CC BY
13
НЛТУ
УКРЛ1НИ
Hl/IUB
Науковий bIch и к Н/1ТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270432
Article received 12.05.2017 р. Article accepted 24.05.2017 р. УДК 621.86.065
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
1 ЁЕЗ Correspondence author O. M. Udovytskyi [email protected]
О. М. Удовицький, I. Ф. Солтис
Нащональний лтотехшчний ушверситет Украши, м. Львiв, Украша
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В П1Д ЧАС ТРАНСПОРТУВАННЯ
ЛАНЦЮГОВИМ ТРАНСПОРТЕРОМ
Викладено методику комплексного дослщження ланцюгового транспортера. З'ясовано, що дослiдження динамiчних ко-ливних процесiв пiд час роботи та моделювання ланцюгового транспортера складаеться з таких еташв: створення тривишр-ноТ моделi (3D) з виконанням вiдповiдних конструкторських розрахункiв, проведения iнженерного аналiзу, що включае ди-намiчний аналiз i дослщження напруженого деформованого стану найбшьш навантажених його елементiв. При цьому до-цiльно застосовувати програмш модулi для кiнцево-елементного аналiзу тривишрноТ твердотiльноT моделi. Рацiональне конструювання залiзобетонних опор конвеерiв, як складниюв системи, вимагае розрахунку мщносп перерiзiв за несною здатшстю системи, що е бшьшою за мiнiмальне значення зовшшнього навантаження, за якого проходить втрата мiцностi в одному з перерiзiв або елементiв. Окремi елементи щеТ електромеханiчноT системи здiйснюють обертовi рухи, а вантажi -горизонтальнi та вертикалью перемщення. Рiвняння руху системи складено з використанням рiвнянь Лагранжа другого роду. Запропоновано рекомендацп щодо зменшення негативного впливу динашчних явищ на роботу конвеерiв, зокрема, дина-мiчнiсть вимушених коливань можна знизити, якщо зменшити крок ланцюга, збiльшити швиIдкiсть ланцюгiв, пропонувати таю конструкцп ланцюгiв, що дадуть змогу зменшити негативний вплив коливань на динашчш процеси в конвеерi.
Клю^ое^ слова: машини неперервноТ дй; моделювання; динашчний аналiз; комплексне проектування; сюнченно-елемен-тна модель.
Вступ. Машини неперервно!' ди широко застосову-ють у рiзноманiтних галузях промисловостi для перемь щення рiзних насипних (вуг1лля, руда, цемент, тсок, щебiнь, трiска, зерно) та поштучних (цегла, пиломатерь али, труби, балки, зливки) вантаж1в. У лiсовiй i дерево-обробнiй промисловостi конвеери, зокрема i ланцюговi, використовують для перемщення хлистiв, колод, заготовок, тркки, стружки, плит, готових виробiв деревооб-роблення, як елементи сортувальних, складальних, оз-доблювальних i пакетувальних установок, для навантаження i розвантаження, що вiдбуваеться без зупинки при неперервному рус робочого органу.
Динамiчнi процеси в тягових елементах конвеерiв дослiджено у багатьох працях ввдомих учених (¡уапеИепко, 1993; Бопёаг1еу, й а1., 2009; Ыиу1, й а1., 2006). Проте проблеми аналiзу напружено-деформова-ного стану елементiв транспортер1в висвилено недос-татньо. Робота ланцюгового транспортера характеризуемся значними динамiчними навантаженнями, що виникають в усiх його елементах шд час пуску та в про-цесi усталеного руху (Бопёапеу, е1 а1., 2009). Зокрема напруження в елементах ланцюг1в i пов'язанi з ними де-формаци мають iстотний вплив на мщшсть та довговiч-нiсть ланцюгiв.
Для коректного моделювання перехвдних процес1в роботи транспортера та аналiзу напружено-деформова-ного стану його оргашв можливо використати метод скшченних елементiв, з допомогою якого дослiджувана неперервна дiлянка об'екта видаеться у виглядi певного числа диянок.
Моделювання та оптимiзацiя перехвдних динамiч-них процесiв транспортер1в як багатомасових систем мають важливе практичне значення, оскшьки такi процеси часто визначають продуктивнiсть машини та и на-дiйнiсть в експлуатацп.
Методи дослiдження. Комплексне проектування i дослiдження будь-мехашчноl системи забезпечуе шдви-щення ефективностi та якостi проектування на рiзних етапах 11 проектування.
Дослвдження динамiчних коливних процес1в шд час роботи та моделювання ланцюгового транспортера включае створення його тривишрно! моделi (3Б), проведения динашчного аналiзу i дослiдження напруженого деформованого стану найбшьш навантажених його елемештв.
Для проведення моделювання роботи ланцюгового транспортера потрiбно виконати таю етапи:
1) виконати (наприклад у системi MathCad) тяговий роз-рахунок ланцюгового транспортера, що включае визна-чення параметрiв привода та робочого органу;
2) створити тривимiрну модель ланцюгового транспортера (3Б-модель);
3) провести статичний, кшематичний i динамiчний розра-хунки ланцюгового транспортера;
4) дослiдити напружено-деформованi стани найбшьш навантажених вузлiв ланцюгового транспортера. Якщо, наприклад, шд час розрахунку виникнуть ре-
зонанснi явища, виявлено неприпустимi вiдхиленшя мiцностi i т. iн., необхiдно повернутися до першого ета-пу проектування ланцюгового транспортера. Процес
Цитування за ДСТУ: Удовицький О. М. , Солтис I. Ф. Досждження дина1^чних процеав пiд час транспортування ланцюговим
транспортером. Науковий вюник НЛТУ УкраТни. 2017. Вип. 27(4). С. 144-147. Citation APA: Udovytskyi, O. M., & Soltys, I. F. (2017). The Study of Dynamic Processes During the Transportation by Chain Conveyor. Scientific Bulletin of UNFU, 27(4), 144-147. https://doi.org/10.15421/40270432
доведения модел1 до приинятного стану може заиняти к1лька ггерацш.
Даш наведемо фрагмент розрахунку поздовжнього ланцюгового конвеера.
Рз.,.4 -р
■»у I 4
. [FPH] = Щн] = 200000
" Fmax Ft 14225
= 14,06> КЗ,
Рис. 1. Розрахункова схема горизонтального конвеера
Можлив1 параметри вантажу: вид вантажу - колоди; довжина - 4,5 м; ё=0,35 м; щщьшсть деревини рм =800 кг/м3. Техшчш характеристики ланцюгового транспортера:
• довжина транспортування Ь - 60 м;
• напрямок транспортування горизонтальний;
• швидкiсть транспортера ■= 0,5 м/с;
• продуктивтсть П2 = 360 шт./год;
• умови роботи - середш;
• тип тягового органу - ланцюг тдвищено!' точностi ГОСТ 2319-70: крок /=100мм, погонна маса дл =3,9 кг/м, нормативне руйнiвне навантаження [^рн]=200кН. НаИменше зусилля натягу для ланцюгових тран-
спортер1в приИмають в межах 1000...3000 Н. ПриИ-маемо Г1 = 2500 Н.
Визначаемо зусилля в характерних точках траси транспортера методом обходу по контуру. Сили опору рухов1 тягового органа на прямолшшних дщянках виз-начаемо за формулами:
• для неробочо'1 вiтки Лн = дхч(Ь а-Н) ■ g , Н;
• для робочо'1 вiтки Лр = (дхч + дв)(Ь ■ а + Н) ■ g , Н,
де: дхч - погонна маса ходово! частини конвеера; Н -висота шдшмання вантажу; qв - маса вантажу на погонному метр1 довжини транспортера; а - коефщент опору руховц g - 9,81 м/с2. Натяг ланцюга в точщ 2:
Л = Л + Л = Л + qXч(Ь а-Н)■ g = = 2500 + 4,68(60 ■ 0,25 - 0) ■ 9,81 = 3189Н .
Натяг ланцюга в точщ 3:
Л3 = Ка ■ Л2 = 1,07 ■ 3189 = 3412Н , де Ка =1,07 (табл. 5.1) (Ыиу1, й а1., 2006). Натяг ланцюга в точщ 4:
Л4 = Л3 + Лр = 3412 + (qxч + qв)(Ь а + Н)■ g = = 3412 + (4,68 + 68,8)(60,0 ■ 0,25 + 0) ■ 9,81 = 14225Н . Ошр на веденш з1рочщ:
Шпр = К'(Л1 + Л4) = 0,05(14225 + 2500) = 711Н ,
де К'=0,03 . 0,05 - для ланцюгових конвеергв. Рушшна сила конвеера:
Л0 = Л4 -Л1 + Шпр = Л4 -Л1 + 711 = 12436Н . Визначаемо потр1бну потужшсть електродвигуна: Л0 ■■ 12436 ■ 0,5
Р = -
- = 6,91 кВт .
1000 -щпр 1000 ■ 0,9 Розрахункове значения коефщента запасу мiцностi ланцюга:
де КЗ = 6.8 - нормативне значення коефщента запасу мщносп (ЫШу1, й а1., 2006), тобто запропонованиИ ланцюг задовольняе умови мщносп.
Також виконуеться розрахунок натягувального пристрою 1 перев1рка електродвигуна на перевантажен-ня при пуску.
Для створення тривишрно! модел1 ланцюгового транспортера використано систему КОМПАС-3Б. Ця система мае великиИ наб1р спещашзованих САПР 1 прикладних б1блютек, як на порядок полегшують роботу конструктора 1 дослвдника. Кр1м того, тсля створення тривишрно! модел1 вона автоматично визначае масошерцшш параметри для кожно! деташ зб1рки, р1з-них тдзборок 1 вс1е! зб1рки загалом.
На рис. 2 наведено фрагмент тривим1рно! модел1 ланцюгового транспортера, створеного у систем! КОМ-ПАС-ЗБ.
ведена
ведений
зшочка ланцюг _ вал
приводна нрочка
приводнии
вал
основа
Рис. 2. Фрагмент 3D-моделi ланцюгового транспортера
Для проведення статичних, к1нематичних 1 динам1ч-них розрахунюв, дослщження напружено-деформова-ного стану наИбшьш навантажених вузл1в ланцюгового транспортера можна використовувати штегроваш в систему КОМПАС-3D модул для шдготовки 1 подаль-шого кшцево-елементного аналзу тривишрно! твердо-тиьно! модел1 (детал або в збор1).
Важливим етапом проектування конвеера е виб1р схеми та розрахунок опор конвеера, як мають специ-ф1чш схеми, визначеш конструкщями конвеер1в.
Експериментальш дослвдження згинальних систем до руИнування показали, що для визначення !х мщносп можуть бути використаш розрахунков1 модел1, основаш на каркасно-стержневш аналоги та розгляд1 стадп гранично! р1вноваги.
На рис. 3 показано раму транспортера з навантажен-нями 1 закршленнями та епюри вертикальних напру-жень.
Розрахунковими моделями можуть слугувати зги-нальн1 системи з регулярним по довжиш нижн1м еле-ментом та регулярним або нерегулярним верхн1м (1уапеЬепко, 1993). Модель нижнього елементу - рама з нахиленими стшками, ригелем постшного перер1зу И арматурною затяжкою. У регулярнш систем! модель верхнього елемента аналопчна модел1 нижнього.
Зашзобетонш опори розраховують за методом гра-ничних стан1в 1з врахуванням зусиль у нормальних пе-рер1зах опори та у нахилених перер1зах за ввдповщними умовами м1цност1.
Розглянемо основш етапи пiдготовки тривишрно! моделi та розрахунок елемент1в рами ланцюгового транспортера.
Перший етап - опрацювання тривишрно! модели Передусгм, з об'екта, що моделюеться, потрiбно виклю-чити ri деталi i конструктивнi елементи, мщшсть яких не викликае сумшву або може бути визначена шженер-ними методами, а також таю конструктивш елементи як фаски, канавки, невелик отвори i iншi об'екти, як не мають значного впливу на мiцнiсть, однак для !х корек-тного опису вимагаеться значне зменшення розмiрiв юнцевих елементiв.
Другий етап - врахування закрiплень i в'язей та зав-дання навантажень.
Розрахунок системи включае оцiнку мщносп пере-рiзiв, нормальних до поздовжньо! осi; нахилених стiйок; горизонтальних дшянок стику.
Неснiй здатностi системи ввдповвдае мiнiмальне значення зовнiшнього навантаження, за якого проходить втрата мщносп в одному з перерiзiв або елеменпв -Qp = min{Qi} .
Таким чином здiйснюеться рацiональне констру-ювання залiзобетонних опор конвеерiв, е можливiсть регулювати несну здатшсть змiною окремих конструк-тивних параметрiв. Ефективним засобом пiдвищення несно! здатностi системи можна вважати тдсилення зв'язюв зсуву стику та поздовжне армування низу опори, змшюючи несну здатнiсть системи до тако!, що ввд-пов!дае несшй здатносп монол!тно! системи.
Конвеери складаються з привода i тягового органа, завантаженого зовшшшми вантажами. OKpeMi елементи ще! електpомеханiчноi системи здiйснюють обеpтовi рухи, рух вантажiв характеризуеться горизонтальними та вертикальними пеpемiщеннями.
Рiвняння руху системи складаемо з використанням р1внянь Лагранжа другого роду (Tymoshenko, Yanh & Uyver, 1985; Veits, Kachura & Martynenko, 1971):
d(эt 1 = Qj, (j=176),
dt[dqj) dqj Э- ЭЛ. ' )'
(1)
Рис. 3. Розрахункова схема та епюри напружень для опори конвеера: а) розрахункова схема; б) епюри вертикальних напружень
4j
де: Т, П - ввдповщно кiнетична та потенцiальна енерги системи; Ф, - дисипативна функцiя Релея; q - узагаль-ненi координати системи; - узагальнена зовнiшия сила.
Шд дieю зовнiшнiх зусиль виникають додатковi ди-намiчнi навантаження. Динамiчнi процеси, що виника-ють у рухомих ланцюгах, математично можна описати гiперболiчним рiвнянням у частинних похiдних. Р1в-няння руху ланцюга набуде такого вигляду:
Э^(х,t) + 2F ЭЦ(X,t) _(C2 _Г2)ЭЦМ = FW (2) dt2 H dxdt 1 H> Эх2 M ' де: U (х,t) - перемiщення ланцюга з координатою х у довшьний момент часу t; VH - стацiонарна швидюсть руху ланцюга; M - маса рухомого ланцюга; C - швид-юсть поширення пружно! поздовжньо! хвилц F - сила натягу ланцюга.
Залежно вiд режиму роботи, який розглядаеться, зусилля F(t) приймають рiвним FH - силi, яку сприймае несна вiтка конвеера, або значенню рушiйно! сили кон-веера Fp , а також може бути додатково визначене для перехвдних режимiв роботи.
Пiд час транспортування вантажгв та зупинки для навантаження i розвантаження в ланцюгових конвеерах важко забезпечити плавшсть руху. При зупинках i початку руху, за рахунок зазорiв мiж ланками ланцюга та зiрочками, виникають ударш динамiчнi навантаження, що приводить до руйнування ланок ланцюпв та зiро-чок.
Аналiз напружено-деформованого стану ланцюга дощльно провести методом скiиченних елеменпв. Для цього потрiбно збудувати твердот!льну параметричну модель ланцюга, створити моделi елеменпв ланки, а потгм iз цих елеменпв - збiрну модель ланцюга, задати характеристики матерiалу, статичнi та кшематичш гра-ничнi умови.
Внаслвдок навантаження ланцюга в мiсцях контакту елеменпв ланцюга виникають локальнi поверхневi нап-руження, спричиненi силами тертя, з якими взаемодь ють ввдповвдш елементи конструкцi!. Як показуе аналз результатов розрахунюв, еквiвалентнi напруження у деталях ланцюпв значною мiрою залежать вiд коефь цiентiв тертя ковзання мiж поверхнями взаемодi!, а також вщ поверхнево! твердосп матерiалiв.
У процесi транспортування боковi коливання ство-рюють значний негативний вплив. Для того, щоб змен-шити боковi коливання в процес транспортування лан-цюговим конвеером i здiйснювати плавний i стiйкий рух у процес транспортування, можна пропонувати покращенi конструкцi! конвеерних ланцюпв. Зокрема, на основi теорi! зачеплення i новiтнiх методов проектування науковщ запропонували новий тип двосхилого безшумного ланцюга (Feng, 2013).
Пластини цього ланцюга розроблено i проанашзова- Перелiк використаних джерел
но у процес роботи з позици теорп зчеплення i причин т , , ^ ^ „ , . , , .
_ . _ Ivanchenko, F. K. (1993). Pidnimalno-transportni mashyny. Kyiv:
виникнення бокових коливань за швидкосп обертання ■,7.11.,м,| гттт1--п
^ Vyshcha shk. 414 p. [In Ukrainian].
n = 400 об/хв, момента опору обертання Т = 20 Н-м, та Bondariev, V. S. Dubynets, O. I. , Kolisnyk, M. P. et al. (2009). Pidi-
виконане поргвняння мiж новими безшумними ланцю- omno-transportni mashyny: Rozrakhunky pidiimalnykh I transpor-
гами i традицiйними подвiЙними ланцюгами для кон- tuvalnykh mashyn. Kyiv: Vyshcha shk., 734 p. [In Ukrainian].
веер1в. Результата анашзу показали, що значення боко- Liutyi, Ie. M. Nakhaiev, P. P., Badera, I. S., & Udovytskyi, O. M.
вих коливань безшумного ланцюга були значною Mi- (2006). Pidiimalno-transportuvalni mashyny i pnevmotransport
рою меншими, що дасть змогу полiпшити умови тран- pidpryiemstv lisovoho kompleksu. Part I. Transportuvalni
спортування. Таким чином, конструкция двосхилого mashyny. Lviv: NLTU Ukrainy, 154 p. [In №rainian].
безшумного ланцюга для конвеер1в мае цдашсть засто- Kovalchuk, R. A & Vysotska, Kh. A. (2Ш3Х Arnlysis of fte
stress-strain state chain conveyors. Scientific Bulletin of UNF U,
сування.
Висновки. Отже, при кнуванш постiйних сил опору
23(11), 158-164. Retrieved from: http://nltu.edu.ua/nv/Archive/2013/23_11/158_Kow.pdf
пересуванню тягового органа в електромеханiчнiй сис- Feng, Z. M. (2013). The design and lateral fluctuate analysis of a new
темi транспортерiв збуджуються параметричнi коливан- double-pitch silent chain for conveyors. Research Journal of
ня, зумовленi властивостями зачеплень TЯГOвi ланцю- Applied Sciences, Engineering and Technology 6(3), 457-461.
ги - зiрочки. Динамiчнiсть вимушених коливань можна Tymoshenko, S. P. Yanh, D. Kh., & Uyver, Y. (1985). Kolebanyia v
знизити, якщо зменшити крок ланцюга, збшьшити inzhenernom dele. Moscow: Mashynostroenye. 472 p. [In Russian]
швидюсть ланцюпв, пропонувати таю конструкцп лан- Veits, V. L., Kachura, A. E., & Martynenk°, A. M. (1971). цюпв, що дадуть змогу зменшити негативний вплив коливань на динамiчнi процеси в конвеер^
Dinamicheskie raschety privodov mashin. Leningrad: Mashynostroenye, 353 p. [In Russian].
А. Н. Удовицкий, И. Ф. Солтис
Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ
ЦЕПНЫМ ТРАНСПОРТЕРОМ
Изложена методика комплексного исследования цепного транспортера. Выяснено, что исследования динамических колебательных процессов при работе и моделировании цепного транспортера состоит из следующих этапов: создание трехмерной модели (3D) с проведением соответствующих конструкторских расчетов, проведение инженерного анализа, включая динамический анализ и исследования напряженного деформированного состояния наиболее нагруженных его элементов. При этом следует применять программные модули для конечно-элементного анализа трехмерной твердотельной модели. Рациональное конструирование железобетонных опор конвейеров, как составляющих системы, требует расчета прочности сечений по несущей способности системы, превышающей минимальное значение внешней нагрузки, при котором проходит потеря прочности в одном из сечений или элементов. Отдельные элементы электромеханической системы конвейера осуществляют вращательные движения, а грузы - горизонтальные и вертикальные перемещения. Уравнения движения системы составлены с использованием уравнений Лагранжа второго рода. Предложены рекомендации по уменьшению негативного влияния динамических явлений на работу конвейеров, а именно динамичность вынужденных колебаний можно снизить, если уменьшить шаг цепи, увеличить скорость цепей, предлагать такие конструкции цепей, которые позволят уменьшить негативное влияние колебаний на динамические процессы в конвейере.
Ключееые слова: машины непрерывного действия; моделирование; динамический анализ; комплексное проектирование; конечно-элементная модель.
O. M. Udovytskyi, I. F. Soltys
Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine
THE STUDY OF DYNAMIC PROCESSES DURING THE TRANSPORTATION BY CHAIN CONVEYOR
Work of chain conveyor is characterized by considerable dynamic loads in its elements. Although dynamic processes in conveyor traction elements are studied in many works, the problem of the analysis of stress-strained state of conveyors is not covered enough. Therefore, modeling and optimization of transporters in transient dynamic processes as multimass systems are of great practical importance as they determine the performance and reliability. Methods of complex study of the conveyor aim at creating three-dimensional models, conducting engineering design, dynamic analysis and study of stress-strain state of the most loaded elements. Stressstrain state software modules can be used for preparation and subsequent finite-element analysis of three-dimensional solid model. Calculation and rational designing of concrete poles conveyors include an assessment of the sections strength for the bearing capacity of the system in which the loss of strength is inadmissible. The equation of the system performing rotational movements, as well as horizontal and vertical movement are composed using the Lagrange equations of the second type. Recommendations to reduce the negative impact of dynamic phenomena affecting chain conveyor work are proposed, namely dynamic forced oscillations can be reduced by reducing the chain step, increasing chain speed, offering such chain design that will reduce the negative impact of fluctuations in the dynamic processes of the conveyor.
Keywords: machine of continuous action; modeling; dynamic analysis; integrated design; finite-element model.
1нформащя про aBTopiB:
Удовицький Олександр Миколайович, канд. техн. наук, доцент, Нацюнальний люотехшчний ушверситет УкраТни, м. Львiв, Украша. Еmail: [email protected]
Солтис 1ван Филимонович, канд. фiз.-мат. наук, доцент, Нацюнальний люотехшчний ушверситет УкраТни, м. Львiв, УкраТна. Email: [email protected]
