Обоснование параметров мощных крутонаклонных ленточных конвейеров с прижимной лентой для подъёма из глубоких карьеров

Е.Е. Шешко, канд. техн. наук, проф., Горный институт НИТУ «МИСиС»

Обоснование параметров мощных крутонаклонных ленточных конвейеров с прижимной лентой для подъёма из глубоких карьеров

Более 70 % полезных ископаемых в мире добывается открытым способом. Для поддержания и наращивания объемов добычи карьеры интенсивно развиваются вглубь и вширь. Глубина их часто превышает 400 м. В результате актуальность транспортирования полезных ископаемых и вскрышных пород из глубоких карьеров сильно возрастает.

В настоящее время признано, что перспективным способом подъема горной массы является переход на циклично-поточную технологию (ЦПТ), так как её эффективность с увеличением глубины карьеров только возрастает.

Вместе с тем традиционные ленточные конвейеры, допустимый угол подъёма которых 18–20° (то есть меньше углов откоса карьеров), необходимо располагать по диагонали борта карьера с образованием траншей и съездов между уступами.

Перегрузочные комплексы и техника, обслуживающая конвейеры, также требуют места, что достаточно сложно в стесненных условиях отстроенных бортов. Более рациональна установка подъёмных конвейеров по откосу борта, то есть под углами наклона, часто значительно превышающими 18–20°.

Конвейеры, способные работать под углами подъёма, превышающими 18–20°, то есть крутонаклонные конвейеры, в частности крутонаклонные конвейеры с прижимной лентой, широко известны в мире благодаря в частности успешно работающим установкам фирм «Continental Conveyor & Equipment Company», «Dos Santos International» (США), опытом работы карьеров «Майданпек» (Сербия) и «Мурунтау» (Узбекистан) [1–6]. Начали появляться крутонаклонные конвейеры и на российских карьерах. Вторая очередь ЦПТ руды – на Оленегорском ГОКе в 2015 г. запущена с крутонаклонным конвейером. К сожалению, изготовлен он не на российских заводах. В технической литературе появились сообщения о намерениях установить крутонаклонный конвейер с прижимной лентой на ряде российских карьеров.

Одновременно, имеются публикации, в которых выражается сомнение в его эффективности. Поэтому кажется важным остановиться на основных параметрах конвейера, его возможностях, определяющих эффективность.

Крутонаклонный конвейер с прижимной лентой является видоизмененным вариантом традиционного ленточного конвейера и в большой степени унифицирован с ним. Поэтому заводы, изготовляющие ленточные конвейеры, могут быть ориентированы и на крутонаклонные конвейеры с прижимной лентой.

Теоретическим обоснованием выбора параметров крутонаклонного конвейера с прижимной лентой в течение ряда лет достаточно успешно занимаются в Горном институте НИТУ «МИСиС», СПб Горном университете и ряде других.Рис. 1 Принципиальная схема крутонаклонного конвейера с прижимной лентой

Рис. 1 Принципиальная схема крутонаклонного конвейера с прижимной лентой

Крутонаклонный конвейер с прижимной лентой (рис. 1) состоит из грузонесущего I и прижимного контура II, которые могут иметь независимые приводы – III, IV и натяжные устройства – V,VI. Цифрами от 1 до 16 обозначены границы характерных участков конвейера. Прижимной контур оснащают прижимными устройствами VII, которые создают необходимое усилие, для удержания груза на крутонаклонном участке конвейера [участок 9–10]. Как можно судить по рисунку, загрузка конвейера производится на горизонтальном (или слабонаклонном) участке [7–8] грузонесущего контура (сечение А–А), аналогично ленточному конвейеру.

При выборе параметров крутонаклонного конвейера с прижимной лентой следует считаться с некоторыми особенностями его устройства и работы. Во-первых, в силу конструктивной схемы, ширина ленты должна быть примерно на типоразмер, больше, чем у стандартного ленточного конвейера. Во-вторых, интерес представляет переходной участок конвейера (от горизонтального к крутонаклонному) [участок 8–9]. Величина радиуса его определяет размеры загрузочного узла. Этот участок может иметь прижимные устройства и быть выполненным без них. На большинстве зарубежных установок он выполнен без прижимных устройств. Удержание груза при переходе на крутой угол наклона осуществляется за счет прижатия его грузонесущей лентой к фиксированной (стационарными роликоопорами) от вертикального перемещения прижимной ленте, (рис. 1, сечение Б-Б) [7,8].

В технической литературе минимально допустимый радиус переходной кривой на конвейерах с прижимной лентой часто определяется методами, применяемыми для расчёта упругих балок, без учета реальной конфигурации лент, представляющих собой ортотропную оболочку, изогнутую в продольной и поперечной плоскости с различными упругими свойствами лент в этих направлениях, что обусловливает значительную ошибку.

Для анализа этой проблемы был принят условный конвейер: производительность Q = 2000 т/ч, с углом подъема крутонаклонной части = 43о, высотой подъема Н = 100 м, скорость лент v = 3,15 м/с. Насыпной груз принят плотностью = 1,9 т/м3, коэффициент внутреннего трения груза μтр = 0,364 , трения о ленту μ = 0,3.Рис. 2 Напряженное состояние прокладочной ленты, полученное с использованием методов и программного обеспечения комплекса «ANSYS»: а) внутренней и б) внешней стороны переходного участка конвейерной ленты при натяжении 12,5 кН и радиусе 20 м

Рис. 2 Напряженное состояние прокладочной ленты, полученное с использованием методов и программного обеспечения комплекса «ANSYS»: а) внутренней и б) внешней стороны переходного участка конвейерной ленты при натяжении 12,5 кН и радиусе 20 м

При величине радиуса в 20 м и расчетном натяжении 12,5 кН (результат расчета методом, применяемым для упругих балок), было рассмотрено напряженно-деформированное состояние прокладочной ленты с использованием методов и программного обеспечения комплекса «ANSYS» (рис. 2). На рисунке отчетливо видно, что средняя часть ленты и её края растянуты, но одновременно остаются значительные по величине зоны (синий и голубой цвет), имеющие напряжения сжатия, которые конвейерная лента не в состоянии воспринимать.

Варьированием натяжений ленты на этом участке, величиной радиуса и типом ленты были получены зависимости минимально необходимого радиуса переходного участка от натяжений ленты 1 мм ширины прокладки ленты (рис. 3).Рис. 3 Значения минимально необходимого радиуса переходного участка от натяжений ленты

Рис. 3 Значения минимально необходимого радиуса переходного участка от натяжений ленты

Сравнение значений радиуса переходного участка для лент с различными модулями упругости показало, что минимально допустимые радиусы переходных кривых, полученные в результате моделирования напряженного состояния прокладочной конвейерной ленты, превышают рассчитанные по способам, применяемым для упругих балок, на 30–40 % [9].

В последние годы появились установки и проекты крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой на карьерах большой производственной мощности и глубины, где требуется высота подъёма конвейером 250–300 и более метров и желательно, конечно, одним ставом. При этом необходима резинотросовая лента, прочностью 5000–8500 Н/мм ширины ленты, модуль упругости которой существенно выше, чем тканевой ленты, что предопределяет и больший радиус переходного участка, часто сопоставимый с длиной конвейера.

В этих условиях лучший результат можно получить изменением конструкции участка: применением прижимных устройств также и на переходном участке, рис.1, сечение В–В.Рис. 4 Начало переходного участка крутонаклонного конвейера

Рис. 4 Начало переходного участка крутонаклонного конвейера

В-третьих, на эффективность крутонаклонного конвейера с прижимной лентой существенное влияние оказывает степень загрузки полотна конвейера. У большого числа работающих установок загрузка грузонесущего полотна крутонаклонного конвейера составляет менее 60% загрузки традиционного ленточного конвейера. На рис. 4 запечатлен момент, предшествующий наложению прижимной ленты. Отчетливо видна незначительная загрузка конвейера.

Это объясняется желанием снизить как высоту слоя материала, находящегося на ленте, так и напряжения и деформации, возникающие в ленте, что приводит к значительной потере производительности конвейера и эффективности его.

Величину загрузки поперечного сечения конвейера по деформациям лент ограничивает возможность просыпания материала между грузовой и прижимной лентами, а по напряжениям – минимальные напряжения в ленте, необходимые для её устойчивого движения.Рис. 5 Момент отсутствия смыкания грузонесущей и прижимной лент

Рис. 5 Момент отсутствия смыкания грузонесущей и прижимной лент

Уменьшить деформации и избежать недопустимых напряжений в прижимной ленте можно за счет увеличения её натяжения и прижимного усилия. Выполненные исследования показали, что увеличение натяжения лент незначительно изменяет её поперечные деформации и напряжения и окончательно достигнуть герметичного смыкания краев лент только этим способом не удаётся (рис. 5).

На деформации середины и краёв грузонесущей ленты, а также на напряжения в ней в большей степени влияет расстояние между роликоопорами.Рис. 6 Деформации грузонесущей ленты по оси Z (а) и по оси Y(б) и напряжения по оси Х (в) при величине загрузки равной загрузке традиционного ленточного конвейера

Рис. 6 Деформации грузонесущей ленты по оси Z (а) и по оси Y(б) и напряжения по оси Х (в) при величине загрузки равной загрузке традиционного ленточного конвейера

На рис. 6 представлены деформации по оси Z (а) и по оси Y(б) и напряжения по оси Х (в), полученные при увеличении загрузки условного конвейера до загрузки традиционного ленточного конвейера. Увеличение рабочей ширины ленты составляет 0,2 м, высота груза на ленте увеличивается на 0,08 м.

Можно видеть, что на краях лента имеет большие деформации по оси Y (до 0,025 м), середина ленты по оси Y деформируется незначительно (0,0097 м), деформации края ленты по оси Z составили 0,0056 м. Напряжения в краях ленты опускаются ниже допустимых пределов и переходят в зону неустойчивого движения ленты (–0,212.107 Па). При увеличении несущей способности грузонесущей ленты лимитирующим параметром, как правило, является напряженно- деформированное состояние её краев.

Были проведены исследования напряженно-деформированного состояния ленты при варьировании расстоянием между роликоопорами и величинами натяжений грузонесущей ленты на крутонаклонной линейной части конвейера при величине загрузки, равной традиционному ленточному конвейеру, и построены графики зависимостей деформаций и напряжений от расстояния между роликоопорами при различных натяжениях.Рис. 7 Зависимость деформаций края ленты по оси Z от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесущей ленты при 100%-ной загрузке конвейера

Рис. 7 Зависимость деформаций края ленты по оси Z от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесущей ленты при 100%-ной загрузке конвейера

Зависимости деформаций края ленты по осям Y и Z и напряжений по оси X от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесущей ленты при 100% загрузке конвейера представлены на рис. 7–9. Края грузонесущей ленты, как можно видеть, значительно деформируются по оси Z и по оси Y.Рис. 8 Зависимость деформаций края ленты по оси Y от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесущей ленты при 100%-ной загрузке конвейера

Рис. 8 Зависимость деформаций края ленты по оси Y от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесущей ленты при 100%-ной загрузке конвейера

Как можно видеть, увеличение предварительного натяжения на 10 кН несколько улучшает картину НДС. Но только увеличение натяжения на линейной части до 50 кН, снимает ограничения по напряжениям краев лент и по деформациям при расстоянии между роликоопорами равном 1,2 м.Рис. 9 Зависимость напряжений, возникающих в нижней обкладке края ленты, от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесущей ленты при 100%-ной загрузке конвейера

Рис. 9 Зависимость напряжений, возникающих в нижней обкладке края ленты, от расстояния между роликоопорами при различном натяжении грузонесущей ленты при 100%-ной загрузке конвейера

Вместе с тем увеличение натяжения ленты может привести к необходимости принять более прочную ленту с другими характеристиками, что потребует увеличения затрат. Поэтому увеличение натяжения может быть рекомендовано только в 1,5–2 раза от расчетных.

Поскольку натяжения грузонесущей ленты после прохождения переходного участка резко возрастают, то самым опасным участком крутонаклонной части является зона, которая находится сразу после нижнего переходного участка (первые 25–30 м), выше т. 9 на рис.1. Через каждые 5 м става крутонаклонной части условного конвейера, натяжение ленты увеличивается на 5 кН, следовательно, уже можно увеличивать и расстояние между роликоопорами. Из анализа напряженно- деформированного состояния лент следует, что существует возможность увеличения производительности крутонаклонного конвейера с прижимной лентой за счет увеличения поперечного сечения груза на ленте изменением характера установки роликоопор в нижней части крутонаклонного участка. Увеличение числа роликоопор на ограниченной длине незначительно скажется на металлоёмкости и затратах на конвейер [10,11].

В-четвертых, при различных продольных деформациях грузонесущей и прижимной лент возможно их проскальзывание по грузу (участок 8–10), что отрицательно сказывается на удержании силами трения материала на ленте и увеличивает износ лент. Этого процесса можно избежать или, по крайней мере, сильно его уменьшить за счёт выбора модулей упругости грузонесущей и прижимной ленты в соответствии с их сопротивлениями движению.

В-пятых, возникают вопросы по энергоэффективности крутонаклонного конвейера с прижимной лентой. Однако проведенные исследования показали, что энергоемкость крутонаклонного конвейера с прижимной лентой не только не превышает энергоёмкости ленточного, но даже несколько меньше его при той же высоте подъёма.

В-шестых, наличие двух ленточных контуров на конвейере не сказывается существенно на эффективности крутонаклонного конвейера.

Так как суммарная прочность обеих лент на 10–15% меньше прочности ленты стандартного ленточного конвейера при расчете на одну высоту подъёма, а суммарная длина лент при углах наклона более 35–40є уже меньше, чем длина ленты стандартного ленточного конвейера.

Таким образом, затраты на ленты и электроэнергию аналогичны или даже меньше, чем у стандартного ленточного конвейера. В-седьмых, нельзя не признать, что крутонаклонный конвейер с прижимной лентой имеет большую (на 65–70%) металло ёмкость [12]. Вместе с тем существенное снижение длины транспортирования крутонаклонным конвейером компенсирует увеличение линейной металлоёмкости конструкции при расчете на одну высоту подъема.

Выводы

1. Проведенные исследования, а также анализ опыта эксплуатации крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой на горных предприятиях позволил создать рекомендации по выбору основных параметров крутонаклонного конвейера с прижимной лентой: ширину лент, их тип, необходимые модули упругости, мощности приводов, распределение нагрузки между контурами конвейера, радиусы переходных участков и др.

2. Существует реальная возможность увеличения производительности крутонаклонного конвейера с прижимной лентой при той же ширине ленты и скорости её движения за счет увеличения поперечного сечения груза на ленте крутонаклонного конвейера до величины традиционного ленточного конвейера. При этом уменьшение деформаций и ликвидация напряжений в краях ленты ниже допустимых пределов достигается варьированием расстояния между роликоопорами на части крутонаклонного участка и величинами натяжений грузонесущей ленты.

3. Процесса проскальзывания грузонесущей и прижимной лент крутонаклонного конвейера при различных продольных деформациях можно избежать или его уменьшить за счёт выбора соответствующих значений их продольных модулей упругости.

4. Как показали исследования, энергоемкость крутонаклонного конвейера с прижимной лентой не только не превышает энергоёмкости ленточного, но даже несколько меньше его на одну и ту же высоту подъёма.

5. Опыт эксплуатации крутонаклонных конвейеров с прижимной лентой на горных предприятиях разных стран показал его высокую экономическую эффективность, несмотря на увеличение линейной металлоёмкости и усложнение конструкции.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Шеметов П.А., Санакулов К.С. Развитие циклично-поточной технологии на основе крутонаклонных конвейеров в глубоких карьерах // Горный журнал. 2011. №8. С. 43–52.
2. Логинов И.Г., Слепян В.И. Опыт создания конвейерного подъемника для транспортирования горной массы из карьера // Горный журнал. 2008. 4.¬ С.48–52.
3. Кучерский Н.И., Мальгин О.Н., Сытенков В.Н., Ларионов Е.Д, Иоффе А.М., Шелепов В.И. Эффективность проектируемого комплекса ЦПТ-руда с крутонаклонным конвейером для карьера «Мурунтау». // Горный журнал. 2005. 11. С. 59.
4. Санакулов К.С., Умаров Ф. Я., Шеметов П.А. Снижение затрат в глубоких карьерах на основе применения крутонаклонного конвейера в составе комплекса ЦПТ // Горный вестник Узбекистана. 2012. 2. С. 8–12.
5. J.D. Santos. The cost and value of high-angle conveying: A comparison of economics for different conveying paths. Bulk Solids Handling Volume 33, Issue 1, 2013, Pages 18–23. Dos Santos International, United States.
6. Кириченко А. И., Дзержинский В.А., Картавый А.Н. Мощный крутонаклонный транспортный агрегат для карьера "Мурунтау" Навоийского ГМК // Горное оборудование и электромеханика. 2012. 1. С. 23–28.
7. Dos. Santos J.A., Sandwich Belt High Angle Conveyors According to the Expanded Conveyor Tehnology Bulk Solids handling. Vol. 20 1, USA, 2000
8. Мальгин О. Н., Шелепов В. И., Ларионов Е. Д Проектирование, конструктивные и технологические особенности комплекса ЦПТ-руда с крутонаклонным конвейерным подъемником // Горный журнал. 2013. №8.
9. Атакулов Л.Н. Определение рациональных параметров переходного участка крутонаклонного конвейера с прижимной лентой // Горное оборудование и электромеханика. 2007. 8. С.42–44.
10. Касаткин А.А. Моделирование лент крутонаклонного конвейера с прижимной лентой для обоснования их деформаций // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. 2. С.260–265.
11. Шешко Е.Е., Касаткин А.А. Влияние напряженно-деформированного состояния лент крутонаклонного конвейера с прижимной лентой на его работоспособность // Горный журнал. 2009. 1. С.79–82.
12. Шешко Е. Е., Картавый А. Н. Эффективный крутонаклонный конвейерный подъем для карьеров, шахт и перерабатывающих предприятий. // Горные машины и автоматика. 2001. 6. С. 35–41.
Ключевые слова: крутонаклонный ленточный конвейер с прижимной лентой, производительность, упругие свойства лент, карьер, прокладочные и резинотросовые ленты, моделирование напряженно-деформированного состояния лент, нагрузка на ленты, модуль упругости

Журнал "Горная Промышленность"№6 (136) 2017, стр.80