Wybrane aspekty dynamiki przenonika zgrzebłowego rurowego

Transkrypt

1 Symulacja w Badaniach i Rozwoju Vol. 1, No. 1/2010 Kazimierz FURMANIK, Michał PRCIK Akademia Górniczo-Hutnicza al. Mickiewicza 30, Kraków, Politechnika Krakowska, Al. Jana Pawła II 37, Kraków, fukaz@agh.edu.pl, mp@sparc2.mech.pk.edu.pl 1 Wstp Wybrane aspekty dynamiki przenonika zgrzebłowego rurowego Przenoniki zgrzebłowe rurowe znajduj coraz szersze zastosowanie w transporcie wewntrzzakładowym materiałów drobnouziarnionych i pylistych. Dziki swoim zaletom maj one liczne i rónorodne zastosowania w wielu gałziach gospodarki zwłaszcza wtedy, gdy stawiane s szczególne wymagania w zakresie ochrony rodowiska i bezpieczestwa pracy. Stwarzaj równie nowe moliwoci rozwizywania technicznych problemów transportowych w sposób, który w ogólnym bilansie ekologicznym, ekonomicznym i eksploatacyjnym moe okaza si korzystniejszy ni przy zastosowaniu dotychczasowych rodków transportu, takich jak: przenoniki rubowe, tamowo-rurowe, kubełkowe, zgrzebłowe czy urzdzenia transportu pneumatycznego. Wzgldy ochrony rodowiska oraz specyficzne wymagania wynikajce z procesów technologicznych w wielu przypadkach preferuj te przenoniki na tle innych rodków transportu. Rys. 1. Przykład zastosowania przenonika zgrzebłowego rurowego do załadunku wagonów kolejowych Fig.1. Example of utilizing of scraper pipe conveyor for railway carriages loading Rys.2. Widok modelu przenonika zgrzebłowego rurowego z układem pomiaroworejestrujcym Fig.2. View of the scraper pipe conveyor model with measurement system 25

2 )&)/ %J 1#P Obok wielu zalet takich jak: prosta konstrukcja, zabudowa i obsługa, moliwoci transportowania materiałów w pełnej izolacji od otoczenia oraz uzyskania pyło-, wodo-, a nawet gazoszczelnoci, maj take istotne wady, jak: due opory ruchu, znaczne i nierównomierne zuycie cierne rur i zgrzebeł powodowane tarciem. Tarcie materiału transportowanego i zgrzebeł o cianki rury sprzyja równie powstawaniu niepodanych drga w przenoniku zgrzebłowym rurowym. Te aspekty dynamiki modelu przenonika zgrzebłowego rurowego przedstawionego na rys. 2 były, w niniejszej pracy, przedmiotem bada dowiadczalnych i symulacyjnych. Przeprowadzone pomiary przemieszcze oraz siły oporu ruchu zgrzebła wraz z materiałem pozwoliły na identyfikacj modelu tarcia, który mona było wykorzysta w badaniach symulacyjnych ruchu takiego przenonika, bez uwzgldnienia dodatkowych, wymuszonych drga zewntrznych rury. Na drodze bada symulacyjnych okrelono wpływ cech konstrukcyjnych modelu przenonika, jak równie własnoci materiału transportowanego (materiał sypki i stalowe kulki) na wielkoci charakteryzujce drgania wzbudzane tarciem. Przeprowadzono take pomiary oporu ruchu w przypadku uwzgldnienia dodatkowych, poprzecznych drga wymuszonych sygnałem harmonicznym o rónych czstotliwociach. W badaniach identyfikacyjnych wykorzystano pakiet VisSim & Analyze, a wyniki analizy przedstawiono w postaci stosownych wykresów oraz wniosków kocowych. 2 Przebieg i wyniki pomiarów Obiektem bada dowiadczalnych był model fizyczny przenonika, przedstawionego na rys.3. Cech charakterystyczn jego konstrukcji jest wykorzystanie do przesuwu zgrzebeł 2 przekładni rubowej. ruba 4 przekładni uzyskuje napd poprzez nakrtk i przekładni pasow z silnika elektrycznego 5. Rura przenonika 1 moe pracowa przy zmiennym nachyleniu, nastawianym w granicach kta α. Pomiarom podlegały zmiany prdkoci liniowej zgrzebeł v mierzonej w kierunku osi rury przenonika oraz przebieg siły napicia W - mierzonej dynamometrem 7 umiejscowionym w zespole ruby pocigowej. Pomiary dokonywane były w trakcie procesu cignicia lub przepychania nosiwa w rurze. 26

3 rura przenonika; 2 - zgrzebło talerzowe; 3 - otwór zasypowy; 4 - ruba napdowa; 5 - silnik elektryczny napdowy; 6 - moduł akwizycji danych z pomiarów siły W i prdkoci v; 7 - przetwornik siły; α - zmienny kt nachylenia Rys.3. Schemat stanowiska modelu przenonika zgrzebłowego rurowego Fig.3. Scheme of the stand of scraper pipe conveyor model Przykładowe wyniki rejestracji z bada dowiadczalnych przedstawiono na rysunkach Rys. 4. Przykładowe przebiegi siły i prdkoci zmierzone na stanowisku badawczym Fig. 4. Exemplary charts of the resistant force and velocity measured on the experimental stand 27

4 )&)/ %J 1#P Rys. 5. Przykładowe cykliczne przebiegi siły zmierzone na stanowisku badawczym przy małej prdkoci cignicia - pchania Fig. 5. Exemplary cyclic charts of the resistant force measured on the experimental stand at little pulling-pushing velocity Rys. 6. Przykładowe cykliczne przebiegi siły zmierzone na stanowisku badawczym przy duej prdkoci cignicia - pchania Fig. 6. Exemplary cyclical charts of the resistant force measured on the experimental stand at large pulling- pushing velocity 28

5 Rys. 7. Przykładowe przebiegi siły i prdkoci zmierzone na stanowisku badawczym przy wymuszonych drganiach poprzecznych rury modelu przenonika Fig. 7. Exemplary charts of the resistant force and velocity measured on the experimental stand by excited transverse vibrations of the conveyor model pipe Rys. 8. Dowiadczalnie zidentyfikowana charakterystyka siły oporu od prdkoci pchania Fig. 8. Experimentally identified characteristics of resistance force versus pushing velocity 29

6 )&)/ %J 1#P Rys. 9. Dowiadczalnie zidentyfikowana charakterystyka siły oporu od prdkoci przy cigniciu Fig. 9. Experimentally identified characteristics of resistance force versus pulling velocity Otrzymane wyniki pomiarów przemieszcze, prdkoci, siły oporu i mocy wskazuj na złoono dynamicznego zachowania si badanego układu. 3 Badania symulacyjne Celem tej czci pracy była symulacja ruchów elementów przenonika. Analiz ograniczono do badania wpływu parametrów konstrukcyjnych i materiałowych na proces generowania drga wzdłunych ruby przenonika. Etap ten traktowany był jako wstpny. Na dalszych etapach przewiduje si badania symulacyjne moliwoci sterowania drganiami pod ktem minimalizacji oporów ruchu, przy wykorzystaniu układów o odcinkowo zmiennej sztywnoci lub kształtowanie charakterystyk siły pocigowej przy zastosowaniu aktuatorów i sterowników PLC [1], [5]. Zaleno na opory ruchu W opory, spowodowane tarciem warstwy materiału sypkiego, mona - przy załoeniu homogenizacji nadawy - przedstawi w ogólnej postaci [2]: gdzie: α kt nachylenia rynny wzgldem poziomu, który naley uwzgldni ze znakiem: przy ruchu warstwy materiału w gór, - przy ruchu warstwy materiału w dół, gr - kt graniczny (ujemny), przy którym W opory = 0, 30 4µ kd H sgn( α α ) 2 2 grs D d 2 2 D d Wopory = π γ mh ( µ cosα sinα) e (1) 4 α = arctan(µ) gr

7 D - rednica wewntrzna rury (rynny), d - rednica cigna, H - długo warstwy transportowanego materiału, µ - współczynnik tarcia materiału o rynn, γ m - ciar właciwy materiału transportowanego, k = tg 2 (π/4 - φ/2) - współczynnik charakteryzujcy właciwoci materiału φ - kt tarcia wewntrznego materiału, Uzalenienie współczynnika tarcia zewntrznego (materiału o rynn) od prdkoci przesuwu materiału przyjto w postaci zalenoci [3]: µ(v)=a. [1-exp(-B. v)]. exp(-c. v)d. vµ o (2) gdzie: A, B, C, D s stałymi okrelanymi metod dowiadczalnej identyfikacji parametrycznej; µ o jest współczynnikiem tarcia spoczynkowego materiału nadawy o rynn. Dane przyjte do programów symulacji: - moc silnika elektrycznego napdu N = 760 W, - prdko obrotowa silnika n 0 = 2500 obr/min, - przekładnia rubowa o gwincie trójktnym M10 x 1.5, - rednica koła pasowego nakrtki napdowej D1 = 25 mm, - rednica koła pasowego na wale silnika napdu D2 = 60 mm, - współczynnik sprystoci sprzgu czujnika siły cd = (1 100) 1000 [N/m], - rednica rury przenonika D = 100 mm, - odstp midzy tarczami zgrzebłowymi H = 300 mm. Przykładowe wyniki symulacji w pakiecie MathCad przedstawiono poniej. π α := 0, µ := 0.7 v := 0, [m/s] ( ) αgr := atan µ 180 αgr = π [o] D := 0.1 [m] do := [m] h := 0.3 [m] γm := [N/m^3] π φ := 6 µd( v) := ( 1 exp ( 850 v) ) exp ( 168 v) v µ k tan π 2 φ := 4 2 ( ) w α, v ( ) π D 2 do 2 := 4 γm h ( µd( v) cos( α) sin( α) ) exp 4 µd( v) k D h sign( α αgr) D 2 do w( α, 0.005) w( α, 0.1) 400 µd( v) α 180 π v 31

8 )&)/ %J 1#P Sc gamma_m h1 alfa D do mi cos sin pow pow l / 4 r fi 2 l r / - alfa alfa_gr l Sc r 1 1 exp - -1 / Sc tan sign k mi D h D h1 udział HRC :time constant pow k W 1/S - :time constant udział exp Fskr l r dfc/dt Fc / Plot Time (sec) Plot blok obliczania dynamicznego wspólczynnika tarcia zewntrznego mi.20 Plot Blok danych parametry konstrukcyjne i parametry nadawy Time (sec) Rys. 10. Sub-bloki obliczania sił oporów od nadawy i dynamicznego współczynnika tarcia zewntrznego Fig. 10. Sub-blocks of calculations of resistances force from bulk material and of dynamic coefficient of external friction 4 Wnioski i uwagi kocowe Wyniki bada symulacyjnych odnoszce si do sposobu racjonalnego okrelania dynamicznego współczynnika tarcia nadawy o rynn przenonika, potwierdziły przydatno proponowanej koncepcji modelowania oporów ruchu nadawy. Działanie badanego systemu mechanicznego jest wraliwe na kt nachylenia przenonika i współczynnik wypełnienia (przy zasypie). Funkcja oporów tarcia w ruchu ustalonym, badana jako zaleno od kta pochylenia posiada jedno maksimum lokalne. Zagadnienie stabilizacji nacigu w cignie przenonika (wane ze wzgldów eksploatacyjnych) moe by analizowane dopiero po wprowadzeniu do modelu przenonika własnoci sprysto-tłumicych cigna i zgrzebła. Drgania cigna wpływaj na proces zagszczania nadawy. Odpowied dynamiczna sprzenia ciernego na zastosowane wymuszenia oddziałujce na cigno, zaley silnie zarówno od charakterystyk tarcia zakładanych w trakcie symulacji, jak równie od sygnału wymuszenia - rozwizanie uzyskano przy warunku ograniczonej, stałej mocy silnika napdowego. Literatura 1. Edwards S.F., Grinev D.V.: Granular media as a physics problem, Advances in Complex Systems, World Scientific Publishing Company,

9 Furmanik K., Prcik M.: Modelowanie dynamiki przenonika zgrzebłowego rurowego. Symulacja w Badaniach i Rozwoju, red. L. Bobrowski, A. Grzyb, PTSK, Instytut Pojazdów Szyn. Politechniki Krakowskiej, McLeod Institute, Kraków Prcik M., Szlachetka T.: Metody stereologiczne w probabilistycznym modelowaniu nadawy przenonika zgrzebłowego rurowego, XXXV Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Szkoleniowa Zastosowa Matematyki, Zakopane Professional VisSim & Analyze, Visiual Solution, Inc. Westford ser. No ak S.H.: Systems and Control. Oxford University Press, New York, Oxford 2003 Streszczenie Racjonalne modelowanie dynamiki przenoników rurowych zgrzebłowych wymaga nowego podejcia do zagadnienia szacowania oporów ruchu nadawy, we wntrzu rury przenonika. Przedstawione s wyniki bada dowiadczalnych, symulacyjnych i analiz teoretycznych dotyczcych ruchu i obcie wybranych elementów konstrukcji modelu przenonika rurowego. Sformułowano w pracy wnioski kocowe. Selected aspects of dynamics of scraper pipe conveyors Summary Rational modelling of scraper pipe conveyors dynamics requires new approach to evaluation of motion resistance of granular medium inside of scraper s pipe. The results of theoretical and numerical simulations and experimental investigations of movements and loads of chosen parts of scraper pipe conveyor model are presented. Final conclusions have been introduced in the paper. 33