авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка методики расчета и создание рациональной конструкции канатного грейфера-рыхлителя для смерзшихся сыпучих материалов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Севастьянов Владимир Апполинарьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И СОЗДАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ КАНАТНОГО ГРЕЙФЕРА-РЫХЛИТЕЛЯ ДЛЯ СМЕРЗШИХСЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.05.04

«Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород

2006 г.

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Слюсарев А.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Куляшов А.П.

кандидат технических наук Пуртов А.Р.

Ведущая организация: ООО «Промтех НН»

Защита состоится 15 февраля 2007 года в________часов на заседании диссертационного совета Д 121.165.04 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д. 24, ауд. № 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета.

Автореферат разослан 14 января 2007 г.

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.04

доктор технических наук, профессор Л. Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В большинстве регионов Российской Федерации межнавигационный период составляет 4…6 месяцев в году. Перегрузочные работы в этот период осложняются смерзанием сыпучих материалов под действием отрицательных температур воздуха при хранении в штабеле. Образование смерзшейся корки на поверхности штабеля сыпучего материала приводит к значительному снижению производительности и надежности перегрузочной техники и, как следствие этого, себестоимость перегрузочных работ возрастает в 4…6 раз.

Основным перегрузочным средством на причалах речных портов при перегрузке смерзшихся сыпучих материалов (ССМ) являются грейферные краны. При перегрузке ССМ с применением серийных канатных грейферов их наработка до капитального ремонта сокращается в 10…20 раз. Поломки грейферов происходят через 5…10 тыс. т перегрузки по сравнению с 1000 тыс.т для обычных условий работы.

Поэтому задача создания рациональной конструкции канатного грейфера-рыхлителя и технологии перегрузки ССМ с его применением исключительно важна для речных и морских портов страны.

Цель работы. Разработка инженерной методики расчета и создание рациональной конструкции канатного грейфера-рыхлителя для ССМ.

Задачи исследований:

  1. Определить закономерности промерзания сыпучих материалов под действием отрицательных температур воздуха при хранении в штабеле и разработать модель изменения физико-механических параметров сыпучего материала под действием отрицательных температур воздуха.
  2. Исследовать процесс внедрения в ССМ режущих элементов (РЭ) разной формы и с различными геометрическими параметрами, а также изучить процесс разрушения (рыхления) смерзшейся корки ССМ канатным грейфером-рыхлителем.
  3. Определить физико-механические характеристики, описывающие поведение ССМ при перегрузке канатным грейфером-рыхлителем.
  4. Разработать инженерную методику расчета канатного грейфера-рыхлителя, изготовить и испытать рациональную конструкцию двухчелюстного канатного грейфера-рыхлителя.

Объект исследований. В качестве объектов исследований выбраны канатные грейферы, работающие на перегрузке ССМ. При этом основное внимание уделялось челюстям, выдерживающим максимальные нагрузки, и РЭ на них, обеспечивающим начальное заглубление грейфера в ССМ, рыхление смерзшейся корки и зачерпывание челюстями разрыхленного ССМ.





Методы исследований. В работе использованы элементы системного подхода, известные аналитико-экспериментальные методы. Основой аналитических методов являются закономерности и приемы классической теоретической механики, физики деформируемого тела, элементы математического аппарата моделирования на ЭВМ. Основой экспериментальных исследований является теория физического моделирования. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с использованием персонального компьютера, оснащенного аналого-цифровым преобразователем и электронным осциллографом фирмы L-card. Теоретические исследования проводились с помощью стандартных пакетов программ для ПК, таких как Visual C++7, Mathcad 2000, MATLAB, EXEL. Проектирование грейфера-рыхлителя и прочностной расчет осуществлялся в среде Solid Works, а также приложении Design Spase V6.

Научная новизна.

  • Разработана математическая модель (ММ) процесса переработки ССМ канатным грейфером-рыхлителем.
  • Разработана регрессионная модель влияния параметров клиновых РЭ на сопротивление внедрению в ССМ.
  • Выявлены закономерности промерзания сыпучих материалов и сопротивления внедрению в них РЭ, даны рекомендации по их геометрии.
  • Получены на специальных экспериментальных стендах физико-механические характеристики смерзшейся корки и сыпучего основания ССМ.
  • Разработана методика расчета двухчелюстных канатных грейферов-рыхлителей для ССМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

  • Математическая модель процесса переработки ССМ канатным грейфером, позволяющая определить объемно-напряженное состояние ССМ внутри грейфера-рыхлителя.
  • Модель изменения физико-механических параметров сыпучего материала под действием отрицательных температур воздуха.
  • Методика расчета двухчелюстных канатных грейферов-рыхлителей для ССМ.

Практическая ценность.

  • Разработанная инженерная методика расчета позволяет создавать новые конструкции канатных грейферов-рыхлителей для ССМ.
  • Разработанная конструкторская документация двухчелюстных канатных грейферов-рыхлителей и технология перегрузки ССМ грейфером-рыхлителем внедрены в эксплуатацию в речных портах Волжского объединенного речного пароходства (ВОРП) г.г. Н.Новгорода, Казани, Костромы, Ярославля.

Реализация результатов работы.

  • Разработан руководящий технический материал «Грейферы двухчелюстные канатные общего назначения для портовых кранов. Методы расчета при проектировании» РТМ 212. 0133 – 85.
  • Разработаны и изготовлены специальные стенды и экспериментальное оборудование, которые используются при проведении научных исследований и в учебном процессе на кафедре СДМ НГТУ. Методика расчета используется в лекционных курсах «Принцип инженерного творчества» на каф. ПМ и ПТМ ВГАВТ и «Основы инженерных расчетов ПТМ» на каф. СДМ НГТУ.
  • Разработаны и изготовлены экспериментальные и опытные образцы двухчелюстных канатных грейферов-рыхлителей для ССМ вместимостью 2,5 м3 и 3,2 м3, которые внедрены в речных портах ВОРП г.г. Нижнего Новгорода, Костромы, Ярославля.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований доложены на международной научно-практической конференции «Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях», Нижний Новгород, 1997 г; на всесоюзной конференции «Проблемы развития подъемно-транспортной техники и технологий», М., 1990 г. и 1991 г.; на VII межвузовской научно-методической конференции «Современные проблемы фундаментального образования», Йошкар-Ола, 2006 г; на региональных конференциях молодых ученых и специалистов в 1983 г, 1984 г; на НТС речных портов ВОРП;.на научно-технических семинарах каф. ПМ и ПТМ ВГАВТ и каф. СДМ НГТУ в 2004…2006 г.г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 18 опубликованных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, списка литературы, шести приложений. Содержит 135 страниц основного компьютерного текста, 69 рисунков, 11 таблиц, библиографии из 80 наименований и приложений на 52 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ



Во введении показано, что задача создания эффективного канатного грейфера-рыхлителя для ССМ важна для большинства речных и морских портов страны.

В первой главе приведены сведения о теоретических исследованиях канатных грейферов, проведенных советскими учеными Б.А.Таубером, Р.Л.Зенковым, Л.И.Малеевым, И.П.Крутиковым, А.И.Дукельским, Б.П.Румянцевым, Н.А.Шевченко, Д.К.Глебко, Г.Г Каракулиным, А.Г.Соловьевым, А.Б.Филяковым, Б.Н.Стрекаловым, А.М.Ясиновским, А.А.Долголенко и другими учеными.

Проанализированы теории расчета грейферов и показано, что основная трудность в создании новых конструкций канатных грейферов-рыхлителей для ССМ заключается в несоответствии предложенных методов расчета процессам, проходящим при переработке грейфером ССМ. Это обусловлено тем, что существующие ММ процесса зачерпывания сыпучих материалов канатным грейфером разработаны для методик расчета грейферов, работающих при положительных температурах воздуха, когда сопротивление зачерпыванию челюстями сыпучего материала вырастают от нуля до максимального значения (в конце зачерпывания) по мере заполнения грейфера. При зачерпывании грейфером-рыхлителем ССМ сопротивление на зачерпывание мгновенно достигает максимального значения (связанного с рыхлением корки) и остаются постоянными в процессе заполнения грейфера и только в конце их смыкания несколько возрастают. Это обусловлено тем, что не учитывается изменение агрегатного состояния сыпучих материалов при промерзании, а также различие физико-механических характеристик смерзшегося слоя и сыпучего основания ССМ. Поэтому использование указанных ММ в расчетах при создании новых конструкций канатных грейферов-рыхлителей для ССМ не правомерно, т.к. приводит к значительному занижению расчетных нагрузок, действующих на элементы грейфера.

Во второй главе приведены результаты исследования взаимодействия канатного грейфера с ССМ и разработанная методика расчета двухчелюстного канатного грейфера-рыхлителя для ССМ.

На основании экспериментальных исследований разработана ММ внедрения

плоского непрямоугольного РЭ (индекс «ПН»):

, (1)

где: F - сила сопротивления внедрению РЭ в материал, Н; Ром – удельное сопротивление внедрению, Па; Кк – коэффициент калибровки; А – площадь поперечного сечения РЭ, м2; К1 – коэффициент интенсивности нарастания сопротивления внедрению РЭ от глубины внедрения в ССМ; Z – глубина внедрения, м; n – коэффициент нелинейности силы сопротивления внедрению по мере внедрения РЭ в материал; l – длина РЭ, м; b – ширина РЭ, м; К2 -коэффициент, учитывающий интенсивность убывания удельного сопротивления внедрению РЭ при увеличении параметров l и b.

С учетом последовательного внедрения в смерзшуюся корку, а далее в сыпучее основание, ММ примет вид:

| ;

F= , (2)

где: Р0м, Ркм, nм, K2м – параметры, характеризующие процесс внедрения РЭ в смерзшуюся корку ССМ; Р0Т, КкТ, nТ, К2Т – параметры, характеризующие процесс внедрения РЭ в сыпучее основание ССМ после прохождения смерзшейся корки.

В отличие от РЭ плоской формы, где площадь контакта с материалом является параметром, у РЭ клиновой формы площадь контакта является функцией от глубины внедрения для участка смерзшейся корки и от глубины внедрения для участка сыпучего основания ССМ.

С учетом выше сказанного, для клинового РЭ ММ имеет вид:

| ;

F= (3)

,

где: Р0м, Р0Т – удельное сопротивление внедрению РЭ соответственно в смерзшуюся корку и сыпучее основание ССМ; - угол заострения РЭ; Zм – толщина смерзшейся корки; -коэффициент калибровки, причем ; ; - длина РЭ; - параметры, описывающие интенсивность нарастания сопротивления внедрению РЭ от глубины внедрения, причем ; .

Для конусного РЭ ММ имеет вид:

| ;

F=

, (4)

где: ;; - угол заострения конусного РЭ.

Показано, что основными параметрами конструкции РЭ являются: форма, угол заострения и длина режущей кромки. В результате анализа сопротивления внедрению челюстей грейфера в ССМ получено энергетическое уравнение для максимальной глубины внедрения Zmax РЭ в ССМ:

, (5)

где: mгр – масса грейфера, кг; Zmax – величина заглубления грейфера в ССМ, м; Б – показатель, характеризующий условие внедрения челюстей в смерзшуюся корку; nм - показатель, отражающий характер изменения сопротивления внедрению челюстей от глубины погружения в ССМ; v – скорость опускания грейфера на ССМ.

Графическое решение энергетического уравнения (5) позволило сделать вывод о том, что максимальные динамические нагрузки грейфер испытывает в момент окончания внедрения челюстей в ССМ. Повышение глубины внедрения челюстей грейфера в ССМ можно достичь увеличением скорости опускания грейфера на ССМ и уменьшением параметра «Б» в ММ.

При прохождении РЭ челюстей границы «корка – сыпучее основание» уравнение приобретает вид:

(6)

Решение данного уравнения показывает, что максимум нагрузки на грейфере имеет место в момент максимального значения модуля ускорения при остановке грейфера в сыпучем слое материала.

Далее получены выражения для определения сил, действующих при смыкании челюстей грейфера при его внедрении в ССМ, и определена сила в замыкающем канате:

, (7)

где: - сопротивление одноосному сжатию смерзшейся корки ССМ.

Получены уравнения сил, действующих на элементы и узлы грейфера при расчете на прочность и выносливость.

В третьей главе дано описание оборудования, методик и задач экспериментальных исследований, включая определение физико-механических свойств ССМ и изучение взаимодействия РЭ челюстей грейфера с ССМ.

На гидравлической установке СГУ-1, спроектированной и изготовленной автором, исследовано изменение сопротивления внедрению РЭ плоской, клиновой и конусной формы с различными параметрами, в том числе: конусного - с углом заострения 300; четыре образца клиновых РЭ - с углом заострения 300…1200, шириной 0,03 м и длиной 0,1…0,4 м; плоского РЭ - шириной 0,01 м, длиной 0,4 м.

Сопротивление одноосному сжатию (сж) смерзшейся корки ССМ определяли на установке СГУ-1 при температурах воздуха от -30С до -100С. В качестве образцов использовали 10 кубиков размером 100х100х100 мм. Результаты определяли как среднюю величину замеров. Для исключения влияния трения кубика по стальной поверхности деформатора поверхность контакта деформатора с гранями кубика смачивали водой для образования ледяной корочки. При проведении экспериментов скорость движения деформатора составляла 4,5 мм/с, что соответствует скорости движения челюстей грейфера в ССМ.

Физико-механические характеристики сыпучего основания ССМ: - модуль уплотняемости; - коэффициент бокового давления; т - коэффициент трения по стали, необходимые для определения объемно-напряженного состояния материала в грейфере-рыхлителе, а также коэффициент трения (м) по стали смерзшейся корки были определены на экспериментальном стенде ЭСП-1. С осциллограмм давлений модуль уплотняемости () определялся:

, (8)

где: Pi- текущее давление в ССМ, Па; P0 - начальное давление деформации, Па; Kv, Ki - начальный и текущий коэффициенты уплотнения ССМ.

Коэффициент бокового давления () определяли:

, (9)

где: - боковое давление в материале при сжатии, Па; - одноосное давление сжатия, Па.

При достижении критической плотности сыпучего материала движение пуансона прекращалось. Через 15 секунд при снятой задней стенке матрицы навеска материала выдавливалась пуансоном из матрицы, преодолевая, фиксируемую на осциллограмму, силу трения материала по стальной поверхности матрицы.

Коэффициент трения по стали (м(Т)) навески ССМ определялся по формуле: , (10)

где: , - соответственно, осевое давление пуансона и давление на боковую поверхность матрицы при выдавливании навески материала, Па; D - внутренний диаметр матрицы, м; S - шаг винта пресса, м.

В четвертой главе показано, что для исследуемых ССМ интенсивность промерзания обратно пропорциональна фактору промерзания «Ф», определяемому произведением модуля отрицательной температуры воздуха на время хранения ССМ. С декабря по март толщина смерзшейся корки угля растет от 0,5 до 0,75 м, для ПГС от 0,65 м до 1,57 м, для песка от 0,7 м до 2,1 м (рис. 1).

а) Установлено определяющее влияние влажности сыпучего материала на глубину промерзания. При влажности более 3…5 % наибольшая глубина промерзания характерна для песка, а наименьшая – для угля. При влажности менее 3 % наблюдается обратное распределение глубины промерзания сыпучих материалов. Снижение глубины промерзания с ростом влажности сыпучего материала объясняется влиянием теплоты кристаллизации воды на общий тепловой баланс слоя сыпучего материала. Статистической обработкой совместного влияния влажности и температуры получена зависимость средней толщины смерзшейся корки материала от величины фактора промерзания «Ф». Как видно из рис. 1 с увеличением фактора промерзания «Ф» от 200 до 800 ед. толщина смерзшейся корки угля возрастает с 0,65 до 0,94 м; ПГС – с 0,9 до 1,4 м; песка – с 1,0 до 1,53 м. При влажности сыпучего материала 5…7% глубина промерзания песка составляет в среднем 0,6…0,7 м; ПГС – 0,8 м; угля – 0,9 м.
б)
в)  Зависимость толщины (Zм ) смерзшейся-40 Рис. 1. Зависимость толщины (Zм ) смерзшейся корки ССМ от величины фактора промерзания Ф): а) уголь; (б) песок; в) песчано-гравийная смесь (ПГС).


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.