Кузьменко В.И. Горные транспортные машины (теория и расчеты)

Подождите немного. Документ загружается.

201

10 ГРАВИТАЦИОННЫЙ ТРАНСПОРТ

10.1 Общие сведения

Гравитационный транспорт – средство транспортирования грузов под

действием собственной силы тяжести.

При скольжении или падении отдельные куски груза сталкиваются один с

другим, образовывая динамический грузопоток, который перемещается со сред-

ней скоростью, что отличается от скорости скольжения отдельного куска.

В качестве грузонесущих элементов используются почва наклонных вы-

работок, деревянные настилы, стальные листы, желоба и трубы. Иногда

грузонесущие элементы в виде спиральных желобов размещают в верти-

кальной трубе. При спуске груза по вертикальным выработкам, которые

называют рудоспусками, они могут одновременно служить для аккумули-

рования груза.

Иногда в вертикальных выработках, предназначенных для спуска гру-

зов, измельчение которых приводит к снижению качества (например, угля),

на стенках укрепляют поочередно с одной и с другой стороны поперечные

горизонтальные или наклонные полки. При пересыпке груза с одной полки

на другую уменьшается скорость падения. Транспортные устройства такого

типа называют каскадными спусками.

На шахтах гравитационный транспорт широко применяется для доставки

в забоях, для спуска по скатам, печам, рудоспускам, гезенкам и другим, в ком-

плексе поверхности и обогатительных фабрик – для передачи груза с верхних

этажей на нижние, для подвода к ячейкам бункеров и агрегатов, для направ-

202

ления потока сыпучего материала на погрузочных и перегрузочных

пунктах.

Достоинством установок гравитационного транспорта является просто-

та их конструкции, отсутствие энергозатрат и электромеханического обо-

рудования, возможность использования транспортных выработок для акку-

мулирования груза.

Недостатки: невозможность регулирования скорости перемещения гру-

зов, повышенный износ грузонесущих элементов, возможность образования

“пробок”, в особенности при транспортировании влажных грузов, нежела-

тельное для некоторых грузов измельчение, невозможность применения ус-

тановок для перевозки людей, вспомогательных грузов.

10.2 Основы теории гравитационного транспорта

Рассмотрим условия спуска груза под действием силы тяжести на приме-

ре частицы груза 1 (рис.10.1) массой m (кг), скользящей по грузонесущему

элементу 2, наклоненному к горизонту под углом

Рисунок 10.1 – Частица груза на наклонной плоскости

При постоянных значениях коэффициентов трения покоя f

и скольже-

ния f на частицу действуют такие силы: вес частицы mg (Н); нормальная

реакция грузонесущего элемента на частицу груза

cosmgN

(Н); сила тре-

ния покоя β= cosmgfW

0т

(при неподвижном положении частицы груза) или

203

сила трения скольжения

cos

fmg

(H) (при скольжении частицы по гру-

зонесущему элементу).

Тангенциальная составляющая веса груза стремится сдвинуть неподвиж-

ную частицу по грузонесущему элементу, а сила трения покоя – удержать ее.

Таким образом, условие отсутствия скольжения частицы груза по грузоне-

сущему элементу имеет вид:

β≤β cosmgfsinmg

, (10.1)

ftg ≤β , (10.2)

а условие скольжения –

≥

cosfmgsinmg

, (10.3)

или

ftg

≥

. (10.4)

Из формулы (10.2) следует, что угол наклона грузонесущего элемента,

при котором груз еще находится в состоянии покоя, будет равняться

0min

farctg=β , (10.5)

а угол, при котором груз начинает скользить по грузонесущему элементу,

farctg>β . (10.6)

Однако при скольжении коэффициент трения уменьшится, и груз начнет

скользить равноускоренно. Для того, чтобы движение груза было равно-

мерным, необходимо уменьшить угол наклона грузонесущего элемента сра-

зу за погрузочным пунктом к величине

farctg=β .

Однако с целью предотвращения возможной заштыбовки грузонесущих

элементов при изменении физико-механических свойств грузов угол накло-

на их обычно принимают большим, чем это требуется по условию равно-

мерного движения.

При этом сила F, которая действует на частицу груза, будет определяться

(

)

β−β=β−β= cosfsinmgcos·fmgsin·mgF

. (10.7)

Если в начале грузонесущего элемента частица груза имеет скорость сколь-

жения V

, а в конце V

, то приращение кинетической энергии составит

204

(

)

−

∆

(10.8)

Это приращение энергии равняется работе, которую совершает сила на

пути

sin

. (10.9)

Таким образом, можно написать

(

)

(

)

β−β

−

sin

h·cosfsin·mg

VV·m

, (10.10)

откуда

(

)

нк

Vfctg1gh2V +β−=

. (10.11)

Во избежание чрезмерного измельче-

ния транспортируемого груза при спус-

ке, скорость в конце не рекомендуется

принимать более 2-2,5 м/с.

С целью предотвращения чрезмер-

ного измельчения угля при спуске его

по гезенкам – (вертикальные выработ-

ки, которые не имеют непосредственно-

го выхода на земную поверхность и

предназначенные для спуска угля из вер-

хнего горизонта под действием соб-

ственного веса, для передвижения лю-

дей, канализации воздуха и прочее), а

также при заполнении бункеров боль-

шой высоты иногда применяют винто-

вые спуски, которые разрешают регули-

ровать скорость перемещения груза.

Винтовой спуск (рис. 10.2) представ-

ляет собою винтовой желоб, укреплен-

Рисунок 10.2 – Винтовой спуск

205

стойками, установленными в вертикальной выработке. Образующая повер-

хности желоба обычно имеет криволинейную желобчатую форму. Незави-

симо от формы образующего контура желоба все его точки располагаются

вдоль винтовых линий с одинаковым шагом

tg·R2h

, (10.12)

где R– расстояние от любой произвольной точки контура до вертикаль-

ной оси винтового спуска, ОZ, м;

– угол наклона винтовой линии, описываемой данной точкой, град.

Из полученного выражения видно, что расстояние R может быть посто-

янным только при V=const.

Рассмотрим в качестве примера движение частицы материала массой m

со скоростью V вдоль винтовой поверхности, касательная n-n к которой

наклонена к горизонту под углом

. На частицу, расположенную на рассто-

янии R от оси OZ, кроме силы веса, действует еще центробежная сила

RmV

Расстояние R может быть постоянным только при условии, что равно-

действующая веса и центробежной силы будет проходить нормально к вин-

товой поверхности, то есть при условии, если

Rmg

==α

. (10.13)

Так как под действием центробежной силы частица оказывает на винто-

вую поверхность дополнительное воздействие, равное

(

)

αsin

, то воз-

никает дополнительная сила трения частицы о желоб

(

)

αsin

·f

, и урав-

нение движения частицы будет иметь вид:

( )

·sinmV

·fcosfsin·mgma

−β−β=

(10.14)

или

( )

sinfV

cosfsin·ga

−β−β=

. (10.15)

206

sinfV

cosfsin

−β−β

, (10.16)

откуда следует, что скорость скольжения

(

)

αβ−β= sinfcosfsin·gRV

. (10.17)

Если частица поступает на винтовую поверхность желоба со скоростью,

отличной от скорости, которая определяется из уравнения (10.17), то части-

ца будет двигаться с ускорением или замедлением, величина которого опре-

деляется условием (10.15).

Винтовые спуски имеют свойство саморегулирования скорости движе-

ния груза, причем диапазон изменения скорости может поддерживаться в

довольно узких границах в зависимости от колебаний величины коэффици-

ента трения f материала о желоб.

На самом деле при уменьшении f скорость V увеличивается, вследствие

чего увеличивается центробежная сила, которая сместит частицу груза ко

внешней стороне желоба, при этом увеличится R и, следовательно, умень-

шится

, из-за чего возрастание скорости прекратится.

При увеличении f уменьшается V и центробежная сила, приводящая к

смещению частицы груза к внутренней стороне желоба и, следовательно, к

уменьшению R, благодаря чему увеличивается

и скорость движения.

Полученные уравнения позволяют сделать лишь ориентировочные рас-

четы основных параметров винтового спуска, так как характер движения по-

тока материала существенно отличается от движения отдельной частицы.

207

11 ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ

ГРУЗОНЕСУЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

11.1 Общие сведения

Транспортные машины с колеблющимися грузонесущими элементами,

которые одновременно выполняют и функции тяговых элементов, называ-

ют инерционными машинами, так как сила тяги в них передается грузу с

помощью сил инерции, которые возникают при колебании или вибрации их

грузонесущих элементов.

К инерционным машинам относят качающиеся и вибрационные конвей-

еры и питатели, а также некоторые типы погрузочных машин и бункерных

поездов, грузонесущие элементы которых в виде установленных на эластич-

ных опорах желобов, лотков и других приобретают колебательное движе-

ние от привода по определенному кинематическому закону, который обес-

печивает перемещение груза в заданном направлении.

Принципиальная разность в процессе транспортирования груза колеб-

лющимися и вибрационными установками состоит в характере движения

груза: в колеблющихся установках груз передвигается по грузонесущему

элементу без отрыва от него; в вибрационных – груз отрывается от грузоне-

сущего элемента и перемещается микробросками. Колеблющиеся и вибра-

ционные транспортные установки могут перемещать груз как по горизон-

тальным, так и по наклонным выработкам.

Скорость транспортирования, а следовательно, и производительность та-

ких установок зависит от частоты и амплитуды колебаний, угла наклона грузо-

несущих элементов, физико-механических свойств груза и других факторов.

208

тановках лежит в границах 0,05-0,50 м/с, допустимый угол наклона при дос-

тавке вниз – до 15°, при доставке вверх – до3°.

Вибрационные установки со спиральными грузонесущими элементами

могут транспортировать груз вверх по вертикальным выработкам.

Колеблющиеся и вибрационные транспортные установки применяют для

транспортирования угля и руды, а вибрационные установки с герметичны-

ми грузонесущими элементами – для транспортирования пылевидных, от-

равляющих и химически агрессивных насыпных грузов в условиях полной

изоляции от окружающей среды.

Транспортировать липкие и тонкодисперсные пылевидные грузы колеб-

лющимися и вибрационными установками практически невозможно.

11.2 Физические основы передачи силы тяги колебаниями

Процесс передачи силы тяги колебаниями удобнее рассмотреть на при-

мере транспортирования отдельных частиц груза.

Рисунок 11.1 – Схема сил, действующих на частицу груза, который нахо-

дится на грузонесущем элементе, совершающем колебания в плоскости его

наклона к горизонту: 1 – частица груза; 2 – грузонесущий элемент; 3 – опо-

ра; 4 – приводное устройство.

Для перемещения частиц груза массой m по грузонесущему элементу, ко-

торый осуществляет колебания в плоскости его наклона к горизонту (рис. 11.1),

необходимо, чтобы при прямом ходе, то есть при движении грузонесущего

mg sin

mg cos

209

элемента в направлении транспортирования груза, частица последнего сдер-

живалась на грузонесущем элементе за счет сил трения покоя и приобретала

скорость, равную скорости грузонесущего элемента, а при обратном ходе –

скользила по грузонесущему элементу по инерции, расходуя запасенную при

основном движении с ним кинетическую энергию на преодоление сил со-

противления, возникающие при скольжении. Такой режим работы возмо-

жен при соблюдении следующих условий:

1 При прямом ходе грузонесущего элемента

β±≥β sin·mgma·cosmg·f

п0

, (11.1)

или

(

)

β±β≤ sin·cosf·ga

0п

, (11.2)

где f

– коэффициент трения покоя;

g – ускорение свободного падения м/с

;

– ускорение грузонесущего элемента при прямом ходе, м/с

;

– угол наклона грузонесущего элемента к горизонту, град; знак «+» в

кавычках отвечает транспортированию груза вниз, знак «–» – вверх.

2 При обратном ходе грузонесущего элемента

β±<β sinmgma·cosmg·f

, (11.3)

или

(

)

β±β> sincosf·ga

, (11.4)

где а

– ускорение грузонесущего элемента при обратном ходе, м/с

; знак «+»

в кавычках отвечает транспортированию груза вверх, знак «–» – вниз.

Как видно из диаграммы, которая приведена на рис. 11.2, на значительной

части прямого хода скорость грузонесущего элемента плавно возрастает к

максимуму, а потом резко уменьшается и становится равной нулю в точке

′

При обратном ходе скорость грузонесущего элемента по абсолютной ве-

личине резко возрастает к максимальной отрицательной величине, потом

так же резко уменьшается к нулю в точке

′

. Груз, находящийся на грузо-

несущем элементе, за период времени t

прямого хода двигается вместе с

грузонесущим элементом без проскальзывания.

210

Рисунок 11.2 – Диаграмма изменения скоростей грузонесущего элемента

гнэ

груза V

и ускорения “а” грузонесущего элемента инерционной транс-

портной установки

В точке В скорость грузонесущего элемента резко уменьшается, а уско-

рение достигает некоторой критической величины

кр

, груз по инерции про-

должает двигаться в прежнем направлении с замедлением, скользя по грузо-

несущему элементу и при его обратном ходе. Поскольку на груз действует

постоянная сила трения, он скользит по грузонесущему элементу с равноза-

медленной скоростью, которая на диаграмме изображена прямой ВD.

В точке С скорость груза изменяет направление, и он приходит в дви-

жение назад, скользя вдоль грузонесущего элемента. В точке D скольжение

прекращается, и груз двигается вместе с грузонесущим элементом назад до

точки

′

, после чего процесс повторяется. Время t

, на протяжении которо-

го скорость груза уменьшается до нуля, определяется из условия

( )

β−β

sincosf·g

, с, (11.5)

гнэ

гн

кр v

гнэ

Прямой ход

Обратный ход