Влияние коррозионного воздействия на результат оптимального проектирования металлоконструкции стационарного конвейера с подвесной лентой

Машиностроение и машиноведение

УДК 621. 86

DOI: 10.12737/article_5 a02f9fb201191.00397278

П.В. Бословяк, Г.А. Емельянова, Е.П. Зуева

ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЕЗУЛЬТАТ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ СТАЦИОНАРНОГО КОНВЕЙЕРА С ПОДВЕСНОЙ ЛЕНТОЙ

Установлено влияние скорости распространения коррозии на снижение массы основных конструктивных узлов металлоконструкции стационарного конвейера с подвесной лентой. Получены зависимости для основных геометрических характеристик деталей металлоконструкции конвейера с

подвесной лентой с учетом коррозионного воздействия.

Ключевые слова: коррозия, металлоконструкция, оптимальное проектирование, конвейер с подвесной лентой, оптимальный результат, коррозионное ограничение.

Р.У. Бов1оууак, О.Л. УешеНуапоуа, Е.Р. 2иеуа

CORROSION IMPACT UPON RESULT OF OPTIMUM DESIGN OF METAL WARE FOR STATIONARY CONVEYER WITH SUSPENSION BELT

A modern and promising type of conveyer transport is a conveyer with a suspension load-carrying belt which had given a good account of itself at loose goods transportation under difficult conditions.

When designing a conveyer with a suspension belt a significant problem is mass decrease in basic units of the metal ware.

During the work of the conveyer with a suspension belt its metal ware may be subjected to corrosion impact. At that a destructive corrosion effect causes not only environment, but also a load moved by a conveyer belt which may have different physic-chemical properties.

In the course of time this corrosion action subjects elements of the metal ware to thinning their sur-

face which results in the decrease of a cross-sectional area and a moment of inertia of conveyer parts.

Corrosion limitations represent conditions of the excess with the cross-sectional area of the corroded element in the course of the conveyer metal ware specified life minimum allowable by the terms of cross-section strength and rigidity.

For the case of an metal ware even corrosive damage in stationary conveyers with a suspension belt by means of the formation of an even corrosion layer on the entire perimeter of the cross-section for an approximate assessment of its basic geometric characteristics decrease the dependences were formed.

Key words: corrosion, metal ware, optimum design, conveyer with suspension belt, optimum result, corrosion limitation.

Современным и перспективным типом конвейерного транспорта является конвейер с подвесной грузонесущей лентой (КПЛ), который хорошо зарекомендовал себя при транспортировке сыпучих грузов в сложных условиях: в пожаро- и взрывоопасных условиях, при большом угле наклона конвейерной трассы и повышенных экологических требованиях [1; 2].

Важной задачей при проектировании КПЛ является снижение массы основных узлов (рис. 1) металлоконструкции (МК) [4]. Процедура оптимального

проектирования металлоконструкций

конвейеров с подвесной лентой приведена в работах [2; 3].

а) б) в)

Рис. 1. Основные конструктивные узлы конвейера с подвесной лентой [2]: а - приводная станция; б - линейная секция; в - натяжная станция

Помимо указанных в работе [3] ограничений, накладываемых на разработанные математические модели, в процессе работы конвейера с подвесной лентой его металлоконструкция может подвергаться воздействию коррозии. Причем отрицательное коррозионное действие вызывает не только внешняя среда, но и перемещаемый конвейерной лентой груз, который может иметь различные физико-химические свойства.

Коррозионное воздействие со временем подвергает элементы металлоконструкции утонению их поверхности, что приводит к снижению площади поперечного сечения и моментов инерции деталей конвейера. По данной причине возникает необходимость включения в процедуру 111, кг

оптимального проектирования математических моделей МК ограничений по коррозии материала, позволяющих учитывать уменьшение геометрических размеров деталей и прогнозировать их значения на момент окончания срока эксплуатации металлоконструкции конвейера с подвесной лентой.

В ходе работы было установлено, как скорость распространения коррозии влияет на снижение массы основных конструктивных узлов металлоконструкции КПЛ (рис. 2). Из полученных графиков следует, что с увеличением скорости коррозии массы основных конструктивных узлов металлоконструкции возрастают по линейной зависимости.

0 0,025 0,05 0,075 ь, мм/год

Рис. 2. Графики зависимости массы узлов КПЛ от скорости коррозии МК: 1 - линейная секция; 2 - приводная станция; 3 - натяжная станция

При учете коррозионного ограничения (при скорости общей равномерной коррозии до 0,1 мм/год) в математических моделях полученный в ходе оптимального проектирования металлоконструкции КПЛ результат будет увеличен на 50.. .60%.

Коррозионное ограничение представляет собой условие превышения площадью поперечного сечения корродированного элемента в течение заданного срока службы МК конвейера Тсс минимально допустимого по условиям прочности и жесткости поперечного сечения [2]:

СС

А(т = 0) - ¡уА (т) йт - Ат1п > 0,

т

где А(т = 0) - начальная площадь поперечного сечения конструктивного элемента; У А - скорость уменьшения площади конструктивного элемента в процессе коррозии; тсс - заданный срок службы металлоконструкции КПЛ; Amin - минимально допустимая площадь поперечного сечения конструктивного элемента.

Для случая равномерного коррозионного повреждения МК стационарных кон-

вейеров с подвесной лентой путем образования равномерного слоя продуктов коррозии по всему периметру поперечного сечения для приближенной оценки уменьшения его основных геометрических характеристик можно использовать следующие зависимости [2]:

• для круглой трубы при коррозии наружной поверхности (рис. 3а):

А(тсс ) = Л

4

= л

Wx (тсс ) = л

(D(0) - 2укхтсс )3

32

1 -

d

D(0) - 2укГ,

к1сс

• для круглой трубы при коррозии внутренней поверхности (рис. 3б):

Б 2(0) -(ё (0) + 2Ук 2Гсс )2

А(тсс ) = л

Wx (тсс ) = л

D3

32

1 -

4

d (0) + 2ук 2Тсс

\4

V

D

у

• для круглой трубы при совместной коррозии наружной и внутренней поверхностей (рис. 3в):

\2 /т^ч , о \2'

А(тсс ) = л

Wx (тсс ) = л

(D(0) - 2Ук1Гсс )3

32

4

1 -

/ \4

'd(0) + 2Ук2Гсс А

D(0) - 2Ук1Гсс

Wx (Тсс ) = -

• для прямоугольной трубы при коррозии наружной поверхности (рис. 3г):

А(тсс) = (Я (0) - 2ук1тсс )(В(0) - 2ук1тсс ) - (ВДЬ(0));

б(Н (0) - 2^к1ГСС ) ;

• для прямоугольной трубы при коррозии внутренней поверхности (рис. 3д):

А

В(0)Н3 (0) - (Ь(0) + 2Ук2ТСС ХВД + 2^к2^СС )3 .

Wx (Тсс ) = -

6H

• для прямоугольной трубы при совместной коррозии наружной и внутренней поверхностей (рис. 3е):

А(Тсс ) = (Я(0) - 2^к1ГСС ХВ(0) - 2^К1ГСС ) - (ВД + 2уК2Тсс )(Ь(0) + 2УК2Тсс ); _ (В(0) - 2Ук1ГСС )(Н(0) - 2УК1ГСС )3 - (Ь(0) + 2Ук2^С ХОД + 2Ук2^С )3 .

Х ( СС ) 6(Н(0) - 2УК1ГСС ) ;

• для швеллера при коррозии всей поверхности (рис. 3ж):

А(Тсс) = АШ - 2УкТсс [Ь(0) - 5(0) + Н(0) - X(0) + уЛ ]

4

4

1 - 2 1 хш 2

(тсс) =

Ь(0>ктсс

н(0) УкТс Л

21ктсс

(Ь(0)- *(0)-(т-< (0) +

1ктсс

н

1ктсс

V

Тсс (Н(0) - 2VкTсс )3 - VкTсс (н(0) - 21 (0) + 2VкTcc )3 ,

н

1/ктсс

ж)

з)

Рис. 3. Расчетные схемы поперечных сечений элементов МК стационарного конвейера с подвесной лентой при учете равномерного коррозионного воздействия окружающей среды [2]: а - круглая труба при коррозии наружной поверхности; б - круглая труба при коррозии внутренней поверхности; в - круглая труба при совместной коррозии наружной и внутренней поверхностей; г - прямоугольная труба при коррозии наружной поверхности; д - прямоугольная труба при коррозии внутренней поверхности; е - прямоугольная труба при совместной коррозии наружной и внутренней поверхностей; ж - швеллер при коррозии всей поверхности; з - уголок при коррозии всей поверхности

• для уголка при коррозии всей поверхности (рис. 3з):

2

2

2

2

2

2

?

А(Тсс) = АН - 21кТсс [¿(0) + н(0) - X(0)];

1Х -1ктсс

У0

1ктсс

Ж (

Тс )

] - (ь(0) - х(0) + 1ктсс Уктсс (У0 -

- X(0) + )2 -

V

К1Па

[н(0) - У0 - 1ктсс ^ а + [х0 - Уктсс Ь1Г

(н (0)-)3 +(н (0) - 2укТсс Ктсс Г ^ - У.'

12

[н(0) - У0-1ктсс ]С°8 а + [х0-1ктсс Ь1Па

1кТсс (н (0) - Х (0))3 +(н (0) - X (0)К.Тсс (^^

1ктсс - У0 I Г +

[н(0) - У0 - 1ктсс ]с°8 а + [х0 - 1ктсс

+ ^ 1у -1кТсс (н (0) - 21ктсс /

х0

I - (н(0) - X(0)1кТсс (х0 - х(0) + ]

[н(0) - У0 - 1ктсс ]с°§ а + [х0 - 1ктссЬ1П а

^ (Ь(0)-2^сс )3 +(¿(0) - 21кТсс 1кТссI

'¿

х0

1кТсс (¿(0) - X(0))3 12

+

[н(0) - У0 - 1ктсс ]С0Б а + [х0 - 1ктсс Ь1П а

+ (¿(0) - X (0)Хт Г Ш+М

1ктсс х0

+

У

х - 1ктсс (К0) - 21ктсс )(У0 -

[н(0) - У0 - 1ктсс]с08 а + [х0 - 1ктссЬ1Па

1ктсс \2

2 -)2 - (¿(0) - X(0) + 1кТсс 1кТсс (У0 - X(0) + ^)2 -

1ктсс

12

+

[н(0) - У0 - 1ктсс ]с°§ а + [х0 - 1ктсс Ь1П а

+ (н(0) 21кТсс УкТсс Г ^ ) У0 ] 2 _ Vк Тсс (н (0) - X(0))3 , (н (0) 12 У

[н(0) - У0 -1ктсс ]с°8 а + х0 -1ктссЬ1Па

- х(0)Ктсс I н(0^+ X(0) - 1ктсс - У0 I М 1у - 1ктсс (н(0) - 21ктсс )( х0 -

1ктсс

2

[н(0) - У0 - 1Тсс ]С0Б а + [х0 - 1Тсс Ь1

- (н(0) - X(0)1кТсс Гх0 - X(0) + ^Тт]

[н(0) - У0 - 1ктсс ]С0§ а + [х0 - ^тсс ^1П а

1ктсс (Ь(0) - 21ктсс )3 12

+

(¿(0) -

21ктсс ^)1ктс

'¿

' к^сс V к^сс I _ х0

+(¿(0) _ X (0)КтссГ -

[н(0) - У0-1ктсс]С0§ а + [х0-1ктссЬ1Па

2

1

2

2

2

2

уктсс

2

2

2

2

2

Ук?сс

- )2 Ц2+-у к^сс

Уо

'Ъ

x0

I —

[Я(0) — Уо— Ук*сс ]cosa + [xo — Ук^сс ]sin«

— (b(0) — t (0)Ук?сс

—I У0 — t(0) +

Ук*сс

2

'¿

Уктсс x0

I —

[Я(0) — У0 — Ук*сс]cos « + [x0 — Ук*сс]sin «

— (я(0) — 2ук*сс Ук^сс ( — У0

x0

Ук^сс

[я(0) — У0 — Ук*сс]cos « + [x0 — Ук*сс]s

— (Я (0) — t (0)УкГсс IЯ (0^+1 (0) — УкТс — У0

Х0 —t(0)+

Ук*сс

1 2 2

[я(0) — У0 — Ук^сс]cos « + [x0 — ук?сс]si

Isin«

где А(тсс) - площадь поперечного сечения конструктивного элемента после коррозионного воздействия; Жх(тсс) - момент сопротивления конструктивного элемента после коррозионного воздействия; Vк -скорость распространения коррозии; А„ -величина утонения поперечного сечения в результате коррозионного воздействия; хо, уо - координаты центра тяжести уголка; а - угол наклона оси уголка.

Учитывая полученные зависимости для основных геометрических характеристик в ограничении (1), получим оптимальный вариант металлоконструкции КПЛ с учетом коррозионного воздействия.

В результате проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. В ходе оптимального проектирования металлоконструкции конвейера с подвесной лентой необходимо включать в

математические модели коррозионные ограничения.

2. Применение деталей с замкнутым контуром профиля поперечного сечения (прямоугольная и круглая трубы) способствует меньшему развитию коррозии внутренней поверхности деталей со стороны окружающей среды и транспортируемого материала (при полной изоляции внутренней поверхности детали), чем у деталей с незамкнутым контуром (швеллер, уголок).

3. Выявлено, что с изменением скорости равномерного коррозионного воздействия от 0 до 0,1 мм/год масса металлоконструкции КПЛ, полученная в ходе процедуры оптимального проектирования, возрастает на 60% по сравнению с массой МК, полученной при оптимизации без учета влияния коррозии.

2

2

2

2

2

V

2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверченков, В.И. Конвейеры с подвесной лентой / В.И. Аверченков, С.В. Давыдов, В.П. Дунаев, В.Н. Ивченко, С.В. Куров, М.Ю. Рытов, В.И. Сакало; под общ. ред. В.И. Аверченкова, В.Н. Ивченко. - М.: Машиностроение-1, 2004. -256 с.

2. Бословяк, П.В. Оптимальное проектирование металлоконструкций стационарных конвейеров с подвесной лентой: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.04 / П.В. Бословяк. - М., 2015. - 160 с.

3. Бословяк, П.В. Универсальная методика оптимального проектирования основных конструктивных узлов металлоконструкции стационарного конвейера с подвесной лентой / П.В. Бословяк, Е.П. Зуева // Науч.-техн. вестн. Брян. гос. ун-та. - 2015. - № 1. - С. 32-42. - URL: http://nlv-bigu.ru/wp-content/arhiv/2015-N1/2015-01-07.pdf.

4. Вершинский, А.В. Численный анализ металлических конструкций подъемно-транспортных

машин / А.В. Вершинский, И.А. Лагерев, А.Н. Шубин, А.В. Лагерев. - Брянск: БГУ, 2014. -

1. Averchenkov, V.I. Conveyers with Suspension Belt / V.I. Averchenkov, S.V. Davydov, V.P. Dunaev, V.N. Ivchenko, S.V. Kurov, M.Yu. Rytov, V.I. Sa-kalo; under the general editorship of V.I. Averchenkov, V.N. Ivchenko. - M.: Mechanical Engineering - 1, 2004. - pp. 256.

2. Boslovyak, P.V. Metal ware optimum design for stationary conveyers with suspension belt: Can. Eng. thesis: 05.05.04. / P.V. Boslovyak. - M., 2015. - pp. 160.

186 с.

3. Boslovyak, P.V. Universal procedure for optimum design of basic design units of metal ware of stationary conveyer with suspension belt / P.V. Boslovyak, E.P. Zueva // Scientific-Tech. Bulletin of Bryansk State University. - 2015. - No.1. - pp. 32-42. -URL: http://ntv-brgu.ru/wp-content/arhiv/2015-N1/2015-01-07.pdf.

4. Vershinsky, A.V. Numerical Analysis of Lifting-Handling Machinery Metal Ware / A.V. Vershinsky, I.A. Lagerev, A.N. Shubin, A.V. Lagerev. -Bryansk:BSU, 2014. - pp. 186.

Статья поступила в редколлегию 14.03.17. Рецензент: д.т.н., профессор Брянского государственного технического университета

Сакало В.И

Сведения об авторах:

Бословяк Павел Валерьевич, к.т.н., доцент кафедры «Подъемно-транспортные системы» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана, e-mail: boslovvak89@mail.ru. Емельянова Галина Александровна, д.т.н., доцент кафедры «Высшая математика и строительная механика» Московского архитектурного института

(государственная академия) (МАРХИ), e-mail: ga emel@mail.ru.

Зуева Елена Павловна, к.т.н., доцент кафедры «Подъемно-транспортные машины и оборудование» Брянского государственного технического университета, e-mail: epzveva@bk.ru.

Boslovyak Pavel Valerievich, Can. Eng., Assistant Prof. of the Dep. "Lifting-Handling Systems", Bauman State Technical University of Moscow, e-mail: boslo-vyak89@mail.ru.

Yemeliyanova Galina Alexandrovna, D. Eng. Assistant Prof. of the Dep. "Higher Mathematics and Struc-

tural Mechanics", Moscow Architectural Institute (State Academy), e-mail: ga emel@mail.ru. Zueva Elena Pavlovna, Can. Eng., Assistant Prof. of the Dep. "Lifting-Handling Machines and Equipment", Bryansk State Technical University, e-mail: epzyeva@bk.ru.