X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Известные конструкции

Известны поворотные конвейера с постоянно расположенной по длине става зоной поворота, например в некоторых нарезных агрегатах используются одноцепные погрузчики с поворотом к конвейрной 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.

Рисунок 1. Погрузчик с зоной поворота: 1- забойная часть погрузчика с консольными скребками 1, зона поворота 2; нормально расположенная к погрузчику часть конвейера 3.

1.2. Новые решения

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 2.

Рисунок 2. 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.

Рештаки для двухстороннего поворотного конвейера, например, для лав могут разделяться на 2 типа. В одном из них средний лист 5 рештаков, 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 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 5.

Данная система будет изготовлена в виде роботизированной модели в рамках платформы «Arduino IDE», под управлением операционных систем Windows, Mac OS и Linux, которая позволяет загружать новые программы с USB - соединением платы к компьютеру. Возможна работа и через другие IDE или непосредственно через командную строку. Система функционирует на основе языка С++.

Но 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, всвязи 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 горногеологических 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 конвейра, вагонетки и т.д. обеспечивая автономную работу призабойных погрузчиков и часть осуществляющей погрузку на транспортные средства рисунок 6.

Имеются криволинейные выработки и необходимо обеспечить транспортирование на основе изгибающихся конвейеров (Разрезы, шахтные выработки);

Обеспечения непрерывной короткозабойной выемки пластовых и рудных месторождений;

Погрузчики с изменяемой зоной погрузки (проходческие комбайны, погрузчики).

Рисунок 6.

2. Особенности моделирования

2.1. Назначение 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 избеждать 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.

Схематично разработку математической можно представить на следующей схеме (рис.1).

Рисунок 7.

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, изложенны в работах анализ которых приводиться ниже, они решаются как теоретическими методами, так и на основе Adams.

2.2 Исследования гибких систем

Нелинейная вибрация гибкого подъемного каната. Изучена нелинейная вибрация гибкого подъемного каната с изменяющейся во времени длиной. Гибкий подъемный канат моделируется как упругая нить с концевым грузом. Представлена систематическая процедура для выведения модели колебаний гибкого подъемного каната. Уравнения разработаны с использованием принципа Гамильтона, учитывая сцепление осевого перемещения и изгибную деформацию каната. Получены нелинейные дифференциальные уравнения с изменяющимися во времени коэффициентами. Для численного анализа результата уравнения используется MATLAB. Кроме того, для оценки теоретической модели выполняются эксперименты и моделирование и обнаружено, что экспериментальная данные согласуются с теоретическим материалом. Таким образом, подтверждается математическая модель гибкого каната подъемной системы. Результаты моделирования и эксперимента показывают, что гибкая система рассеивает энергию во время движения вниз (таким образом, стабилизированного), но получает энергию во время восходящего движения (таким образом, нестабилизированный).

В то время как канат используется в отраслях грузоподъемной промышленности, таких как шахтные подъемники, лифты, краны и т.д., он подвергается колебаниям из-за его высокой гибкости и относительно низких внутренних демпфирующих характеристик [1, 2]. Изучение проблем колебания канатов в подъемных системах привлекает широкое внимание[3 - 12]. Chi вычисляет собственные частоты, связанные с вертикальным колебанием стационарного каната в сочетании с кабиной лифта. Zhang [9] представил систематическую процедуру для получения модели системы кабельного транспортера с произвольно меняющейся длиной каната и предложил контроллер Ляпунова для рассеивания вибрационный энергии. Zhang и др. [10] вывели определяющее уравнение и уравнение энергии продольных колебаний подъемного каната с различной длиной.

Динамическая устойчивость каната также была изучена несколькими исследователями. Kumaniecka [11] исследовали продольно-поперечные колебания подъемного каната с медленой изменяющимися параметрами. Учитывая материал каната и его нелинейность, нестабильные участки были определены с применением метода гармонического баланса. Стабильность продольных и поперечных колебаний каната с произвольным изменением длины и различные граничные условия при этом были изучены Zhu и др. [12]. В то время, как амплитуда смещения может вести себя по-разному в зависимости от граничных условий, амплитуда вибрационной энергии переводится из среднего опускания и поднятия в расширение и втягивание соответственно.

Обширные научно-исследовательские работы над гибким подъемным канатом с изменяющейся во времени длиной были проведены в последние несколько десятилетий, как упомянуто выше, однако, большинство исследований были ограничены случаями с постоянной скоростью каната. Динамические характеристики гибкого подъемного каната произвольно изменяющейся длины являются предметом данного исследования. Основные уравнения разработаны используя расширенный принцип Гамильтона. Полученные уравнения приведены в нелинейные дифференциальные уравнения с переменными коэффициентами. При выборе надлежащего функционального режима, удовлетворяющего граничным условиям, решение основных уравнений было получено с помощью метода Галеркина. Для того чтобы оценить математическую модель, провелась экспериментальная настройка и некоторые эксперименты. При сравнении экспериментальных данных с моделированием получен благоприятный результат, что указывает на то, что предлагаемая математическая модель справедлива для гибкого подъемного каната. На основе предложенного фундаментального динамического анализа подобный метод контроля колебаний может быть принят для подобных подъемных систем с гибким тяговым органом.

Гибкая подъемная система может быть упрощена аксиально скользящим канатом с изменяющейся во времени длиной и концевым грузом, как показано на рис. 1. Канат имеет модуль Юнга E, диаметр D и плотность за единицу длины ρ. Начальные координаты установлены в верхнем конце ствола – мгновенная длина каната l(t) в момент времени t. Мгновенная скорость и ускорение каната являются v(t)=l'(t) и a(t) = v'(t) соответственно, где ' обозначает дифференцирование по времени. В любой момент t поперечное смещение каната описывается у(х; t) в пространственном положении х, где 0?х?l(t).

Следующие допущения ограничивают анализ:

Модуль Юнга, диаметр и плотность каната всегда постоянны.

Учитывается только поперечное колебание каната. Эластичное удлинение каната, возбужденного от поперечных колебаний значительно меньше, чем длина каната.

Жесткость на изгиб струны, трение и влияние воздушного потока игнорируются.

Рисунок 8 – Схема гибкого подъемного каната с изменяющейся во времени длиной

Чтобы проверить математическую модель, экспериментальная установка гибкой подъемной системы построена как на рис. 2 (а). Установка, имитируя подъемный лифт с упругим тяговым органом, состоит их тяговой системы, системы направляющих и системы сбора данных. Привеняется мотор преобразования частоты. Скорость вращения двигателя может регулироваться путем регулирования выход преобразователя для получения кривой движения системы подъема. Тонкий стальной канат с диаметром 3,2 мм выбран в качестве подъемного каната. Модель противовеса состоят из многих весов. Масса противовеса изменчива, возможно увеличение или уменьшение количества веса. Подъемный каната является основным объектом исследования, его поведение будет изучатся на данной модели установки. Микро-датчик с массой 4 г присоединен в определенном положении каната, чтобы измерять поперечного ускорение колебания каната. Сигналы от микро-датчика передаются на компьютер и сохраняются. Рис. 2 (б) дает фактическое описание экспериментальной установки.

Рисунок 9 – Экспериментальная установка: (а) Принципиальная схема экспериментальной установки и (b) реальная картиня экспериментальной установки для гибкой подъемной системы

2.3. Экспериментальная процедура

Рисунок 10 – Движение профиля гибкого каната: (a) l(t), (b) v(t), (c) a(t)

Разработаны имитационные модели для достижения различных основных параметров оценки, что имеет большое значение при решении нелинейных дифференциальных уравнений с изменяющимися во времени коэффициентами. В данной работе все численные анализы были выполнены с помощью MATLAB.

2.3 Экспериментальные результаты

Рисунок 11 – Свободные колебания гибкого подъемного каната на 0.5м выше противовеса во время движения вниз (А) и движение вверх (B): (а) кривая перемещения; (b) кривая скорости; (c) кривая разгона (моделирование); (d) кривая ускорения (эксперимент)

Рисунок 12 – Общее количество энергии, связанное с поперечными колебаниями каната во время движения: (а) вниз; (b)вверх

2.4 Численные эксперименты

Численные эксперименты с точными параметрами эксперимента проводятся для того, чтобы сравнить с моделированием. Таким образом, можно сделать вывод, что теоретические уравнения, предложенные в данной работе, могут быть использованы для оценки вибрации гибкого подъемного каната.

В работе «Метод учёта характеристик троса при моделировании движения орбитальной тросовой системы» для орбитальной тросовой системы предлагается метод, позволяющий простыми средствами учесть влияние на движение ОТС массы троса и действующих на него внешних сил.

С этой целью ОТС рассматривается в виде совокупности трёх материальных тел (базового, отделяемого космического объекта и связывающего их гибкого троса), движущейся под действием показанной на рисунке 1 системы внешних и внутренних сил.

Уравнения поступательного движения указанных тел в поле Земли можно представить в

где m₁, m₂, m₃ - массы объектов ОТС и выпущенного троса, соответственно;

r₁,r₂,r₃ - радиус–векторы, определяющие положение центров масс объектов ОТС и троса относительно центра масс Земли;

F₁,F₂,F₃ - равнодействующие внешних сил, действующих на объекты ОТС и трос;

T₁,Т₂ - силы натяжения троса в местах его крепления к объектам ОТС; 1 Ф реактивная сила, действующая на базовый объект ОТС и трос в месте его выпуска; L - длина выпущенного троса; w_тр - закон выпуска ( втягивания) троса; m_п - погонная масса троса; D =r₁r₂ расстояние между объектами ОТС. Поскольку расстояние между объектами ОТС не может быть больше длины выпущенного троса, то в процессе её движения должно выполняться ограничение

(2)

Предлагаемый метод с помощью весьма простых средств позволяет учесть влияние на движение ОТС массы троса и любых действующие на него и объекты ОТС внешних сил и обеспечить за счёт этого высокую степень соответствия результатов моделирования реальному движению ОТС.

Имеется и задача решаемая на Adams, когда гибкая система представлена небольшими элементами связанными между собой некоторыми шарнирами. Именно такой подход будет использован нами для моделирования цепи конвейера. Исследования вышеприведенной статьи это обосновывают.

Для схемы на рисунке 5 предлагается следующая модель

- отрезки цепи моделируются звеньями Link соединенные двумерными и трехмерными шарнирами

- скребки выполняются из элементов Link и соединяются с бортами конвейера ползунными связями, причем сам скребок соединяется с ползуном шарниром (можно двумерным и трехмерным)

- для свободного движения скребка без замкнутых направляющих в зоне поворота со стороны наружного радиуса поворота ползун и шарниры предлагается убрать.

Заключение

Таким образом, мы проанализировали возможности применения нового конвейера с силовым смыканием и размыканием силовых шарниров и наметили три области:

Имеются криволинейные выработки и необходимо обеспечить транспортирование на основе изгибающихся конвейеров (Разрезы, шахтные выработки);

Обеспечения непрерывной короткозабойной выемки пластовых и рудных месторождений;

Погрузчики с изменяемой зоной погрузки (проходческие комбайны, погрузчики).

Проанализированны аналитические решения для гибких элементов, что позволило обосновать методику моделироания поворотного конвейера на пакете Adams

Литература

S. Kaczmarczyk, The passage through resonance in a catenary-vertical cable hoisting system with slowly varying length, Journal of Sound and Vibration, 1997, 282 (2), pp. 243-269.

S. Kaczmarczyk and W. Ostachowicz, Transient vibration phenomena in deep mine hoisting cables part1: Mathematical model, Journal of Sound and Vibration, 2003, 262, pp. 219-244.

R. M. Chi and H. T. Shu, Longitudinal vibration of a hoist rope coupled with the vertical vibration of an elevator car, Journal of Vibration and Acoustics, 1991, 148 (1), pp. 154-159.

Y. Terumichi, M. Ohtsuka, M. Yoshizawa, Y. Fukawa and Y. Tsujioka, Nonstationary vibrations of a string with time-varying length and a mass-spring system attached at the lower end, Nonlinear Dynamics, 1997, 12, pp. 39-55.

R. F. Fung and J. H. Lin, Vibration analysis and suppression control of an elevator string actuated by a pm synchronous servo motor, Journal of Sound and Vibration, 1997, 206 (3), pp. 399-423.

S. Kaczmarczyk and W. Ostachowicz, Transient vibration phenomena in deep mine hoisting cables part2: Numerical simulation of the dynamic response, Journal of Sound and Vibration, 2003, 262, pp. 245-289.

Y. H. Zhang and Sunil Agrawal, Coupled vibrations of a varying length flexible cable transporter system with arbitrary axial velocity, Proceeding of the 2004 American control conference, 2004, pp. 5455-5460.

W. D. Zhu and Y. Che, Theoretical and experimental investigation of elevator cable dynamics and control, Journal of Vibration and Acoustics, 2006, 128, pp. 66 – 78.

Y. H. Zhang, Longitudinal vibration modeling and control a flexible transporter system with arbitrarily varying cable lengths, Journal of Vibration and Control, 2005, 11, pp. 431-456.

P. Zhang, C. M Zhu and L. J Zhang, Analyses of longitudinal vibration and energetics on flexible hoisting systems with arbitrarily varying length, Journal of Shanghai JiaoTong University, 2008, 42 (3), pp. 480-483, 488.

A. Kumaniecka and J. Niziol, Dynamic stability of a rope with slow variability of the parameters, Journal of Sound and Vibration, 1994, 178, pp. 211-226.

W. D. Zhu and J. Ni, Energetics and stability of translating media with an arbitrarily varying length, Journal of Vibration and Acoustics, 2000, 122 (7), pp. 295-304.

Код для цитирования: Скопировать