Удк 622.673.4 защита шахтных подъемных установок от динамических нагрузок при движении сосуда в глубоком стволе
На правах рукописи
.
Корняков Михаил Викторович УДК 622.673.4 ЗАЩИТА ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ПРИ ДВИЖЕНИИ СОСУДА В ГЛУБОКОМ СТВОЛЕ Специальность 05.05.06 - Горные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
ИРКУТСК 2008
Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете.
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор МАХНО ДМИТРИЙ ЕВСЕЕВИЧ
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор МАХОВИКОВ БОРИС СЕРАФИМОВИЧ доктор технических наук, профессор ВИКУЛОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ доктор технических наук, профессор ТИМУХИН СЕРГЕЙ АНДРЕЕВИЧ Ведущее предприятие: Научно-исследовательский и проектный инсти тут алмазодобывающей промышленности ЯКУТНИПРОАЛМАЗ ЗАО АК «АЛРОСА»
Защита состоится 20 октября 2008г. в 13.00 час. на заседании диссер тационного совета Д 212.073.04 в Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г.Иркутск-74, ул. Лермонтова, 83, конференц зал (К-амф.).
Отзывы отправлять в адрес ученого секретаря совета: 664074, г.Иркутск, ул. Лермонтова, д.83, ИрГТУ, офис Ж-09, тел. / факс (3952) 40-50-69, e-mail – [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государ ственного технического университета.
Автореферат разослан _ сентября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Н.Н. Страбыкин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
.
Актуальность работы.
В связи с отработкой наиболее доступных месторождений полезных ис копаемых шахты и рудники вынуждены переходить на все более глубокие го ризонты. При этом для сохранения производительности подъемные установки должны иметь все большую скорость движения подъемных сосудов и большую их грузоподъемность.
Известны шахтные подъемные установки (ШПУ), высота подъема кото рых достигает 2000 м, грузоподъемность сосудов до - 75 т, а максимальная ско рость движения - 16 м/с. В зарубежной практике максимальная скорость подъ ема достигает 30 м/с. Имеются подъемные установки, клети которых одновре менно перевозят 150 человек. Мощность электроприводов составляет до 5- тыс. кВт. Масса подъемных канатов может достигать 30 т. При этом значитель но увеличиваются динамические нагрузки при разгоне и торможении, особенно в режиме предохранительного торможения.
При эксплуатации шахтных подъемных установок до 50% аварий связаны с нарушениями режима движения подъемного сосуда в шахтном стволе:
• зависание опускающегося и застревание поднимающегося сосуда;
• «набегание» сосуда на тяговый канат;
• переподъем сосуда;
• превышение максимально допустимых значений скорости и ускорения;
• проскальзывание канатов;
• обратный ход подъемной машины.
Для обеспечения минимальных динамических нагрузок необходимо учи тывать причину подачи сигнала на предохранительное торможение. Например, динамические нагрузки при наложении предохранительного тормоза в момент зависания опускающегося сосуда будут отличаться от его наложения в других аварийных ситуациях.
В зависимости от вида нестандартной ситуации нужно учитывать ряд специфических требований. Так, например, если сработала защита от напуска каната, то процесс торможения должен быть таким, чтобы с одной стороны обеспечить минимальную величину напуска каната, а с другой - плавность тор можения для снижения динамических нагрузок в поднимаемой груженной вет ви. Необходим дифференцированный подход к формированию процесса тор можения в зависимости от типа сработавшей защиты.
Все это диктует необходимость повышения надежности и безопасности работы ШПУ.
При этом, важное значение приобретает научная проблема теоретическо го обоснования и разработки эффективных способов и устройств контроля не стандартных ситуаций и задания такого режима предохранительного торможе ния, который бы учитывал ожидаемый вид аварии и обеспечивал поддержание минимальных динамических нагрузок.
Диссертационная работа основана на результатах исследований, прове денных автором в течение 1997- 2008 гг. на кафедре «Систем управления элек тромеханическим оборудованием горных предприятий» ГОУ ВПО ИрГТУ по госбюджетной НИР №47/149 «Исследование и разработка электромеханическо го оборудования и устройств для повышения надежности, экономичности и безопасности работ в горной промышленности» и по договорам с горнодобы вающими предприятиями.
Актуальность работы обусловлена необходимостью постоянного под держания безопасности и надежности работы шахтных подъемных установок.
Целью диссертационной работы является исследование динамиче ских процессов, происходящих при подъеме груза в глубоких стволах, и разра ботка способов и средств защиты подъемных установок от перегрузок.
Идея работы заключается в использовании закономерностей формиро вания динамических процессов в электромеханической системе подъема для обоснования способов и средств защиты подъемных установок от перегрузок.
Задачи исследований. Указанная цель реализуется решением следую щих задач:
1. Оценка проблемы и направлений совершенствования способов и устройств защиты шахтных подъемных установок от динамиче ских нагрузок при нестандартных режимах движения сосуда в стволе.
2. Разработка математической модели шахтной подъемной установки (ШПУ) для изучения формирования динамических нагрузок, воз никающих при нестандартных режимах движения подъемного со суда в глубоком стволе.
3. Выявление закономерностей формирования динамических нагру зок при нарушениях режима движения подъемного сосуда в шахт ном стволе на различной глубине.
4. Обоснование и выбор режима предохранительного торможения при нестандартных ситуациях.
5. Обоснование и разработка эффективных способов и средств защи ты шахтных подъемных установок от динамических нагрузок при нарушении режима движения подъемного сосуда в стволе.
Защищаемые научные положения диссертации:
1. Безопасный режим предохранительного торможения должен определяться из условия обеспечения минимума динамических нагрузок на тяговый ка нат при соблюдении технологических регламентов, связанных с безопас ной величиной напуска каната, предотвращением набегания сосуда на ка нат и предельной величиной переподъема.
2. Режим первоначального самонастраивания системы подъема по реальным характеристикам тока приводного двигателя позволяет надежно контроли ровать возможный момент зависания сосуда в стволе, предотвращая ава рийные ситуации.
3. Колебания системы при подъеме тяжелого груза с большой глубины, на высоких скоростях могут быть сглажены применением специального подъемного устройства, состоящего из верхнего и нижнего кузовов, объе мы которых определяются из условия обеспечения снижения колебаний устройства при резкой остановке.
4. При подъеме груза с большой глубины в условиях опасности падения ста тического момента целесообразно применение тягового органа переменно го сечения с постоянным значением динамического запаса прочности по его длине, определяемым из условия стойкости каната под действием ди намического удара.
5. Использование радиоволнового метода измерения (эффект Доплера) по зволяет повысить точность и быстродействие регистрации, хранения в цифровом виде и отображения в реальном масштабе времени параметров местоположения, скорости и ускорения (замедления) подъемного сосуда, для построения надежной защиты шахтных подъемных установок от не стандартных режимов движения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены: комплексным подходом к проведению исследова ний, сочетающим в себе научные изыскания, экспериментальные разработки с применением технологий инженерного анализа (CAE технологий);
применени ем методов статистического и математического анализа, конечно- элементных технологий моделирования с последующим сопоставлением результатов с ре альными;
достаточным объемом теоретических исследований, близкой сходи мостью расчетных и опытных данных. Проверка полученных результатов на математической модели показала совпадение расчетных данных с данными на турных испытаний в нормальном режиме работы скиповой подъемной установ ки Тыретского солерудника с точностью 18%.
Научная новизна результатов исследований состоит в:
1. разработке математической модели шахтной подъемной установки (ШПУ) для изучения динамических нагрузок в тяговом канате при не стандартных режимах движения подъемного сосуда в глубоком ство ле;
2. оценке влияния вида нестандартной ситуации и способа предохрани тельного торможения на характер возникающих динамических нагру зок в тяговых органах подъема;
3. обосновании выбора режима предохранительного торможения в зави симости от глубины нахождения и ожидаемого вида нарушения ре жима движения подъемного сосуда;
4. обосновании принципа устройства для подъема груза с большой глу бины, содержащего верхний и нижний кузовы, объем которых опре деляется из условия обеспечения снижения колебаний при резкой ава рийной остановке;
5. обосновании возможности использования характеристик тока привод ного двигателя подъемной машины для создания самонастраиваю щихся устройств защиты от напуска каната.
Практическая и методологическая значимость результатов работы состоит в разработке:
- новой конструкции тягового органа, позволяющей снизить его мате риалоемкость и динамические нагрузки при движении подъемного сосуда в стволе;
- методики выбора режима предохранительного торможения в зависи мости от нестандартных ситуаций движения подъемного сосуда в стволе;
- самонастраивающегося устройства защиты от напуска каната, обес печивающего повышение надежности контроля момента зависания сосуда в шахтном стволе;
- устройства для подъема груза с большой глубины, содержащего верхний и нижний кузовы, объем которых определяется из условия обеспече ния снижения колебаний системы при резкой аварийной остановке;
- математической модели шахтной подъемной установки (ШПУ) для изучения динамических нагрузок в тяговом канате при нарушении режима движения подъемного сосуда;
- устройства для контроля параметров движения подъемного сосуда в шахтном стволе, основанного на использовании эффекта Доплера в радиовол нах и позволяющего повысить точность и быстродействие регистрации пара метров в цифровом виде, а также их архивацию и отображение в реальном масштабе времени.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы переданы для использования в проектных работах институту ОАО «Востсибгипрошахт» и используются в учебном процессе при чтении курсов «Стационарные машины и установки гор ных предприятий» для студентов специальностей «Горные машины и оборудо вание» и «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологи ческих комплексов (cпециализация: Электрооборудование и автоматика техно логических комплексов горного производства»).
Результаты теоретических, экспериментальных исследований и техниче ских разработок приняты к внедрению ЗАО «Распадская угольная компания» и ФГУП «Тыретский солерудник».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представ лялись, докладывались и обсуждались на:
научно-технической конференции «Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири» (Иркутск, 1998 г.);
3-й региональной научно-практической конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири» (Иркутск, 1999 г.);
XII международной научно-технической конференции Керуленской меж дународной геологической экспедиции (Иркутск, 1999 г.);
4-й международной научно-практической конференции «Природные и ин теллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2001.» (Кузбас. Гос. Тех. Ун-т – Кемерово, 2001 г.).
традиционных конференциях «Неделя Горняка-МГГУ» (г.Москва, 2004г., 2007г.);
ежегодных научно-практических конференциях, посвященных памяти А.А.
Игошина (г.Иркутск, 1998-2007 гг.);
производственно-технических совещаниях: ФГУП «Тыретский солеруд ник»;
ЗАО «Распадская угольная компания», ОАО «Полиметалл УК», ОАО Востсибгипрошахт;
межкафедральном семинаре факультета Горной механики Уральского го сударственного горного университета (г.Екатеринбург, 27.09.2007г.);
научном семинаре кафедры «Горная механика и транспорт» Московского государственного горного университета (г.Москва, 16.10.2007г.);
заседании кафедры «Рудничные стационарные установки» Санкт Петербургского государственного горного института (г.Санкт-Петербург, 2.11.2007г.).
Личный вклад соискателя в работу. Научные обоснования и техниче ские решения, положенные в основу диссертации, а также все результаты дис сертационной работы, перечисленные в ее заключении, разработаны и получе ны лично автором. Основная часть технических решений защищена патентами.
Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки России, доктору технических наук, профессору А.Г. Степанову за научные консульта ции и методологическую помощь при работе над диссертацией.
Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 31 работа, из них: 1 монография, 2 учебных пособия, 13 статей в центральных изданиях, по лучено 5 патентов, 2 свидетельства на программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 250 страниц текста, 17 таблиц, 70 рисунков и библио графический список литературы из 97 наименований.
Состояние изученности проблемы Большой вклад в разработку современных подъемных установок внесли основоположники советской школы горной механики: М.М. Федоров, А.П.
Герман, Ф.Н. Шклярский, создавшие теорию рудничного подъема, и их после дователи: А.С. Ильичев, В.Б. Уманский, Г.М. Еланчик, Н.Г. Картавый, Б.С. Мо ховиков, Б.А. Носырев, О.А. Залесов, В.Л. Давыдов, К.М. Барамидзе, П.П. Не стеров, З.М. Федорова и др.
Решению задач безопасной и безаварийной эксплуатации ШПУ посвя тили работы: В.С. Тулин, А.А. Иванов, В.А. Мурзин, Е.С. Траубе, А.Г. Степа нов, В.И. Белобров, А.Н. Шатило, В.И. Дворников, Л.П. Колосюк, К.П. Боча ров, М.М. Федоров, В.С. Бескопылый, Н.С. Карпышев, А.Е. Троп, И.С. Найден ко, В.А. Попов, А.И. Самородов, А.П. Солоха, А.Д. Динкель, В.Е. Католиков, А.А. Белоцерковский, Н.В. Шапочка, В.Р. Бежок, М.А. Стороженко, И.Н. Ла тыпов, А.Ф. Абросимов, В.С. Бескопылый, А.А. Белоцерковский, С.Б. Годздан кер, И.И. Пущанская, В.И. Савин, Н.В. Шапочка, М.В. Кипервассер, Б.С. Махо виков, С.А. Тимухин, М.А. Викулов, Н.Г. Огнев, Е.В. Чудогашев, Е.А. Дмитри ев, М.М. Шамсутдинов, И.А. Багаутдинов, А.В. Прахов, и др.
Большие работы по совершенствованию конструкции шахтных подъем ных машин и аппаратуры управления проводятся на заводах им.15-летия ЛКСМУ (г.Донецк), НКМЗ (г.Краматорск), «Красный металлист» (г.Конотоп), «Шахтная автоматика» (г.Прокопьевск) и др.
Над созданием современных аппаратов управления и защиты работают коллективы институтов: «Гипроуглеавтоматизация», Институт горной механи ки имени академика М.М. Федорова, ЦКБ Электропривод ВНИИЗМ, Автома туглерудпром, ВНИИВЭ и др.
За рубежом исследованиями по совершенствованию и разработке шахт ного подъема занят ряд крупнейших фирм и предприятий: AEG, «Сименс Шуккерт» (ФРГ), «Дженерал-Электрик» (Англия), ASEA (Швеция), «ЧКD Прага» (Чехословакия) и др.
Анализ состояния вопроса защиты шахтных подъемных установок от ди намических нагрузок при нарушении режима движения подъемного сосуда в стволе (обзор научно-технической литературы, патентный поиск, участие в на учно-практических конференциях) показал, что этот вопрос недостаточно изу чен и в настоящее время нет научно- обоснованной методики исследования возникающих при этом динамических процессов.
Анализ и классификация известных устройств по защите подъемных уста новок от аварийных ситуаций показали, что, несмотря на все многообразие ме тодических подходов к вопросам и способам решения этой задачи, отсутствует теоретическая база для решения данной проблемы.
Поэтому на современном этапе решающим при разработке конструкций устройств защиты является определение характера изменения статических и динамических нагрузок в момент аварийной ситуации. Это имеет важное зна чение, как для выбора каната, так и для выбора режима работы подъемной ма шины с ее электроприводом.
Таким образом, актуальность работы определена требованиями повы шения безопасности и надежности эксплуатации шахтных подъемных устано вок, особенно в условиях нестандартных ситуаций движения сосудов в стволе.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, за дачи и методы исследований, научная значимость и практическая ценность ра боты. Определены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе анализируются аварийные ситуации, связанные с нару шением режима движения подъемного сосуда в шахтном стволе. Представлен метод определения границ применения устройств защиты от провисания стру ны и напуска каната. Приведена методика определения влияния эксцентрисите та копровых шкивов на динамику клетьевого подъема. Изложена закономер ность влияния глубины зависания сосуда, его скорости и ускорения на характер формирования момента вращения. Дан анализ состояния проблемы, на основа нии которого сформулированы цели и задачи исследований.
Во второй главе анализируются и оцениваются способы и устройства за щиты от аварийных ситуаций при движении подъемного сосуда в стволе, а также способы формирования тормозного усилия с точки зрения обеспечения минимальных динамических нагрузок. Установлены и сформулированы основ ные требования к устройствам защиты и к способам формирования режима предохранительного торможения.
В третьей главе приведены результаты исследований статических и ди намических нагрузок, воздействующих на подъемную установку при возникно вении аварийных ситуаций, связанных с нарушением режима движения подъ емного сосуда. Произведен выбор и описание объекта исследований. Выбрана методика экспериментальных исследований и эквивалентная схема подъемной установки. Разработана математическая модель шахтной подъемной установки (ШПУ) для изучения динамических нагрузок при нарушении режима движения подъемного сосуда. Определено влияние способа предохранительного тормо жения и соотношения масс на допустимую величину петли напуска каната. Ис следовано влияние процесса зависания сосуда на динамические характеристики подъемной машины, возможность ограничения динамических нагрузок за счет демпфирования колебаний, а также влияние уравновешенности системы подъ ема на формирование динамических нагрузок. На программный продукт, раз работанный для изучения динамических нагрузок в тяговом канате при не стандартных режимах движения подъемного сосуда в стволе, получено сви детельство о регистрации в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Госу дарственного координационного центра информационных технологий Феде рального агентства по образованию.
В четвертой главе проведена оценка параметров, влияющих на выбор оп тимального режима предохранительного торможения при нарушении режима движения сосуда в стволе. Рассмотрены критерии оптимизации режимов пре дохранительного торможения. Проведено теоретическое обоснование выбора способов формирования предохранительного торможения, исходя из конкрет ных условий возникшей аварийной ситуации. Разработана система выбора аль тернативного варианта формирования режима предохранительного торможения в зависимости от вида аварийной ситуации. На программный продукт «Мате матическая модель выбора режима предохранительного торможения при на рушении нормального режима движения подъемного сосуда с учетом критери ев оптимизации» получено свидетельство о регистрации в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра инфор мационных технологий Федерального агентства по образованию.
Пятая глава посвящена разработке способов и устройств защиты и огра ничения динамических нагрузок при возникновении аварийных ситуаций.
Предлагаются способы и устройства защиты, основанные на использовании эффекта Доплера в радиоволнах. Разработано самонастраивающееся устройство защиты от напуска каната, основанное на использовании характеристик тока приводного двигателя. Разработана и теоретически обоснована конструкция тя гового каната с изменяющейся площадью поперечного сечения пропорцио нально нагрузке в каждом его сечении, позволяющая снизить его материалоем кость и обеспечить снижение динамических нагрузок при нарушении нормаль ного режима движения подъемного сосуда. Разработано устройство для подъе ма груза с большой глубины с демпфирующим эффектом, позволяющее сни зить динамические нагрузки при аварийных ситуациях. На все разработки по лучены патенты РФ.
Заключение содержит выводы и рекомендации по результатам выполнен ной работы.
В приложении к диссертации приведены акты апробации и реализации основных технических решений выполненной работы.
Комплекс выполненных исследований и технических разработок позволяет выдвинуть и обосновать следующие научные положения.
Безопасный режим предохранительного торможения должен опреде ляться из условия обеспечения минимума динамических нагрузок на тяго вый канат при соблюдении технологических регламентов, связанных с безопасной величиной напуска каната, предотвращением набегания сосуда на канат и предельной величиной переподъема.
Режимы торможения, обеспечивающие минимальные динамические на грузки, позволяют увеличить безопасность эксплуатации и долговечность подъемных установок.
Для обеспечения минимальных динамических нагрузок нужно учитывать отличие закономерности их формирования при различных возмущениях. На пример, динамические нагрузки при наложении предохранительного тормоза в момент зависания опускающегося сосуда будут отличаться от его наложения в других аварийных ситуациях (рис.1,2). Нужен дифференцированный подход к формированию процесса торможения в зависимости от вида нарушения режима движения подъемного сосуда.
При выборе режима предохранительного торможения шахтной подъемной машины необходимо выполнить его оценку на основании следующих показате лей:
• вид аварийной ситуации, вызвавшей срабатывание предохранительного тормоза;
• вид выполняемой операции - спуск или подъем груза (людей);
• соответствие верхнему и нижнему пределу замедления;
• допустимый путь предохранительного торможения;
• скорость и ускорения подъемного сосуда в момент начала торможения;
• длина струны каната в момент начала торможения;
• масса концевого груза;
• значения движущих усилий;
• конструкция тормозной системы;
• режим предохранительного торможения, из условия обеспечения миниму ма динамических нагрузок.
Н ПОР QC Натяжение груженной ветви каната: . FГР = QГР + QС + рК (Н х ) + FВР Н ГР Натяжение порожней ветви каната: FПОР = QС + рК х FВР. Н Статическое сопротивление подъему при нормальном режиме работы:
FC = FГР FПОР = Q ГР + р К (Н 2 х ) + FВР. Q ГР + Q ПОР Статическое сопротивление при зависании опускающегося сосуда:
FС = FГР FПОР = QГР + QС + рК (Н х ) Х Разность FC при зависании и при нормальном движении: Fc = Fc Fc = QС Рис.1. Расчетная схема статических усилий при зависании опускающего подъемного со суда в стволе Рис.2. Сравнительные характеристики изменения усилий в поднимаемой ветви каната Fk при ступенчатом наложении предохранительного торможения для аварийной ситуации без зависания опускающегося сосуда (1) и при его зависании (2) Можно выделить следующие виды основных аварийных ситуаций, кото рые нужно учитывать при выборе режима предохранительного торможения:
• зависание подъемного сосуда - характеризуется резким изменением ста тических и динамических усилий;
• возникновение неисправности электрических или механических систем привода и управления - характеризуется тем, что при этом сосуд находит ся в режиме нормального движения;
• переподъем - характеризуется подъемом сосуда на 0,5м выше уровня приемной площадки;
• превышение максимальной скорости движения грузового сосуда на 15% и скорости подхода к приемной площадке более 1,5 м/с;
• самопроизвольный обратный ход машины - характеризуется изменением направления вращения подъемной машины в сторону, противоположную заданному в начале подъемного цикла.
В результате проведенных исследований установлено, что в момент зави сания сосуда в стволе происходит процесс снижения скорости вращения бара бана, вызванный скачкообразным увеличением нагрузки, что в свою очередь вызывает рост усилия в канате. Приложение в данный момент тормозных уси лий вызывает еще большие динамические нагрузки на тяговый канат. Значение динамических нагрузок при этом определяется соотношением величин сосре доточенных масс и параметрами упругих связей между ними. Поэтому при за висании сосуда процесс предохранительного торможения должен быть плав ным, а значит, и длительным по времени.
С другой стороны, известно, что максимально допустимая величина на пуска каната, из условия его прочности при внезапном срыве сосуда, определя ется формулой:
B A2 2p Z = 1 + 2 Z 2 (1) 1, B EF Z 2 p K G F где A = l K (QП + QС + рZ ) Z ;
m1 B = QП + QС, где Gl - предел прочности материалов проволок каната на разрыв, кгс/мм2;
FK - площадь по металлу всех проволок в сечении каната, мм ;
m1 =2-4 коэффициент запаса прочности каната при внезапном приложении нагрузки;
Z - расстояние от оси копрового шкива до места застревания сосуда в ство ле, м;
р - вес 1 м каната, Н;
Е - модуль упругости каната, Па;
QП, QС - вес полезного груза и сосуда, Н.
В работе был проведен анализ способов формирования тормозного усилия, с точки зрения обеспечения максимально допустимой величины напуска каната и определена длина петли напуска каната на примере скиповой подъемной ус тановки Тыретского солерудника [8].
По расчетам для скиповой подъемной установки Тыретского солерудника при зависании скипа на глубине 300м предельно допустимая длина напуска ка ната составляет Z = 4,8м.
В табл. 1 представлены величины петли напуска каната при зависании со суда для различных способов предохранительного торможения. В таблице при ведены следующие условные обозначения:
М Т - тормозной момент, Н м;
М с - статический момент, Н м;
t хх - время холостого хода тормоза, с.
Из таблицы видно, что условию предельно допустимой петли напуска ка ната не удовлетворяет только способ торможения с приложением тормозного усилия по линейной характеристике, который как раз наиболее полно из всех обеспечивает минимальные динамические нагрузки. Поэтому при зависании сосуда целесообразно применять предохранительное торможение с приложени ем тормозного усилия, изменяющегося по экспоненте, которое удовлетворяет условию допустимой петли напуска каната и обеспечивает наиболее минималь ные динамические нагрузки из трех других оставшихся способов.
При эксплуатации ШПУ, которые работают с большой глубины и с большой скоростью подъема, реальна ситуация так называемого «набегания» подъемного сосуда на канат. При резком торможении барабана подъемной ма шины в какой-то момент времени усилия в нижнем сечении каната могут обра титься в нуль. Так как подъемный канат практически не сопротивляется сжа тию, то, начиная с этого момента, концевой груз можно рассматривать как брошенное вверх тело. После «набегания» сосуд затем падает и рывком выби рает образовавшуюся петлю, что может привести к обрыву каната.
В клетевых подъемных установках процесс «набегания» сосуда на канат может привести к несанкционированному срабатыванию парашютов.
Явление «набегания» сосуда на канат характеризуется следующими при знаками:
С К, (2) р [ доп ], (3) FК min, (4) где С, К - скорость движения сосуда и каната, соответственно, м/с;
д, [ доп ]- действительное и допустимое замедление подъемного сосуда, м/с2.
Таблица Способ предохранительного торможения Петля напуска каната, м Постоянное тормозное усилие 3, Приложение Mт, Нм тормозного воздействия Мт=3Мс двумя равными 4, ступенями Мт=Мс t, с 1,5 с tхх= 0,3 с Тормозное Mт, Нм усилие к машине Мт=3Мс прикладывается 6, по линейной характеристике Мт=Мс t, с 0,8 с 1,5 с tхх= 0,3 с Нарастание тормозного усилия, изменяющегося 3, по экспоненте Для исключения «набегания» сосуда на канат необходимо обеспечить:
FK min 0. (5) Для установок с большой глубиной подъема вес каната соизмерим с ве сом сосуда, поэтому необходимо учитывать его влияние на величину допусти мого замедления:
g [ адоп ], (6) 2 + (mk mc ) где mk- масса каната, кг;
mc – масса сосуда с грузом, кг.
Для клетевых подъемных установок условие не набегания сосуда на ка нат должно быть следующим:
Fc min Fmax.пар, (7) где Fmax пар - максимальное усилие срабатывания пружины парашюта.
Для соблюдения условия (7) допустимое ускорение 9,2 mc [ a доп ]. (8) 2mc + m k Для теоретического обоснования выбора оптимального режима предохра нительного торможения в зависимости от вида нарушения режима движения подъемного сосуда была использована теория нечетких множеств, позволившая объективно произвести оценку выбора режима путем моделирования альтерна тив по отдельным критериям [7].
В качестве факторов в предлагаемой модели оценки режима предохрани тельного торможения были рассмотрены переменные: динамические усилия, путь предохранительного торможения, напуск каната, «набегание» сосуда на канат.
Предполагается, что X = {x1, x2,..., xn } - множество оценочных показателей (оценок), У = {у1, y2,..., y p }- множество критериев оптимальности и Z = {z1, z2,..., zm } множество альтернативных вариантов задания режима предохранительного торможения.
ФR : X Y [0,1] есть функция принадлежности нечеткого бинарного отно шения R. Для всех x X и всех y Y функция ФR (x, y ) - степень важности кри терия y согласно оценки x при определении предпочтения альтернативы z.
Рассмотрен пример, в котором имеется четыре возможных способа z (см.
табл.1) задания режима предохранительного торможения:
z1 - тормозное усилие прикладывается по линейной характеристике;
z 2 - постоянное тормозное усилие;
z 3 - приложение тормозного воздействия двумя равными ступенями;
z 4 - нарастание тормозного усилия изменяется по экспоненте.
Для оценки четырех возможных альтернативных вариантов z формирова ния режима предохранительного торможения используется десять оценочных показателей х :
x1 - исключение явления «набегания» подъемного сосуда на канат;
х2 - обеспечение допустимой величины петли напуска каната;
х3 - исключение переподъема подъемного сосуда;
х4 - обеспечение минимальных динамических нагрузок в процессе тормо жения и после стопорения;
х5 - обеспечение регламента максимально допустимого замедления;
х6 - обеспечение регламента максимального тормозного момента;
х7 - обеспечение регламента минимально допустимого замедления;
х8 - исключение явления ложного срабатывания парашюта;
х9 - обеспечение регламента минимального тормозного момента;
х10 - исключение явления проскальзывания канатов.
В качестве критериев, используемых для оценки альтернативных вариан тов, взято следующее:
y1 - минимальные динамические усилия;
y2 - допустимая петля напуска каната;
y 3 - предельно допустимый путь переподъема;
y4 -. отсутствие «набегания» подъемного сосуда на канат.
В табл.2 представлено соответствие способов предохранительного тормо жения обеспечению критериев y1 y 4.
Таблица Способ предохранительного торможения z 2 - постоянное z 3 - приложение z 4 - тормозное z1 - тормозное Критерий усилие прикла- тормозное уси- тормозного воз- усилие изменя дывается по ли- лие действия двумя ется по экспо нейной характе- равными ступе- ненте ристике нями + - - + y1 - минималь ные динамиче ские нагрузки - + + + y 2 - допустимая петля напуска каната - + - y 3 - предельно допустимый путь переподъе ма + - - + y 4 - отсутствие набегания подъ емного сосуда на канат Таким образом, вид нарушения режима движения сосуда в стволе является определяющим фактором при выборе безопасного режима предохранительного торможения, позволяющего для ожидаемого вида аварии обеспечить соответст вующий уровень ограничения динамических нагрузок.
Режим первоначального самонастраивания системы подъема по ре альным характеристикам тока приводного двигателя позволяет надежно контролировать возможный момент зависания сосуда в стволе, предот вращая аварийные ситуации.
Динамические процессы в механической части подъемной установки при воздействии возмущений (в нашем случае зависание скипа) зависят от многих факторов, основные из которых: многомассовость механической части и упру гие связи между ними. Качественные и количественные характеристики про цессов в основном определяются соотношением величин сосредоточенных масс и параметрами упругих связей между ними.
В целом же, возмущающее воздействие при зависании подъемного сосуда в стволе шахты на электромеханическую систему подъемной машины вызывает в ней переходные процессы, связанные с обменом энергией между элементами системы, с ее накоплением, преобразованием и отдачей.
С учетом вышеприведенных параметров электромеханическую систему ШПУ можно представить структурной схемой на рис.3.
Данная схема позволяет наиболее точно промоделировать динамические процессы в подъемной установке, как при нормальном движении, так и при за висании опускающегося подъемного сосуда на любой глубине. Кроме того, она позволяет учесть распределенную массу и жесткость каната.
На графиках (рис.4) представлены зависимости изменения скорости вра щения барабана и тока (момента) двигателя при зависании скипа на глубине 300м. Графики построены с помощью системы моделирования MATНLAB для 7-ми периодной диаграммы движения скипового подъема Тыретского солеруд ника.
Как видно из графиков, в момент зависания скипа в стволе происходит процесс снижения скорости вращения барабана, вызванный скачкообразным увеличением нагрузки, что в свою очередь вызывает рост тока и момента дви гателя. Это объясняется тем, что для неуравновешенных подъемных установок в момент зависания теряется уравновешивающая сила со стороны опускающе гося сосуда.
Значения изменения скорости вращения барабана и тока двигателя пред ставлены в таблице 3. При возрастании тока до I Я = I Я (С ) скорость C, что влечет за собой дальнейший рост тока до I max. Далее колебания затухают и по сле нескольких периодов колебаний достигается установившийся режим рабо ты I Я = I Я (С ), = С.
Рис.3. Структура обобщенной разомкнутой электромеханической системы подъема Таблица Параметр Глубина зависания Режим работы подъемной установки скипа, м Подъем груженного Перегон по скипа. рожних скипов Падение скорости вращения 50 0,19 0, барабана, с 1 300 0,23 0, 550 1,25 0, 50 7100 Максимальный ток I Я max, А 300 5200 550 3500 Превышение установивше- 50 2700 гося тока якоря при зависа 300 2645 нии над номинальным током якоря I Я, А 550 2600 Из графиков (рис.4) и табл. 3 видно, что величины скорости и тока в тече ние переходных процессов изменяются от начальных значений до установив шихся в зависимости от начальных условий в момент зависания. Наблюдается некоторое увеличение значения скачка тока при разгоне и уменьшение при за медлении.
Установившиеся значения тока после зависания скипа (на различной глу бине) отличаются от значений при нормальном режиме работы на величину I Я. Это наглядно доказывает, что изменение значения тока якоря двигателя при зависании пропорционально массе зависшего скипа.
, 1/ c Рис.4. Изменение скорости вращения барабана (а) и тока якоря двигателя (б) при подъ еме груза и зависании скипа на глубине 300м: 1- при нормальном режиме работы, 2- при за висании На основе выше указанных свойств был разработан способ защиты шахт ной подъемной установки от напуска тяговых канатов и устройство для его осуществления. Технический результат заключается в повышении надежности и достоверности контроля момента зависания подъемного сосуда в шахтном стволе за счет обеспечения режима самонастраивания по реальным характери стикам тока приводного двигателя.
В предлагаемом устройстве (рис.5) величина статического усилия контро лируется по величине тока приводного двигателя, а запись всех характеристик и реализация алгоритмов работы осуществляется микроконтроллером.
Для определения допустимого значения статического усилия в устройстве необходимо произвести предварительно первоначальную самонастройку, кото рая позволяет учесть параметры конкретной подъемной установки (рис.6, а, б).
Для этого необходимо произвести два цикла подъема. В первом цикле в память блока 2 (рис. 5) записывается характеристика изменения тока двигатели при подъеме пустого сосуда Iп. Во втором цикле подъема в блок 3 записывается ха рактеристика при подъеме груза, равного весу сосуда Ic, и в момент времени t (после окончания пускового процесса) в блоке 5 записывается разность Ic=Ic - Iп. Самонастройка устройства производится один раз при первичной ее установке.
Рис.5. Функциональная схема способа защиты шахтной подъемной установки от на пуска тяговых канатов и устройства для его осуществления б Записать Iп характеристику а Записать Iс характеристику I, А Ввести значение t Сигнал «Пуск» Считывается из Считывается из памяти памяти Отсчет времени характеристика характеристика Ic t Iп Iс Ic Iп Ic t Iп При t = t1, записать в память значение t1 t, с t Ic = Iс - Iп Рис.6. Настройка отклонения веса подъемного сосуда: а – характеристики тока привод ного двигателя при подъеме пустого сосуда и подъеме груза, равного весу сосуда, исполь зуемые для настройки отклонения веса сосуда;
б – алгоритм определения отклонения веса сосуда Алгоритм контроля напуска каната в каждом текущем цикле подъема бу дет заключаться в следующем (рис. 7, а, б). После сигнала пуска шахтной подъ емной установки в момент времени t1 будет определяться и записываться в блок 6 величина Iгр =Iд – Iп.
Далее после времени t2, необходимого для расчета Iгр, в блоке 7 (рис. 5) в функции времени будет определяться допустимое значение статического усилия Iдоп, а в блоке 8 будет контролироваться неравенство Iд Iдоп. В случае зависания опускающего сосуда произойдет скачок тока на величину Iс, что приведет к выполнению неравенства блока 8 сравнения, который через испол нительный блок 9 выдаст аналоговый сигнал в цепь защиты предохранительно го тормоза.
Сигнал «Пуск» Считывается из От датчика тока памяти Отсчет времени вводится характеристика I, А t значение Iд Iп Iп Iд t При t = t1, t записать в память значение t I гр = Iд - Iп Ic Iп Iд t Iдоп Iгр При t t2, t Id если t Iд ( Iп + Iгр + Ic )=Iдоп Да Iп Выдается сигнал t1 t2 t, с Рис. 7. Контроль момента зависания сосуда: а – характеристики тока приводного двига теля, используемые для определения отклонения веса поднимаемого груза и контроля мо мента зависания сосуда;
б – алгоритм определения отклонения веса поднимаемого груза и контроля момента зависания Преимуществом такого способа и устройства защиты подъемных устано вок является то, что не нужно предварительно учитывать все параметры и рас считывать идеальную характеристику, а достаточно записать реальные харак теристики тока двигателя при подъеме пустого сосуда, подъеме груза, равным весу сосуда, и затем согласно алгоритму сравнивать их разность с действитель ным значением тока приводного двигателя, который прямо пропорционален статическому усилию. При этом используются достоверные значения парамет ров подъемной установки, осуществляется самонастройка устройства защиты и повышается надежность работы устройства.
На представленный способ и устройство получен патент РФ [4].
Колебания системы при подъеме тяжелого груза с большой глубины, на высоких скоростях могут быть сглажены применением специального подъемного устройства, состоящего из верхнего и нижнего кузовов, объе мы которых определяются из условия обеспечения снижения колебаний устройства при резкой остановке.
В связи с отработкой наиболее доступных месторождений полезных ис копаемых, шахты и рудники должны переходить на все более глубокие гори зонты. При этом для сохранения производительности подъемные установки должны иметь все большую скорость движения подъемных сосудов и все большую их грузоподъемность. В случае использования стандартных скипов, при резких аварийных остановках на большой глубине и большой скорости движения в подъемном канате будут возникать значительные динамические на грузки, что может привести к его обрыву. По статистике при эксплуатации шахтных подъемных установок до 50% обрывов каната происходит именно в момент аварийного предохранительного торможения.
Известно, что если на массу m1 действует гармоническая сила S sin kt с частотой k, то можно подобрать массу m2 и жесткость соединяющей эти массы пружины C таким образом, что масса m1 не будет совершать колебаний.
Поскольку большинство аварий происходит в период равномерного дви жения подъемного устройства, а тормозное усилие, создаваемое тормозом, - ве личина постоянная, то вышеуказанный принцип рационально применить и к устройствам, поднимающим груз с большой глубины.
Технический результат достигается тем, что устройство для подъема груза с большой глубины, содержащее раму и жестко закрепленный с ней кузов с открывающимся днищем и механизмом открывания днища дополнительно содержит второй кузов с открывающимся днищем и механизмом открывания днища. Второй кузов жёстко закреплён на отдельной раме, при этом кузовы расположены друг над другом, имеют общую центральную ось и развёрнуты противоположно друг другу относительно центральной оси с обеспечением бо ковой разгрузки в противоположные стороны, а рамы нижнего и верхнего кузо вов соединены между собой упругими элементами.
Наилучший технический результат достигается тем, что для исключения значительных его колебаний при резкой аварийной остановке, нижний кузов выполнен с объемом внутренней полости, обеспечивающим возможность под бора такой величины массы его груза, которая в сумме с массой нижнего кузова и его рамы удовлетворяет условию:
C, (9) mн = mв A1 [(C1 + C 2 ) A1 S C 2 A2 ] где m н - общая масса нижнего кузова с рамой и загруженным в него грузом, кг;
mв - общая масса верхнего кузова с рамой и с загруженным в него грузом, кг;
S - гармоническая сила, действующая на массу mв, кН;
C1 - жесткость подъемного каната при максимальной его длине, к которому прикреплена рама верхнего кузова, кН/м;
C2 - жесткость упругих элементов, которыми соединены между собой рамы верхнего и нижнего кузовов, кН/м;
A1 и A2 - амплитуды колебаний масс mв и m н, при движении устройства с по стоянной скоростью в период равномерного движения, м.
Выполнение данного условия позволяетт снизить динамические нагрузки, которые испытывает подъемный канат при аварийном торможении из-за резких колебаний прикрепленного к нему подъемного устройства, что приведет к сни жению вероятности обрыва подъемного каната и повысит надежность и безо пасность работы подъемной установки в целом.
Разработанное устройство для подъема груза с большой глубины (рис.8) содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 рамы с которыми жестко закреплены соот ветственно верхний 3 и нижний 4 кузова. На кузовах 3, 4 соответственно рас положены открывающиеся днища 5 и 6, вращающиеся вокруг осей 7 и 8, а так же механизмы открывания днищ, представляющие собой вращающиеся вокруг осей 9 и 10 удерживающие днища собачки 11 и 12 с возвратными пружинами 13 и 14. Для поворота удерживающих собачек 11, 12 на них соответственно расположены ролики 15 и 16. В копровой части подъема для отклонения роли ков 15, 16 и открывания днищ 5,6 расположены соответственно копровые ли нейки 17 и 18. Для задания угла открывания днищ 5, 6 в конечном положении подъемного устройства в копровой части подъема расположены соответственно разгрузочные направляющие 19 и 20. Для движения по направляющим 19, днища 5и 6 имеют на своих концах ролики 21 и 22. Верхняя и нижняя рама со единены между собой четырьмя упругими элементами 23.
Принцип работы устройства заключается в следующем.
В нормальном режиме работы устройство движется от места загрузки и при подходе подъемного устройства к месту разгрузки копровые линейки 17 и 18 одновременно начинают отклонять удерживающие собачки 11 и 12, которые преодолевая усилия возвратных пружин 13 и 14, поворачиваются вокруг своих осей 7 и 8, освобождая тем самым из зацепления днища 5 и 6. Последние при этом открываются и своими роликами 21 и 22 опираются о разгрузочные на правляющие и двигаются по ним до окончания цикла подъема, отклоняясь тем самым на определенный угол.
Рис.8. Устройство для подъема груза с большой глубины в профиле подъемного ство ла 13 10 При возникновении аварийной ситуации в период равномерного движе ния подъемного устройства автоматически срабатывает защита, что приводит к резкой остановке подъемного устройства посредством приложения постоянно го тормозного усилия на орган навивки подъемного каната, к которому прикре плено подъемное устройство.
Поскольку объем внутренней полости нижнего кузова 4 подобран таким образом, что величина массы его груза в сумме с массой нижнего кузова и его рамы удовлетворяет условию (9), это позволяет значительно снизить колебания подъемного устройства, а, следовательно, снизить и уровень динамических на грузок, которые испытывает подъемный канат при аварийном торможении из за резких колебаний прикрепленного к нему подъемного устройства, что при водит к устранению возможности обрыва подъемного каната и повышению на дежности и безопасности работы.
На представленную конструкцию устройства для подъема груза с большой глубины получен патент РФ [5].
Система уравнений для исследуемой двухконцевой неуравновешенной подъемной установки с динамическим поглотителем колебаний (рис.9, 10) име ет вид:
J 1 p1 = М + М 1.2 М 1.3, J p = M M + M, 2 2 C5 1. 2 2. J 3 p 3 = M 1.3 + M C 7 M 3.4, J 4 p 4 = M C 8 + M 3.4, (10) J 5 p 5 = M C 9 M 2.5, pM = C ( ), 1. 2 1.2 2 pM 1.3 = C1.3 (1 3 ), pM 2.5 = C 5.9 ( 5 2 ), pM 3.4 = C 7.8 ( 3 4 ).
На рис.11-б представлены характеристики переходных процессов в мо мент зависания опускающегося сосуда в середине ствола с динамическим по глотителем колебаний. По сравнению с переходными процессами для системы без поглотителя колебаний (рис.11- а) наглядно видно, что наблюдается значи тельное уменьшение динамических нагрузок.
На рис.12 представлены графики изменения усилия в поднимаемой ветви каната для линейного способа предохранительного торможения (см. табл. 1).
Данные графики показывают значительное снижение динамических нагрузок и в отношении изменения усилий поднимаемой ветви каната.
a) Mp M C 36 ПР С 67 ПР С 78 ПР 6 7 1 2 С 3 4 ПР С 59 ПР С 45 ПР 4 5 б) M М с 7 M 3.4 M c M 1. Mp J3 J C1 3 ПР С78 ПР J1 M c5 М с C1 2 ПР С5 J J M 1. М 2. Рис.9. а-исходная расчетная схема механической части, б- трехмассовая расчетная схема механической части электропривода скипового подъема: 1- двигатель;
2- редуктор;
3 барабан;
4,6- шкивы, 5,7- подъемные сосуды;
8 и 9- демпфирующие массы;
М- приведенный момент двигателя;
Мр- приведенный момент редуктора;
МС5- приведенный статический мо мент поднимающегося сосуда;
МС7- приведенный статический момент опускающегося сосу да;
МС8 и МС9- приведенные статические демпфирующие массы;
J1- суммарный приведенный момент инерции подъемной машины;
J3- приведенный момент инерции опускающегося со суда;
J2-приведенный момент инерции поднимающегося сосуда;
J4 и J5- приведенные момен ты инерции демпфирующих масс Uy E к M П 1+ ТП р 1+ Т Я р 1 M 3. 1 1 1 M 1. J1 p J3 p p J4 p p M c M c C13 C C M c5 M c M 1.2 M 2.5 2 1 1 p J2p p J5 p C1 Рис.10. Обобщенная структура электромеханической системы подъема с демпфирую щими массами a б Рис. 11. Характеристики переходных процессов: а - изменения момента М системы без динамических поглотителей колебаний;
б - изменения момента М системы с динамиче скими поглотителями колебаний Рис.12. Изменение усилия в поднимаемой ветви каната Fk: а - при линейном способе предохранительного торможения в момент зависания опускающегося сосуда в стволе при использовании динамического поглотителя колебаний;
б - сравнительные характеристики при линейном способе предохранительного торможения в момент зависания опускающегося сосуда в стволе при использовании динамических поглотителей колебаний (1) и без них (2) Исследования изменения усилий в поднимаемой ветви каната при зависа нии опускающегося сосуда на различной глубине показали, что для одного и того же значения жесткости С1 (определяемой при максимальной длине каната) также наблюдается снижение колебаний, а значения максимальных усилий при уменьшении длины поднимаемого каната на 100м снижается в среднем на 2%.
Таким образом, устройство для подъема груза с большой глубины, со стоящее из верхнего и нижнего кузовов, объемы которых определяются усло виями обеспечения снижения колебаний системы при резкой аварийной оста новке, позволяет ограничить динамические нагрузки и повысить надежность и безопасность работы подъемной установки.
При подъеме груза с большой глубины в условиях опасности падения статического момента целесообразно применение тягового органа пере менного сечения с постоянным значением динамического запаса прочно сти по его длине, определяемым из условия стойкости каната под действи ем динамического удара.
Для современных глубоких шахт вес каната соизмерим с весом подъем ного сосуда, поэтому реальной становится ситуация отрицательного значения статического момента, который действует в направлении вращения и содейст вует подъему. В данном случае для остановки системы в конце подъема необ ходимо весьма сильное торможение, что вызывает значительные динамические нагрузки и крайне небезопасно. Одним из путей устранения сильного падения статического момента в конце подъема является применение тягового органа переменного сечения.
Изменение формы се M, H м чения тягового органа вдоль его длины должно быть вы- полнено таким образом, что бы в любом его сечении обеспечивался постоянный динамический запас прочно- сти. Если поднятый в ре- зультате инерционных сил при предохранительном тор- t, c 0,00 85, можении на некоторую высо ту hп подъемный сосуд с гру зом затем упадет, то в ре зультате удара тяговый орган получит удлинение. Это удлинение будет больше того, которое тяговый канат получает, если груз будет приложен к нему стати чески.
Полученное стержнем удлинение l д называется динамическим удлине нием, величина его определяется по формуле l д = l ст + l ст + 2l ст hп, (11) gt, 0 – скорость движения груза сосуда в момент начала где hп = 0 t предохранительного торможения.
Выражение (11) можно представить в следующем виде 2 hп l д = l ст 1 + 1 +. (12) l ст Величина, стоящая в скобках, есть динамический коэффициент кд или ко эффициент удара.
Тогда l д = k д l ст, (13) т.е. перемещение, вызванное действием ударной нагрузки, равно перемещению от статически приложенной силы, равной весу падающего груза, умноженному на динамический коэффициент.
Соответственно напряжения в тяговом органе от действия ударной нагруз ки во столько же раз больше напряжений, возникающих при статической на грузке, во сколько раз динамические перемещения больше статических, т.е.
д = к д ст. (14) Из формул 11-14 видно, что чем больше будет скорость 0 движения гру за в момент начала торможения, тем больше будет динамическое удлинение l д и тем больше будет значение кд.
В табл. 4 представлены значения динамического коэффициента кд для раз личной длины тягового органа (применительно к параметрам двухконцевой не уравновешенной подъемной установки Тыретского солерудника).
Таблица Значения Длина тягового органа, м 200 400 Динамический коэф- 5,35 5,4 5, фициент кд Поскольку динамический коэффициент кд имеет максимальное значение при наибольшей длине тягового органа, то именно это значение необходимо использовать в качестве расчетного. В данном примере видно, что полученное максимальное значение кд=5,49 в 1,2 раза меньше регламентируемого ПБ зна чения коэффициента статического запаса прочности кст=6,5. Данное обстоя тельство связанно с тем фактом, что в регламентируемых значениях ПБ изна чально закладывается и динамическая составляющая. Из приведенного выше примера точного расчета ударной нагрузки, учитывающей динамическую и статическую составляющую (11-14) видно, что регламентируемый ПБ норматив завышен. Поэтому использование динамического коэффициента кд в качестве расчетного позволит уменьшить материалоемкость каната и как следствие сни зить падение статического момента в конце подъема.
Взяв за основу обеспечение постоянного значения динамического запаса прочности по всей длине каната, было определено начальное минимальное се чение тягового органа (mc + mгр ) g к Д S0 =, (15) где S0 – сечение тягового органа, м ;
mc – масса сосуда, кг;
mгр - масса груза, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
кд - динамический коэффициент;
- временное сопротивление разрыву материала тягового органа, Па.
Сечение тягового органа в каждом последующем сечении по его длине:
(m + mгр ) g k д c Si = (16), li то кд g где - плотность материала тягового органа, кг/м3;
li то - длина тягового органа от места его крепления к сосуду до точки с данным сечением, м.
На конструкцию тягового органа, сечения которого определяются со гласно представленным выше формулам, получено положительное решение о выдаче патента РФ [6].
Приведенные значения статических моментов для двухконцевой неуравно вешенной подъемной установки в данном случае будут определяться:
для поднимаемой груженной ветви M п = (mгр + mc + (H liб ) S i ) g R, (17) для опускаемой порожней ветви M o = (mc + ( x + liб ) S i ) g R, (18) где Н- высота подъема, м;
x - расстояние от верхней приемной площадки до оси liб - длина сматываемого с бара копрового шкива, м;
R – радиус приведения;
бана тягового органа.
С учетом полученных зависимостей был исследован характер формирова ния динамических нагрузок применительно к двухконцевой неуравновешенной подъемной установке Тыретского солерудника (рис.3) при зависании опускаю щегося сосуда в середине ствола (табл.5, рис.14).
Таблица Вид тягового орга- Максимальное Максимальное Величина прира на значение пускового значение момента щения момента при момента, Н м при зависании зависании сосуда, опускающегося со- Нм суда, Н м С постоянным сече- 1562808,63 931097,2 679363, нием С переменным сече- 1463879,68 852046,6 594912, нием Разность значений 98928,95 79050,6 84450, Рис.14. Сравнительные характеристики изменения усилий в поднимаемой ветви кана та Fk при линейном способе предохранительного торможения в момент зависания опускаю щегося сосуда в середине ствола при использовании тягового органа с переменным сечением (1) и с постоянным сечением (2) Из табл.5 видно, что значение пускового момента для тягового органа с переменным сечением меньше на 98,9 кН м, значение момента при зависании опускающегося сосуда - на 79, 05 кНм, а величина приращения момента при зависании - на 84, 45 кН м. Относительно усилия в поднимаемой ветви каната также происходит снижение динамических нагрузок (рис. 14).
Использование радиоволнового метода измерения (эффект Доплера) позволяет повысить точность и быстродействие регистрации, хранения в цифровом виде и отображения в реальном масштабе времени параметров местоположения, скорости и ускорения (замедления) подъемного сосуда, для построения надежной защиты шахтных подъемных установок от не стандартных режимов движения.
Эффективное применение автоматизированных систем управления подъ емными установками во многих случаях сдерживается из-за отсутствия надле жащих средств получения текущей информации о движении подъемных сосу дов в стволе. Так, до сих пор скорость и положение подъемного сосуда в стволе контролируются по перемещению барабана, что понижает надежность и безо пасность работы подъемной установки в целом. В частности, поэтому в на стоящее время нет эффективной защиты от напуска каната.
Все это заставляет совершенствовать известные методы измерения и про водить поиск и разработку новых методов, позволяющих решать возникшие за дачи.
Технические возможности радиоэлектроники последних лет, появление интегральной технологии и полупроводниковых высокочастотных элементов обусловили развитие и широкое внедрение радиоволновых методов и средств измерения. В основе построения радиоволновых датчиков технологических па раметров лежит взаимодействие электромагнитных волн высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов частот с контролируемыми объектами.
К настоящему времени на основе использования радиоволновых методов решена проблема бесконтактного измерения (без непосредственного соприкос новения с объектом) таких параметров технологических процессов, как скоро сти и ускорения.
В соответствии с требованиями Единых правил безопасности при разра ботке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (п.352, 2003г.) «Все шахтные подъемные установки в те чение трех лет со дня ввода настоящих Правил должны быть оснащены устрой ствами для регистрации основных параметров режимов работы подъемной ма шины».
На основе эффекта Доплера в радиоволнах было разработано устройство для контроля параметров движения подъемного сосуда в шахтном стволе (рис.15).
При введении в устройство двух волноводов с согласованной нагрузкой на концах отпадает необходимость передачи волн по тяговому канату и исклю чаются связанные с этим недостатки.
Введение циркуляторов, осуществляющих разделение передаваемых и принимаемых колебаний электромагнитных волн и расположенных между пе редатчиками и приемниками колебаний, позволяет сократить вдвое необходи мое количество волноводов, что упрощает устройство, а, следовательно, повы шает надежность и безопасность устройства защиты.
При нормальном режиме работы ШПУ, например, как показано на рис. стрелками, порожний сосуд 6 движется по шахтному стволу вниз, а груженый сосуд 7 - вверх. При их движении вдоль волноводов 14,15 в поле электромаг нитных волн, распространяющихся от передатчиков колебаний 8,9 через цир куляторы 12,13, частота электромагнитных волн, принятых приемниками коле баний 10,11, имеет дополнительную составляющую, равную доплеровской час тоте.
Некоторая часть мощности передатчиков колебаний электромагнитных волн 8,9 на частоте f0 поступает на смесители 19,20 и является опорным сигна лом, относительно которых имеет место изменение частот отраженных сигна лов. Со смесителей 19,20 сигналы поступают на фильтры 21,22, на выходе ко торых образуются колебания доплеровской частоты fд 1 и fд 2.
Далее сигналы подаются на усилители 23,24 и затем на дискриминаторы 25, 26 выходы которых в виде напряжений U1 и U2, пропорциональных fд1, fд2, а значит, и скорости движения подъемных сосудов. Выходы дискриминаторов соединены со входами дифференциаторов 27, 28 и интеграторов 29, 30, выход ные сигналы которых соответственно будут пропорциональны ускорению (за медлению) и пути, пройденному подъемными сосудами. Кроме того, дискри минаторы, дифференциаторы и интеграторы своими выходами через аналого цифровой преобразователь 31 соединены с ЭВМ 32, на котором визуально ото бражаются в реальном режиме времени, а также регистрируются и хранятся основные параметры режимов работы подъемной машины.
Таким образом, т.к. данное устройство позволяет регистрировать и хра нить параметры движения подъемного сосуда в шахтном стволе, то оно удов летворяет современным требованиям, а также позволяет повысить надежность и безопасность работы ШПУ.
На рис.16 представлено разработанное на основе эффекта Доплера уст ройство защиты от напуска каната.
При зависании порожнего подъемного сосуда 6 в подъемном стволе шах ты сигнал на выходе компаратора 27 отличается от нуля, т.к. скорость движе ния подъемного сосуда 6 равна нулю, а значение доплеровской частоты про порционально скорости движения подъемного сосуда. Это приводит к включе нию предохранительного тормоза привода 1 ШПУ.
При зависании сосуда 7 в следующем цикле работа устройства аналогич на.
Таким образом, т.к. данное устройство позволяет контролировать ско рость движения непосредственно самих сосудов и бесконтактным способом, то оно позволяет повысить надежность и безопасность работы ШПУ.
U f0 8 f д 10 19 21 11 20 13 fд2 24 U f V V 16 Рис.15. Устройство для контроля параметров движения подъемного сосуда в шахтном стволе f0 fд1 U 10 19 21 23 fд2 U 11 20 22 24 f V V 16 Рис.16. Устройство защиты от напуска каната с использованием радиоволн:
1 -привод ШПУ;
2 и 3- тяговые канаты;
4 и 5- направляющие шкивы;
6 и 7- подъем ные сосуды;
8 и 9- передатчики электромагнитных волн;
10 и 11- приемники электромагнит ных волн;
12 и 13- циркуляторы;
14 и 15- волноводы;
16 и 17- согласованные нагрузки;
18 блок обработки информации;
19 и 20- смесители;
21 и 22- фильтры;
23 и 24- усилители;
25 и 26- дискриминаторы;
27- однопороговый компаратор Принципиальная схема устройства защиты от набегания подъемного со суда на тяговый канат с использованием радиоволноводов представлена на рис.17.
Рис.17. Устройство защиты от набегания подъемного сосуда на тяговый канат с ис пользованием радиоволнового метода измерения:
1 и 2-подъемные сосуды;
3- передатчик колебаний электромагнитных волн;
4 и 5- циркуля торы;
6 и 7- волноводы;
8 и 9- приемники колебаний электромагнитных волн;
10- смеситель;
11- коммутатор;
12- фильтр;
13- усилитель;
14- дискриминатор;
15- дифференциатор;
16 элемент сравнения;
17- задатчик замедления;
18- инвертор-усилитель;
19- электропневмати ческий регулятор давления Принцип работы устройства защиты заключается в том, что при положи тельной разности действительного и заданного замедления на выходе элемента сравнения появляется сигнал, который, пройдя через инвертор-усилитель 18, уменьшает сигнал на катушку электропневматического регулятора давления 19.
Это позволяет выбрать наметившуюся слабину тягового каната и предотвра тить «набегание» сосуда на канат.
На разработанные устройства получены патенты РФ [2,3].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация представляет собой законченную научно квалификационную работу, построенную на теоретических и технических ре шениях проблемы снижения динамических нагрузок в подъемных установках при нестандартных режимах движения сосуда в стволе, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны при создании высо копроизводительных и безопасных подъемных установок, работающих с боль шой глубины.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следую щем:
1. Выявлены основные закономерности формирования динамических нагру зок при нарушениях режима движения подъемного сосуда в шахтном стволе при подъеме груза с большой глубины.
2. Дана оценка способов и устройств защиты подъемных установок от дина мических нагрузок при движении сосуда в стволе.
3. Обоснованы аналитические выражения и разработана математическая мо дель шахтной подъемной установки для изучения динамических нагру зок при нестандартных режимах движения подъемного сосуда.
4.Обоснован выбор режима предохранительного торможения в зависимости от вида нарушения режима движения подъемного сосуда в условиях со блюдения технологических регламентов.
5.Разработано и теоретически обосновано устройство для подъема груза с большой глубины, содержащее верхний и нижний кузовы, объем которых определяется из условия обеспечения снижения колебаний устройства при резкой аварийной остановке.
6. Разработана и обоснована конструкция тягового каната с изменяющейся площадью поперечного сечения пропорционально его длине, позволяю щая снизить материалоемкость и динамические нагрузки в системе при подъеме груза с большой глубины;
7. Теоретически обоснованы и разработаны самонастраивающиеся способ и устройство контроля момента зависания подъемного сосуда, основанные на использовании характеристик тока приводного двигателя подъемной машины.
8. Разработано устройство для контроля параметров движения подъемного сосуда в шахтном стволе, основанное на использовании эффекта Доплера в радиоволнах и позволяющее повысить точность и быстродействие реги страции параметров в цифровом виде, а также их архивацию и отображе ние в реальном масштабе времени.
9.Разработанные и зарегистрированные Государственным координацион ным центром информационных технологий программы математических моделей для изучения динамических нагрузок, выбора и обоснования ре жима предохранительного торможения, позволяют прогнозировать рабо ту шахтных подъемных установок в целях их защиты от перегрузок и по вышения надежности работы в условиях повышенной опасности.
10. Разработанные в диссертационной работе принципиально новые решения защиты подъемных установок от динамических нагрузок, подтвержден ные патентами на изобретения РФ, приняты к реализации на подъемных установках ЗАО «Распадская угольная компания» и ФГУП «Тыретский солерудник», а также проектной организацией ОАО «Востсибгипро шахт».
11. Предлагаемые принципы и методы защиты подъемных установок от ди намических нагрузок используются в учебном процессе при чтении кур сов лекций «Стационарные машины и установки горных предприятий» для студентов специальностей «Горные машины и оборудование» и «Электропривод и автоматика машин и установок горного производства», чему способствуют подготовленные автором учебные пособия и отдель ная монография.
12. Выявленные закономерности формирования динамических нагрузок, спо собы и средства защиты от них, установленные и разработанные в дис сертации, являются научно-теоретической базой для проектирования и создания подъемных установок, работающих с большой глубины.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
Монографии 1. Корняков М.В. Защита шахтных подъемных установок от динамических нагрузок при движении подъемного сосуда в стволе: монография / М.В. Корняков. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. - 164с.
Патенты РФ на изобретения и полезные модели 2. Пат. № 2161118, Российская Федерация, МПК6 B66B5/12. Устройство защиты шахтных подъемных установок от напуска тяговых канатов / Е.В. Чудогашев, Е.А. Дмитриев, Е.Ю. Желтовский, М.В. Корняков;
зая витель и патентообладатель Иркутский гос. техн. ун-т. - № 99111218/03;
заявл. 25.05.99;
опубл. 27.12.00, Бюл. №36. – 4 с.: ил.
Пат. № 61697, Российская Федерация, МПК6 B66B 5/00. Устройство для 3.
контроля параметров движения подъемного сосуда в шахтном стволе/ М.В. Корняков;
заявитель и патентообладатель Иркутский гос. техн. ун-т.
- № 2006136711, заявл. 16.10.06;
опубл. 10.03.07, Бюл. №7. – 4с.: ил.
Пат. № 2299169, Российская Федерация, МПК6 B66B 5/12. Способ защи 4.
ты шахтной подъемной установки от напуска тяговых канатов и устрой ство для его осуществления/ М.В. Корняков, Е.В. Чудогашев, Е.А. Дмит риев;
заявитель и патентообладатель Иркутский гос. техн. ун-т. №2006105618/11, заявл. 22.02.06;
опубл. 20.05.07, Бюл. №14. – 5с.: ил.
Пат. № 65038, Российская Федерация, МПК6 B66F 9/02. Устройство для 5.
подъема груза с большой глубины/ М.В. Корняков;
заявитель и патенто обладатель Иркутский гос. техн. ун-т. - №2007107815, заявл. 1.03.07;
опубл. 27.07.07, Бюл. №21. – 4с.: ил.
Пат. № 2319013, Российская Федерация, МПК6 F21C 47/00, F16G 5/00.
6.
Гибкий тяговый орган рудничной подъемной установки/ М.В. Корняков, Е.А. Дмитриев, Е.В. Чудогашев, А.И. Найденов;
заявитель и патентооб ладатель Иркутский гос. техн. ун-т. - №2006122757, заявл. 26.06.06;
опубл. 10.03.08, Бюл. №7. – 5с.: ил.
Программы для ЭВМ, зарегистрированные в Отраслевом фонде алго ритмов и программ Государственного координационного центра информа ционных технологий Федерального агентства по образованию 7. Свидетельство №7910 от 20.03.07. Математическая модель выбора режи ма предохранительного торможения, при нарушении нормального режи ма движения подъемного сосуда с учетом критериев оптимизации / М.В. Корняков. Опубл. Телеграф ОФАП. Инновации в науке и образова нии. – 2007, - №3(26). - С17.
8. Свидетельство №7909 от 20.03.07. Математическая модель шахтной подъемной установки для изучения динамических нагрузок в тяговом ка нате при нестандартных режимах движения подъемного сосуда в стволе/ М.В. Корняков. Опубл. Телеграф ОФАП. Инновации в науке и образова нии. – 2007, - №3(26). - С17.
Учебно-методические работы 9. Чудогашев Е.В. Способы и устройства защиты шахтных подъемных ус тановок от провисания струны и напуска каната: учеб. пособие / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002.- 57с.
(Согласовано с секцией УМО вузов по образованию в области горного дела для внутривузовского издания, для специальностей 1804, 1701, 0902, 0905, 0901).
10. Чудогашев Е.В. MATLAB-5 для моделирования электромеханических систем горных машин и установок: методическое пособие / Е.В. Чудога шев, М.В. Корняков. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002.- 32с. (Согласовано с секцией УМО вузов по образованию в области горного дела для внут ривузовского издания, для специальностей 1804, 1701, 0902, 0905, 0901).
Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК 11. Корняков М.В. О возможности использования радиоволнового метода измерения для защиты шахтных подъемных установок от напуска каната // Вестн. ИрГТУ. -1998. - №5. – С.124-128.
12. Чудогашев Е.В. Анализ динамики движения подъемной клети грузолюд ского подъема Тыретского солерудника / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков, Р.А. Гобадзе // Изв. вузов. Горн. журн. – 2000. - №2. – С.126-128.
13. Чудогашев Е.В. Основные принципы защиты от набегания подъемного сосуда на тяговый канат в шахтном вертикальном подъеме / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков, Е.Ю. Желтовский // Изв. вузов. Горн.
журн. – 2000. - №2. - С.128-131.
14. Чудогашев Е.В. Современное состояние и перспективы развития уст ройств защиты шахтных подъемных установок от аварийных ситуаций / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Вестн. ИрГТУ. – 2003. - №2. – С.22-27.
15. Чудогашев Е.В. Использование микроконтроллеров для защиты шахтных подъемных установок от напуска каната / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Горн. машины и автоматика. – 2005. - №2. – С.55-57.
16. Чудогашев Е.В. Критерии оптимизации режимов предохранительного торможения шахтных подъемных машин / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Вестн. ИрГТУ. – 2006. - №1. – С.117-120.
17. Корняков М.В. Вопрос выбора оптимального режима предохранительно го торможения шахтных подъемных установок // Вестник ИрГТУ. – 2006.
- №2. – С.99-104.
18. Корняков М.В. Обеспечение минимальных динамических нагрузок и безопасной величины напуска каната при предохранительном торможе нии шахтных подъемных машин // Вестн. ИрГТУ. – 2007. - №1. – С.95-98.
(принята в печать 30.06.2006г.) 19. Корняков М.В. Повышение производительности подъёмных установок за счет уменьшения материалоемкости тягового органа // Горн. оборудова ние и электромеханика. – 2007. - №3. – С.23-30.
20. Корняков М.В. Устройство защиты от набегания подъемного сосуда на тяговый канат // Вестник ИрГТУ. – 2007. - №2. – С.42-43. (принята в пе чать 14.11.2006г.) 21. Корняков М.В. Устройство для подъема груза с большой глубины // Вестн. ИрГТУ. – 2007. - №2. – С.13-14. (принята в печать 23.10.2006г.).
22. Корняков М.В. Самонастраивающееся устройство защиты от напуска шахтных подъемных установок // Изв. вузов. Горн. журн. – 2007. - №6. – С.50-54.
23. Корняков М.В. Устройство контроля параметров движения подъемного сосуда в шахтном стволе // Вестн. ИрГТУ. - 2007. - №3. - С.13-15 (приня та в печать 5.12.2006г.).
Публикации в других изданиях 24. Чудогашев Е.В. Анализ динамики движения подъемного сосуда с учетом массы каната / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Керуленская междуна родная геологическая экспедиция: материалы XII международной науч. техн. конф., окт. 1999г. – Иркутск, 1999. – С. 205-207.
25. Чудогашев Е.В. Некоторые вопросы защиты шахтных подъемных устано вок от напуска каната / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Проблемы раз вития минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. ИрГТУ. - Ир кутск, 2001. - С.65-68.
26. Чудогашев Е.В. Повышение производительности работы шахтных подъ емных установок / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Проблемы земной цивилизации: сб. ст. ИрГТУ. - Иркутск, 2001. - С.179-184.
27. Чудогашев Е.В. Проблемы защиты шахтных подъемных установок / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Интеллектуальные ресурсы Сибири.
Сибресурс 2001: Материалы 4-й междунар. науч.- практ. конф. ГУ Куз бас. Гос. Тех. Ун-т. – Кемерово, 2001. - С.183-186.
28. Чудогашев Е.В. Проблемы повышения безопасности эксплуатации шахт ных подъемных установок / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. – Иркутск, 2004. - С.56-60.
29. Корняков М.В. Современные устройства защиты ШПУ от напуска каната / М.В. Корняков, С.Л. Рубцов // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. – Иркутск, 2004. - С.60-63.
30. Корняков М.В. О необходимости применения защиты от набегания подъ емного сосуда на тяговый канат в шахтном вертикальном подъеме / М.В. Корняков, Е.Ю. Желтовский // Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири: материалы 3-й региональной науч. – практ. конф., нояб.
1999г. - Иркутск, 1999. - С.131-133.
31. Корняков М.В. О необходимости учета вида аварийной ситуации при формировании режима предохранительного торможения шахтной подъ емной установки // Вестн. междунар. акад. системн. исслед. Информати ка, экология, экономика. – 2006. – Т. 9, ч. 1. – С.77-78.