Технические науки/ 3.Отраслевое машиностроение.

Айкеева А.А.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Имитационное моделирование динамики уплотняющих устройств в шахтных пневмоподъмных установках

Одно из решений проблемы добычи полезных ископаемых с глубоких горизонтов – внедрение скиповых пневмоподъемых установок, обеспечивающих транспортирование значительных объемов недробленной горной массы от места разработки на дневную поверхность без ограничений по глубине шахты (карьера) [1].

Очевидно, что без уплотняющих устройств, уплотняющих зазор между стенками сосуда и ствола, невозможна работа скиповых пневматических подземных установок. От надежной работы этого устройства зависит работоспособность всей установки в целом. Однако, несмотря на весьма широкое применение уплотнительных устройств в промышленности, до последнего времени нет обобщенных теоретических и экспериментальных исследований, которые могли бы использоваться при проектировании этих устройств.

Поэтому проблемы связанные с разработкой нового вида уплотняющего устройства оказались весьма сложными и требуют постановки широких исследований [1]. Среди них - исследование вопросов, связанных с надежностью герметизации и долговечностью эластичных элементов уплотняющих устройств, обеспечение минимальных потерь энергии в уплотнениях и наиболее благоприятных температурных режимов работы, разработка и создание новых видов уплотняющих устройств, методов их расчета, поиск и применение эффективных материалов для эластичных элементов уплотняющих устройств.

Обзор и анализ, проведенный Ю.А. Николаевым, показали, что использование существующих уплотняющих устройств, применяющихся в машиностроении, не представляется возможным. Поэтому им были разработаны новые типы уплотняющего устройства.

Уплотняющие элементы скиповых пневмоподъемных установок предназначены для уплотнения зазоров 50 мм и более, и имеют большой натяг. Вследствии, этого, кромка манжеты при работе подвергается значительному изгибу и имеет большой прогиб (деформацию). Поэтому деформация материала таких уплотнений не подчиняется закону Гука и допущениям линейной теории упругости.

Резину при малых деформациях можно рассматривать как линейную вязко-упругую среду. Однако при больших деформациях или сильном наполнении линейность между напряжением и деформацией не наблюдается и возникает необходимость в применении нелинейной теории вязко-упругости. Общую связь между напряжением и деформацией устанавливают нелинейные интегральные операторы, учитывающие наследственные свойства физически нелинейного материала.

Изложенные основные математические соотношения далеко не исчерпывают всех методов учета наследственных процессов, сопровождающих деформирование вязко-упругих тел. Использование этих методов в каждом конкретном случае должно сопровождаться строгим экспериментальным подтверждением, а совпадение или несовпадение результатов свидетельствует о пригодности или непригодности выбранного математического аппарата для описания поведения данной системы.

Характеризуя в целом методы учета временных эффектов в вязко-упругих телах, следует отметить, что до настоящего времени нет строгой математической теории, позволяющей с единых позиций описать все многообразие реологических свойств имеющихся материалов.

Толщина плоского кольцевого эластичного элемента уплотняющего устройства значительно меньше радиуса и удовлетворяет условию ≥ ≥ , элемент можно считать гибкой кольцевой пластиной, величины цепных и изгибных напряжений которой будут одного порядка. [2].

Жаутиковым Б.А. были установлены типоразмеры скипов пневмоподъемных установок [3].

Если нагрузка, действующая на кольцевую пластину, распределена симметрично относительно, оси перпендикулярной к серединной плоскости пластинки и проходящей через ее центр, то изогнутая поверхность также окажется симметричной. Во всех точках, равноудаленных от центра пластины, прогибы и внутренние усилия будут одинаковы. Следовательно, достаточно рассмотреть все величины лишь вдоль одного диаметрального сечения, проходящего через ось симметрии.

Моделирование процесса движения скипа пневмоподъемной установки в уплотняющем устройстве производилось в программном комплексе ANSYS LS-DYNA. Осуществлялся трехмерный нелинейный динамический анализ в условиях контакта с учетом больших упругих деформаций. Тип конечных элементов для всех частей модели оболочный элемент Shell163. Модели материалов: сталь и резина. Рассмотрим уплотняющее устройство, состоящее из плоского кольцевого эластичного элемента внутренний диаметр которого выполнен меньше диаметра подъемного сосуда, а по внешнему диаметру жестко закреплен в обойме по периметру ствола (рис. 1, 2).

LS-DYNA имеет более 130 моделей металлических и неметаллических материалов, многие из которых имеют критерии разрушения. Доступны следующие модели материалов.

Модели эластомеров и резин:

· модель резины Муни-Ривлина (Mooney-Rivlin);

· модель резины Блейца-Ко (Blatz-Ko);

· модель резины Огдена (Ogden);

· модель резины Арруда-Бойса (Arruda-Boyce).

Для анализа системы применили модель резины Блейца-Ко (Blatz-Ko), где учитывается малая сжимаемость резины.

Рисунок 1 – Модель уплотняющего устройства в ANSYS

В выбранной программе ANSYS при описании свойств материала требуется задание плотности и модуля сдвига. Свойства материала при необходимости могут быть линейными или нелинейными.

Большинство конструкционных материалов остается линейным до предела пропорциональности. Затем соотношение между напряжениями и деформациями становится нелинейным, но не обязательно неупругим. Пластичность материала проявляется после превышения предела текучести. В программе ANSYS предполагается, что эти два предела совпадают. Пластичность представляет собой неконсервативный процесс, при котором последовательность приложения нагрузок влияет на конечный результат.

Были получены максимальные напряжения в эластичном элементе и проведен временной анализ изменения напряжения (рис. 3).

Анализ полученной зависимости показал, что с после выхода скипа из эластичного элемента его напряженно-деформированное состояние восстанавливается с течением времени, наблюдается колебательный процесс.

Рисунок 3 - Напряженно-деформированное состояние эластичного элемента при движении скипа шахтной пневмоподъемной установки

Рисунок 3- Изменение максимального напряжения эластичного элемента уплотняющего устройства с течением времени.

Наличие эффективных прикладных программ резко сокращает трудоемкость и время выполнения и оформления расчета, дает возможность оперативно рассмотреть несколько вариантов конструкций и выбрать из них наилучший (идеология оптимизации). Уточнение величин расчетных усилий и применение более точных расчетных схем позволяет более достоверно определять напряженное состояние конструкции, а значит, и допускать более высокие напряжения или меньшие запасы прочности.

Литература:

1. Николаев Ю.А. Теория и методы расчета скиповых пневмоподъемных установок для шахт и карьеров: автореф. дис. на соис. степ. докт. техн. наук 05.05.06. – Свердловск, 1991. – 46 с.

2. Алдабергенов А.К. Сопротивление материалов с основами теории упругости – Алматы: Рауан, 1994 – С.325

3. Жаутиков Б.А. Теоритические основы создания скипов шахтных и карьерных пневмоподъемных установок.: автореф. дис. на соис. степ. докт. техн. наук 05.05.06. – Караганда, 2007. – 36 с.