Разработка методики расчета и создание рациональной конструкции канатного грейфера-рыхлителя для смерзшихся сыпучих материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Севастьянов, Владимир Апполинарьевич

• Севастьянов, Владимир Апполинарьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Севастьянов, Владимир Апполинарьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

1.1. Перегрузка смерзшихся сыпучих материалов в речных портах.

1.2. Расчет зачерпывания материалов грейферными механизмами.

1.3. Начальное заглубление челюстей грейфера в материал и анализ факторов, определяющих его величину.

1.4. Методы интенсификации процесса разработки мерзлых и прочных материалов.

2. Аналитические исследования взаимодействия канатного грейфера-рыхлителя со смерзшимся сыпучим материалом и разработка методики его расчета.

2.1. Сопротивление внедрению режущих элементов различной формы в смерзшийся сыпучий материал.

2.2 Силы, действующие на грейфер-рыхлитель при начальном заглублении челюстей в смерзшийся сыпучий материал.

2.3 Силы, действующие на грейфер-рыхлитель при разрушении смерзшейся корки материала в начале смыкания челюстей.

2.4 Силы, действующие на грейфер-рыхлитель при зачерпывании разрыхленного материала.

2.5 Инженерная методика силового расчета грейфера-рыхлителя и его элементов на прочность и выносливость.

3 Оборудование, методика и задачи экспериментальных исследований.

3.1 Описание специального испытательного оборудования.

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований.

4 Исследование промерзания сыпучих материалов в штабеле.

5 Внедрение режущих элементов в смерзшийся сыпучий материал.

6 Физико-механические свойства смерзшихся сыпучих материалов.

6.1 Сопротивление внедрению режущего элемента в смерзшийся сыпучий материал.

6.2 Сопротивление одноосному сжатию смерзшихся материалов.

6.3 Коэффициент трения по стали смерзшихся увлажненных материалов.

6.4 Модуль уплотняемости сыпучих материалов.

6.5 Коэффициент бокового давления сыпучих материалов.

6.6 Оценка результатов определения физико-механических свойств смерзшихся сыпучих материалов.

7 Разработка конструкции двухчелюстного канатного грейфера-рыхлителя для смерзшихся сыпучих материалов.

7.1 Натурные исследования работоспособности двухчелюстного канатного грейфера-рыхлителя.

7.2 Описание конструкции промышленного образца двухчелюстного канатного грейфера-рыхлителя для разработки смерзшихся сыпучих материалов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики расчета и создание рациональной конструкции канатного грейфера-рыхлителя для смерзшихся сыпучих материалов»

Бурно развивающаяся строительная индустрия в стране требует постоянного увеличения поставки минерально-строительных материалов и твердого топлива. Одновременно с этим в речных портах РФ возрастают объемы перегрузки сыпучих материалов, как в навигационный, так и в межнавигационный периоды.

Актуальность работы. 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 [2].

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 С++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 6 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 м и л

3,2 м , 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, И таблиц, библиографии из 80 наименований и приложений на 52 страницах.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Севастьянов, Владимир Апполинарьевич

8. Результаты работы в виде экспериментальных и опытных образцов грейферов-рыхлителей, а также практических рекомендаций по совершенствованию технологии перегрузки ССМ внедрены в речных портах г.г. Н.Новгорода, Ярославля, Костромы, Казани, а методики расчетов используются в учебном процессе на каф. ПМ и ПТМ ВГАВТ, на каф. СДМ НГТУ и на каф. ТМ ДЛИ НГТУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Севастьянов, Владимир Апполинарьевич, 2006 год

1. Железнов, С. В. Исследование и обеспечение условий перевозок грузов речным транспортом при отрицательных температурах: Дисс. канд. техн. наук: 05.22.19 - Защищена 06.05.84; Утв. 16.09.84; Горький, 1984. - 196 с. - Библиогр.: с. 188 -196.

2. Повысить надежность канатного грейфера при перегрузке угля при отрицательных температурах воздуха: Отчет о НИР/ГИИВТ; Руководитель А С. Слюсарев. № ГР 01.85.001154; инв. № Г-85-16 - Горький, 1985. - 39 с. - Отв. исполн. В. А. Севастьянов.

3. Суриков, В. В. Механика разрушения мерзлых грунтов. JL: Стройиздат, 1979 -127 с.

4. Таубер, Б. А. Грейферные механизмы. М.: Машиностроение, 1967 - 424 с.

5. Зенков, P. JL Методика расчета грейферов. Тр/ВНИИПТМАШ, 1966, вып. 872, с. 3 - 77.

6. Малеев, JT. И. Влияние некоторых факторов на зачерпывающую способность грейфера / Вестник машиностроения 1957. - №8. - с. 36 - 38. Библиогр.: с. 38.

7. Крутиков, И. П. Грейферы двухканатного типа. Тр/ВНИИПТМАШ, 1949, кн. 2; Машнгиз. - 88 с.

8. Глебко, Д. К. Исследование влияния формы челюстей грейфера на его зачерпывающую способность: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.05.05 -Защищена 17.04.74; Утв. 26.09.74; - Ворошиловград, 1974. - 22 с.

9. Каракулин, Г. Г. Методика расчета оптимальных параметров канатных грейферов. Тр/ГИИВТ, 1980, вып. 177, ч. 1, Горький, с. 3 99.

10. Филяков, А. В. Исследование процесса зачерпывания двухканатным грейфером насыпных грузов: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.05.05 - Защищена 02.02.71; Утв. 19.09.71 - Астрахань, 1971. - 21 с.

11. Стрекалов, Б. Н. Исследование виброгрейферного способа выгрузки сыпучих грузов, их открытого подвижного состава: Дисс. канд. техн. наук: 05.05.05 -Защищена 08.06.71; Утв. 27.02.72; - М., 1971.-204 е.: Библиогр.: с. 183-204.

12. Ясиновский, А. М., Агеев, И. П. Метод определения сопротивлений от зачерпывания груза канатными грейферами на базе теории пассивного давления на наклонную стенку с учетом формы штабеля. Тр/ОИИМФ, 1968, Одесса, 22 с.

13. Долголенко, А. А. Портовые и судовые подъемно-транспортные машины. М.: Транспорт, 1975. 312 с.

14. А. с. 457660 СССР МКИ 3 В21 Якорное устройство./ Г. М. Лезгинцев, А. П. Матвеенков, М. М. Барановский, Ю. Г. Шевелев. (СССР) № 1162351/ -Заявл. 22.02. 73, Опубл. 21.01.74, в Б. И. № 3. -3 с.

15. А. с. 376315 СССР. МКИ 3 В. Грейферный бур./Л. А. Блюмкин. (СССР) № -Опубл. в Б. И. №17, 1973.

16. Зеленин, А. Н., Баловнев, В. И., Керров, И. П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. - 440 с.

17. Баловнев, В. И. Дорожно-строительные машины с рабочими органами интенсифицирующего действия. М.: Машиностроение, 1981. - 222 с.

18. Баловнев, В. И., Хмара, Л. А. Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1983. - 179 с.

19. Михайлов, Н. М. Борьба с затруднениями при поступлении на электростанции влажного или смерзшегося топлива. М.: - Л. Машиностроение: 1951. - 216 с.

20. Владимиров, А. П., Брайнина Е. Ю. Выгрузка и подогрев нерудных строительных материалов в зимних условиях. М.: Машиностроение, 1965. - 182 с.

21. Маталасов, С. Ф., Носков, Ю. А. Перевозки смерзающихся грузов. М.: Транспорт, 1964. - 132 с.

22. Маталасов, С. Ф. Борьба со смерзаемостью грузов при перевозке по железной дороге. М.: Транспорт, 1967. - 7-10 с.29.3еленин, А. Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.: Машиностроение, 1968.-450 с.

23. Гурин, М. А. Динамические характеристики мерзлого грунта при разрушении его виброударным забойным инструментом // Изв. АН СССР. Сер. Механика. 1963, № 3. - с. 45 - 48. - Библиогр.: с.48 (12 наимен.).

24. Николаев, Б. А., Гальперин, М. И. Разрушение мерзлого грунта отколом. -Строительство трубопроводов, 1962, №9. с. 13-16.

25. Химмельблау, Д. Анализ процессов статистическими методами. М.: Мир, 1973.-958 с.

26. Тутынин, В. Ф. Выбор алгоритма расчета и некоторые исследования железобетонных балок на упругом основании. Тр/ ЧПИ, Челябинск, 1973, №113. «Исследования по строительной механике грунтов».

27. Березанцев. В. Г. Расчет прочности оснований сооружений. М.: Гостройиздат, 1960.-316 с.

28. Горбунов-Посадов. М. И., Маликова, Т. А., Соломин, В. И. Расчет конструкций на упругом основании. 3-е издание, перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. - 679 с.

29. Шиголев, В. М. Математическая обработка наблюдений. 3-е изд. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. - 1969. - 344 с.

30. Дж. Себер. Линейный регрессионный анализ. М.: Мир, 1980. - 456 с.

31. Исследование операций. Математические основы и математические методы: Под. ред. Дж. Моудера, С. Элмаграби, перевод с английского. М.: Мир, 1981. 712 с. т.1.

32. Исследование операций. Модели и применения: Под ред. Дж. Моудера, С. Элмаграби, перевод с английского. М.: Мир, 1981. 678 с.

33. Баловнев, В. И. Физическое моделирование резания грунтов. М.: Машиностроение, 1969. - 159 с.

34. Некрасов, С.С. Сопротивление хрупких материалов резанию. М.: Машиностроение, 1971. - 184 с.

35. Кичигин, А. Ф.,Игнатов С. Н., Лазуткин А. Г.,Янцен И. А.Механическое разрушение горных пород комбинированным способом. М.: «Недра», 1972. 256 с.

36. Шеффе, Г. Дисперсионный анализ. Изд. 2. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1980. - 512 с.

37. Камке, 3. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -Перевод с немецкого, изд. 5. М.: Наука, 1976. 576 с.

38. Слюсарев, А. С. Теоретические основы расчета рабочих органов ПТМ, перерабатывающих сыпучие грузы. Тр/ ТПИ, 1985, Тула, 73-78 с.

39. РТМ 212.0133-85. Грейферы двухчелюстные канатные общего назначения для портовых кранов. Методы расчета при проектировании. Введ. 01.06.85 -Горький, 1985. - 55 с.

40. Домбровский. Н. Г., Гальперин, М. И. Строительные машины: Учебник для студентов ВУЗов. М.: Высшая школа, 1985. - 244 с.

41. Севастьянов, В. А. Методика комплексного исследования физико-механических и реологических свойств сыпучих грузов. Тр/ ТПИ, 1985, Тула, 103-105 с.51 .Митропольский, А. К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971. -576 с.

42. Кацев, П. Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1974.-238 с.

43. Брауде, В. И., Тер-Мхитаров, М. С. Системные методы расчета грузоподъемных машин. Л.: Машиностроение, 1985. - 181 с.

44. Бородюк, В. П., Вощинин, А. П., Иванов, А. 3. Статистические методы в инженерных исследованиях. Лабораторный практикум: Учебн. пособие / и др.; Под ред. Г. К. Круга М.: Высшая школа, 1983. - 216 с.

45. Красовский, Г.И., Филатов, Г. В. Планирование эксперимента. Минск: Изд. БГУ им. В. И. Ленина, 1982.-302 с.

46. Севастьянов, В. А. Метод силового расчета грейферных механизмов, подвергающих сыпучий груз сжатию. Тезисы доклада научной конференции молодых ученых Горьковской области, 1984, Горький, с. 192-193.

47. Слюсарев, А. С. Исследование процесса деформации снега в замкнутом объеме и расчет шнековых снегоуплотняющих механизмов: Дисс. канд. техн. наук: 05.05.05 Защищена 09.10.83; Утв. 02.03.84 - Горький. - 187 е.: Библиогр.: с. 179- 187.

48. Севастьянов, В. А. Некоторые результаты исследований физико-механических свойств сыпучих грузов, перегружаемых грейферами. Тр./ ГИИВТ, вып. 208, 1984, Горький, с. 39-45.

49. Цытович, Н. А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. - 288 с.

50. Волков, Д. П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М.: Машиностроение, 1965. -462 с.

51. Лепнев, М. И. Теоретические и экспериментальные исследования процессов смерзания, разогрева и рыхления смерзшихся грузов. Тр./ Промтрансниипроект, Госстрой СССР, 1978, вып. 9, с. 3-96.

52. Лукьянов, В. С., Головко, М. Д. Расчет глубины промерзания грунтов. М.: Трансжелдориздат, 1957. - 164 с.

53. Цытович, Н. А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. - 448 с.

54. Нерсесова, 3. А. О таянии льда в грунтах при отрицательных температурах. / Докл. АН СССР, т.4,, 1951,- № 3.-е. 56-57.

55. Худяков, В. Н., Малыгин, А. Л. О результатах изменения толщины ледяного покрова водоемов Горьковской области. Тр/ ГПИ, 1980, Горький, 11-14 с.

56. Расстегаев, И. К. Машины для вечномерзлых грунтов. М.: Машиностроение, 1986.-216 с.

57. Румшинский, Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971.- 192 с.

58. У1-4-4. Унифицировать и разработать новые захватные устройства к кранам: Отчет о НИР/ ГИИВТ-№ ГР 75049953; Инв. № Г-75/6 Горький, 1975. - 104 с. -Отв. исполн. Ю. М. Журавлев.

59. Северинова, Э. П., Разин, Г. М., Игнатова, Н. В. Определение основного параметра прочности смерзшихся насыпных грузов. Тр / Промтрансниипроект, Госстрой СССР, 1978, вып. 9, с.97 - 137.

60. Севастьянов, В. А. Влияние низких температур на физико-механические свойства сыпучих материалов / ГИИВТ, 1983.- 87 с. Деп. В ВИНИТИ, № 3 137.

61. Бердников, М. П. Исследование абразивных свойств мерзлых грунтов применительно к расчету износа и расхода инструмента землерезных машин: Автореф. дисс. канд. техн. наук: Защищена 03.04.74; Утв. 20.09.74 Омск, 1974. -24 с.

62. Госплан СССР. Нормы амортизационных отчислений по основным фондам народного хозяйства СССР и положение о порядке планирования начислений и использования амортизационных отчислений в народном хозяйстве. М.: Экономика, 1975. 120 с.

63. Каракулин, Г. Г., Громаковский, В. Ю. Технология ремонта грейферов в речных портах: Отчет о НИР / ГИИВТ; Руководитель Г.Г. Каракулин. № ГР 75049953; Инв. № Г-75/3, - Горький, 1975. - 60 с. Отв. исполн. Громаковский В.Ю.

64. Временная методика определения эффективности научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ на речном транспорте. М.: 1978. 180 с.

65. Казаков А. П. Технология и организация перегрузочных работ на речном транспорте. М.: Транспорт, 1984.-416 с.

66. МРФ РСФСР. Отраслевая методика определения экономической эффективности использования новой техники, изобретений и рационализаторских предложений на предприятиях речного транспорта. М.: Транспорт, 1978. 84 с.

67. A.C. 1364596 СССР, МКИ3 В 66 С 3/16. Грейфер / В. А. Севастьянов , А. С. Слюсарев (СССР). № 3908466/27-11; Заявлено 11.06.85.; Опубл. 07.01.88, Бюл. № 1 // Открытия, Изобретения. - 1988. - № 1.

68. Соловьев, А.Г. Алгоритм расчета грейфера на ЭВМ // Науч. Труды/ Ленинградский политехи. ин-т.-1978.- № 362.- с. 93 103.