаны динамические модели, которые применены к расчету дополнительных нагрузок, возникающих в первой полуволне упругих колебаний. В то же время изучению волновых процессов, таких как явление интерференции волн, до настоящего времени не было уделено должного внимания.

Широкое^ применение в промышленности многоприводных систем обусловлено рядом преимуществ [106, 118, 120, 121]. Динамика таких комплексов рассмотрена в ряде работ последних лет [76, 77]. Не смотря на это, данная проблема требует дополнительных исследований.

Необходимость более точного определения динамических усилий при учете влиянияволновых процессов и создания более точного алгоритма их определения вызвали потребность в разработке новой обобщенной модели динамических явлений и ее реализации в виде программного продукта.

Для решения обозначенной научно-технической проблемы были определены следующие основные задачи исследований:

1. Проанализировать известные методы расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах, определить возможность их использования и степень приближения к реальным условиям.

2. Разработать комплексную динамическую и математическую модель с учетом основных факторов, влияющих на колебательный процесс всей совокупности цепных как одноприводных, так и многоприводных конвейеров.

3. Разработать алгоритм решения математических уравнений комплексной модели, позволяющий с большой степенью достоверности определять основные параметры динамического процесса и отвечающий современным возможностям вычислительных машин.

4. Оценить достоверность методик определения упруго-вязких характеристик элементов цепных конвейеров сравнением их с данными существующих экспериментальных исследований и создать алгоритм их теоретического определения.

5. Оценить влияние конструктивных параметровг машин-на динамические нагрузки и ее собственные частоты.

6. Осуществить проверку степени приближения теоретических решений к действительным процессам в конвейерах с цепным тяговым органом.

По результатам исследований, выполненных и представленных в диссертациина защиту выносятся положения, обладающие научной новизной:

1. Обоснование необходимости совершенствования методики определения динамических нагрузок в цепных, конвейерах, опирающейся на анализе известных работ и проблем проектирования машин данного класса.

2. Комплексный подход к созданию динамических и математических моделей рабочих процессов конвейеров с цепным тяговым органом, и алгоритма их реализации.

3. Результаты исследований по определению упругих параметров цепных тяговых органов конвейеров с использованием метода конечных элементов.

4. Результаты исследований по учету внутреннего трения в тяговом органе.

5. Результаты исследований волновых процессов в цепных конвейерах, включая явления интерференции.

Совокупность представленных к защите положений следует квалифицировать как решение научной задачи, заключающейся в раскрытии сложных динамических процессов, сопровождающих работу цепных конвейеров, совершенствовании динамических и математических моделей по определению нагрузок и использовании полученных результатов для создания более совершенного транспортирующего оборудования, имеющего важное народно хозяйственное значение.

Достоверность научных положений и выводы по работе базируются на накопленном опыте теоретических исследований, проектирования и реального воплощения в узлах и механизмах цепных конвейеровиспользовании апробированных методов вычислительной математики, теории колебаний и динамики машинматематического программированиянеобходимым объемом существующих экспериментальных данных, полученных предшественниками на стендах и полупромышленных установках, в производственных условиях.

На практике, использование предлагаемого метода требует применения специального программного обеспечения, но позволяет рассчитывать узлы и механизмы машин с учетом более точных данных об их действительном нагружении, а так же оценить возможности снижения нагрузок и металлоемкости путем изменения конструктивных и эксплуатационных параметров машины.

Основное содержание диссертации отражено в десяти печатных работах. Отдельные разделы работы докладывались на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах.

Работа выполнена на кафедре транспортных и технологических систем Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в 2009;2011 г. г.

4.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. При моделировании конвейерных систем учтены дополнительные факторы, в полной мере отражающие реальные процессы в машинах, что позволяет:

— оценить несостоятельность предложенных ранее методик расчета динамических нагрузок вызванных кинематикой зацепления привода;

— более точно определять динамические нагрузки в тяговом элементе конвейера и его элементах в установившемся режиме работы;

— определять изменения, в конструкции машин, позволяющие снизить дополнительные усилия. ,.

2. Анализ результатов расчетов по полным моделям конвейеров позволил сделать следующие выводы:

— аналитические методы определения динамической добавки часто дают значительно завышенное значение искомого параметра, которое прямо пропорционально нагруженности конвейера. Это показали еще исследования [76, 77, 81];

— дискретные модели, созданные профессором В. Н. Смирновым, использовались для определения максимальных динамических нагрузок вызванных кинематикой зацепления только в первой полуволне зацепления. Дискретность модели при этом была достаточно мала. Это не позволило оценить влияние процессов сопровождающих распространение упругих волн в тяговом органе, таких как явления интерференции и резонанса. Поэтому эти результаты нельзя сравнивать с данными полученными в данной диссертации;

— устойчивость используемого метода конечных разностей для решения основного уравнения динамики тягового органа не означает, что невозможна неустойчивость системы в целом. Это явление наблюдается в нескольких моделях коротких конвейеров, что, возможно, свидетельствует о возникновении резонансных явлений в одном из механизмов;

— учет отдельных грузовых единиц в системе снижает результирующие динамические нагрузки в среднем на 5−50% в зависимости от скорости транспортирования и длины трассы конвейера и параметров грузовых единиц;

— исследование динамических процессов в многоприводных системах показало, несостоятельность утверждений о том, что неравномерность нагрузки участков трассы и несинхронность работы приводов непременно ведут к повышению динамической добавки [77].

3. Моделирование резонансных процессов позволило сделать следующие выводы:

— выражения 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 позволяют достоверно определить собственные частоты тягового органа конвейера, но не учитывают влияния остальных механизмов машины, поэтому они применимы только для грубой оценки спектра;

— к резонансу в цепи приводят кинематические возмущения совпадающие по частоте с собственными, при этом для четного числа зубьев1 необходимо их совпадение с нечетными номерами собственных частот, для нечетного числа зубьев звездочки — с четными;

— введение в систему дополнительных динамических параметров устройств может значительно изменить состояние системы, сместив резонансную частоту и снизив интенсивность нарастания нагрузки. Исключением считается случай, когда сосредоточенное устройство располагается в области минимальных динамических возмущений и не оказывает значительного влияния на систему.

8. Совокупность исследований приводит к выводу о том, что не существует замкнутой аналитической зависимости между параметрами, вводимыми в модель, и получаемыми результатами. Поэтому, для получения более достоверных результатов необходим расчет для каждой возможной ситуации изменения динамических составляющих системы.

9. Сравнение результатов моделирования с данными стендовых испытаний показали достоверность определения искомых параметров при помощи комплексных моделей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным итогом диссертационного исследования является метод определения динамических нагрузок в тяговом органе цепных конвейеров построенный на принципе совмещения моделей различных узлов в? единую систему. Это" позволяет решать проблемы связанные с определением нагрузок при расчете и конструировании элементов конвейера. Также возможно-обосновать повышение скорости транспортирования и производительность при снижении динамической составляющей, тем самым-расширив внести вклад в совершенствование транспортно-технологического оборудования, используемого в условиях массового и крупносерийного производства.

Цель работы была-достигнута выполнением комплекса задач, включающих в себя:

1)? анализ известных методов расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах, определение возможности их использования и степени' приближения к реальным условиям;

2) разработку комплексной динамической и математической модель, с учетом основных факторов, влияющих на колебательныйпроцесс всей совокупности цепных как одноприводных, так и многоприводных конвейеров;

3) разработку алгоритма’решения математических уравнений комплексной" модели, отвечающего современным возможностям вычислительных машин;

4) оценку достоверности методик определения упруго-вязких характеристик элементов щепных конвейеров;

5) оценку динамических нагрузок возникающих при рабочих процессах цепных конвейеров, а также в резонансных режимах;

6) проверку степени приближения теоретических решений к действительным процессам в конвейерах с цепным тяговым органом.

Исследования могут быть использованы для всей гаммы машин непрерывного транспорта с цепным тяговым opгaнoм?

Полученные результаты позволяют достоверно определять усилия в тяговом органе цепного конвейера, а следовательно, повышать надежность машин и сокращать приведенные затраты на транспортирование груза.

Совокупность основных результатов работы может быть представлена в форме следующих кратких выводов:

1. Анализ существующего состояния исследований-по данной проблеме позволил сделать вывод о необходимости совершенствования метода расчета динамических нагрузок в цепных конвейерах.

2. Разработаны принципы создания комплексной модели цепных конвейеров состоящей из системы объединенных кинематико-силовым взаимодействием друг с другом моделей отдельных устройств. Модель тягового органа принята системой с распределенными параметрами и описывается уравнением в частных производных. Звездочный и гусеничный привода, отклоняющее, натяжное устройства, грузовые единицы представляются сосредоточенными моделями и описываются системами дифференциальных уравнений.

3. Разработана универсальная программа, позволяющая создавать модели цепных конвейеров по комплексному методу. При решении уравнения тягового органа используется конечноразностный метод построенный по неявно-явной схеме Кранка-Николсона. Уравнения описывающие сосредоточенные устройства решаются методом Рунге-Кутта 4-го порядка.

4. Усовершенствованы методы определения упруго-вязких параметров элементов цепных конвейеров. Это позволило учесть нелинейную зависимость между нагрузкой и деформацией тяговой цепи, рассеивание энергии упругих колебаний и тем самым более точно определить динамические нагрузки и другие параметры рабочих процессов конвейера.

5. Совокупность результатов исследований динамических моделей конвейеров привела к выводу о том, что полной картины о возможных динамических процессах возможно добиться только путем расчета по предложенным моделям. Умозаключения о влиянии, повышающем динамическое усилие, несинхронности зацепления приводов, неравномерности загрузки не состоятельны. Влияние параметров кинематики зацепления, например увеличение числа зубьев приводной звездочки для уменьшения динамической составляющей, так же не состоятельно. Особенно в случае близости частоты возмущений к собственной частоте системы.

6. Существующие экспериментальные исследования подтвердили достоверность результатов получаемых при использовании моделей построенных по комплексному методу.

В целом результаты исследований позволяют осуществлять расчет цепных конвейеров с учетом их реального нагружения, определять пути снижения нагрузок и повышения эффективности транспортирующих машин.

В работе доказана перспективность данного направления научных исследований, что позволяет прогнозировать дальнейшее расширение сферы его применения.