автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Изыскание эффективных аэростатно-канатных транспортных систем для открытых горных работ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИРКУТСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

УДК 622.271:629.733.3

МОРИН Андрей Степанович

ИЗЫСКАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ АЭРОСТАТНО-КАНАТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Специальность 05.15.03 — «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых»

Работа ныполнеиа в Красноярском институте цветных металлов.

Научный руководи гель:

доктор технических наук, профессор БУТКИН В. Д.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: ПО (ГП) <А(растяжмаш»

Защита диссертации состоится 20 мая 1993 года в 1] часов на заседании специализированного совета КС63.71.02 Иркутского политехнического института по адресу: 654074, Иркутск-74, ул. Лермонтова, 83.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

С /шссергацпей можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 9 апреля 1993 года.

Ученый секретарь

лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор КУДРЯШ ЕВ В. Д.

кандидат технических наук, доцент ГРИГОРЬЕВ Д. В.

специализированного совета

Н. Н. СТРАБЫКИН.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_темы. . Развитие открытого способа добычи полезных ископаемых характеризуется постоянным усложнением горно-эксплуатационных , условий, а также необходимостью роста масштабов и концентрации производства горных работ. При этом наиболее трудоемким и дорогостоящим является процесс транспортирования "ор-ной массы, затраты на который достигают 50-70% общих затрат на разработку.

На современном этапе развития горнодобывающей промышленности актуальным становится Еопрос изыскания ¡]овых перспективных ресурсе- и энергосберегающих, экологически благоприятных технологий. В этом отношении представляют интерес карьерные транспортные системы с использованием привязных аэростатов, обеспечивающие транспорта- ■ роЕание горной массы без устройства дорожных' коммуникаций по крат-■ зайшим расстояниям.

Объективными предпосылками возможности и целесообразности зрименения привязных аэростатов в транспортных процессах на карьерах являются двухвековой опыт использования воздухоплавательных аппаратов при перевозках грузов и людей, получивлий в последние цва-три десятилетия дополнительный толчок к развитию в связи с удорожанием таких природЕШХ источников энергии, как нефть и уголь, I возрождением интереса к водородной энергетике, а также значительные достижения в авиационно-космической технике, которые стало зозмокным использовать в других отраслях- промыиленности.

С другой стороны, наметившийся в нашей стране прогресс в об-части создания воздухоплавательных аппарате» нового поколения, связанный, в первую очередь, с деятельностью конструкторского бюро 'Термоплан" при Московском авиационном институте (МАИ) я выпуском федприятиями Ульяновского промышленного комплекса первого термо-ьлана "Россия" АЛЛ-40 в 1991 году (при планируемом в ближайшие деа-три года шпуске АЛА грузоподъемностью 600-700 т), позволяет •сворить, о наличии достаточной научно-технической базы и растущей ютребности в использовании летательных аппаратов легче воздуха.

В то к:е время вопросы эффективного использования воздухопла-$ательной техники в условиях открытых горных работ (0ГР), трзкетю-тше процессы которых характеризуются рядом особенностей, оказа-

лись почта не исследованными и касались, в основном, традиционной дирижабельной технологии транспортирования, малоприспособленной к интенсивным грузопотокам на коротком плече перемещения горной массы.

Вот почему попытка изыскания эффективных аэростатно-канатньс транспортных систем (АКТС) для открытых горных работ (ОГР) является своевременной и актуальной.

В работе обобщены теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в качестве исполнителя и ответственного исполнителя плановой (по заказу ПО "Крастякмаш") и госбюджетной тем в период 1989-1992 г.г. в Красноярском институте цветных металлов.

Целью работы является научное обоснование возможностей эффективного применения привязных аэростатических аппаратов (АСА) в технологии открытых горных работ (ОГР).

05Ц°ё395_Щ§я_®ссертационной_работы закликается в использовании архимедовой подъемной сила аэростатов для создания транспортных "воздушных мостов" в зонах ведения ОГР.

Заз§чи_исслейОЕания:

- анализ и установление рациональных аэростатно-канатных транспортных систем (АКТС) для использ9вания на ОГР;

- систематизации конструктивно-технологических схем рационального применения привязных аэростатов в транспортных процессах ОГР;

- исследование и разработка новых аэростатно-канатных транспортных систем (АКТС);

- оценка эффективности использования АКТС на открытых горных работах.

Методы исследований.. Для достижения поставленной цели использован комплексный метод исследований, включающий критический анализ литературных, фондовых, патентных материалов и их научное обобщение ; системный подход к разработке новых средств транспортирования при совокупном рассмотрении технических возможностей аэростатических аппаратов и технологических особенностей горного производства; физическое и математическое моделирование; аналитический метод и лабораторный эксперимент; технико-экономический анализ при оценке эффективности результатов исследований.

Научные положения работы:

I. Применение привязных аэростатов позволяет использовать новые способы перемещения горной массы на карьерах, отличающиеся от

традиционных способов доставки горной масса отсутствием дорожных коммуникаций, меньшим сопротивлением двизюнию, малым влиянием на окружагадую среду, меньшей трудоемкостью, а по сравнению с вертолетным и дирижабельным - большей полезной нагрузкой, меньшей; зависимостью от погодных условий и энергоемкостью, при возможности работы в режиме рекуперации энергии.

2. Целесообразные конструктивно-технологические схемы карьерных транспортных систем с использованием привязных аэростатов определяются направлением грузопотоков, на которых осуществляется их работа. На наклонных грузопотоках "сверху вниз" или "снизу вверх" рациональными являются транспортные системы, при работе которых аэростат перемещается совместно с грузовой кареткой (транспортной емкостью) от пункта погрузки к пункту разгрузки и обратно, выполняя в транспортном процессе "активную" функции.. При работе на горизонтальных грузопотоках целесообразны консгруктивно-технологиче- ■ скк-з схемы со статическим, "пассивным" положением аэростата, выполняющим роль дэроопоры для элементов конструкции транспортной системы.

. 3. При подъеме горной массы из карьера аэростагно-канатныа транспортные системы (АКТС) обеспечивают более высокий коэффициент полезного использования энергии (0,71-0,77) по сравнению с автомобильным (0,14), дизель-троллейвозным (0,17), железнодорожным (0,18) и конвейерным (0,45) видами транспорта, что определяет снижение затрат при автомобкльно-аэростатном транспортировании по сравнению с автомобильным (в 1,75-3 раза) и автомобильно-конвзйер-ным (в 1,3-1,4 раза).

4. При открытой разработке месторождений полезных ископаемых в районах, характеризующихся ограниченными энергетическими ресурсами и сложными топографическими условиями, высокую эффективность по сравнению с автомобильным и традиционным канатно-подвесным видами транспорта тлеет предложенный способ транспортирования горной массы по аэростатно-канатным спускам (ЖС). Специфическими особенностями технологического процесса АКС являются энергетическая автономность, беззатратное, автоматическое ограничение величины максимально развиваемой скорости и плавность перехода от ускоренного к равномерному движению по канатной магистрали в широком диапазоне изменения угла наклона хорда пролета.

5. Основными факторами, влияющими на теоретическую производительность АКС, наряду с характерными для традиционных маятниковых

канатно-подаесшн. дорог, являются свободная грузоподъемность аэростата и его аэродинамическая характеристика С-Б, а также величина соотношения свободной грузоподъемности аэростата к массе перевозимого груза. Зависимость теоретической производительности ¿КС от величины соотношения свободной грузоподъемности аэростата к массе перевозимого груза имеет асимметричный характер, при этом максимальные значения производительности достигаются при установлении величины свободной грузоподъемности аэрост.ата в интервале 0,2-0,6 от массы перевозимого груза.

Ш£}®эй_121Изна_результатов_рабдта:

- разработан ряд новых способов и комплексов, обеспечивающих перемещение горной массы в карьерах при экологизации транспортного процесса и значительном энерго- и ресурсосбережении;

- выполнена систематизация рациональных конструктивно-технологических схем карьерных транспортных систем с использованием привязных аэростатов по признакам направленности грузийотоков и степени использования сил гравитации;

- проведена сравнительная оценка энергетической эффективности применения аэростатно-канатных транспортных систем (АКТС) при подъеме горной массы относительно автомобильного, дизель-троллейвозного, железнодорожного и конвейерного видов транспорта;

- разработан метод расчета параметров и показателей применения аэростатно-канатных спусков (АКС), реализованный в вида комплекса программ для ЭВМ;

- установлены отличительные особенности и закономерности изменения параметров и показателей применения АКС.

новивается:

- принятыми теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных физических законах;

- результатами экспериментальных лабораторных исследований;

- использованием методов математического и физического моделирования;

- технико-экономическими расчетами;

- надежностью"применяемых методов исследования.

Результаты исследований позволяют осуществлять разработку целесообразных конструк-тивно-гехнологических схем аэростатно-канатдых транспортных систем (АКТС), 8 ТЕКхе проектировать с использованием ЭВМ азрсстаткс-ка-

натные спуски (АКС) для заданных условий применения на карьерах. Определены параметры семейства АКС в диапазоне изменения производительности 0Т = 12,4-7600 т/ч, длины канатной мэгистпзли Ь" = 3502500 м, угла наклона хорда пролета а = 6,5-60°. Техническое пред-, ложение на Еыемочно-транспортный комплекс ' ЭАКК-20/350 принято. ПО (Ш) "Крастяжмаш" для разработки перспективной программы создания новой'техники. Результаты работы используются в Красноярском институте цветных металлов при курсовом и дипломном проектирован!"!, в курсах лекций по технологии ОГР.

Апробация работы.^Диссертационная работа и отдельные ее разделы на различных этапах выполнения докладывались на Всесоюзном семинаре "Прикладные и теоретические вопросы нетрадиционной энергетики" (г. Ленинград, 1990 г.), Международном симпозиуме по проблемам открытой разработки глубоких карьеров "Мирный-91" (г. Мирный, 1991 г.), техническом совещании концерна "Кемеровоуголь" (г. Кемерово, 1991 г.), технических совещаниях ПО (ГП) "Крастяжмаш" (1989-1991 г.г.), научных семинарах кафэдры "Открытые горные работы" Красноярского института цветных металлов (1990-1992 г.г.).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 3 статьях и 9 авторских свидетельствах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 73 наименований, приложения, содержит 147 страниц машинописного текста, в том числе 27 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одной из острых проблем открытой разрабо'аки месторождений полезных ископаемых является проблема транспортирования горной массы, решение которой связано с выбором наиболее целесообразной транспортной технологии и техники для различных. условий разработки.' Успешному решению вопросов по применению на карьерах железнодорожного, автомобильного, конвейерного, комбинированного и специальных видов транспорта способствовали труды А.О.Сшваковского, Е.Ф.Шеш-ко, Н.В.Мельникова, В.В.Ржевского, М.В.Васильева, К.Н.Трубецкого, П.М.Томакова, А.И.Арсентьева, В.С.Хохрякова, Б.А.Симкша, М.Г.Новожилова, М.Г.Потапова, Ю.И.Анистратова, В.Л.Яковлева, Б.Н.Тарта-ковского, А.И.Дукельского, Л.А.Сорокина, А.Г.Моора, Б.В.Артемьева, В.И.Прокопенко, А.Ю.Дрияенко, В.П.Смирнова и др.

. Вопросам использования"летательных аппаратов в. транспортных процессах ОГР посвящены труда М.В.Васильева, И.З.Лысенко, А.А.Азимова, В.н.тартаковского, В.С.Бойко,' В.Д.Буткина и других, которые послуасили основой для формирования цели и постановки задач настоящего исследования.

Выполненный информационный обзор позволил установить ряд преимуществ использования привязных аэростатических аппаратов (АСА) при транспортировании грузов на расстояния 0,5-3 км, по сравнению с другими видами транспорта (рис.1).

Опыт практического использования привязных АСА в различных условиях, в частности, на лесоразработках, при разгрузке судов на берег, монтаже тяжеловесных и крупногабаритных объектов, в целях военной разведки и связи и т.д., показал высокую надежность и эффективность применения аэростатно-канатннх транспортных систем (АКТС). По оценкам специалистов США, прибыльность использования АКТС при транспортировке различных грузов, начшйя с 1950 г., составила более I млрд. долларов.

Грузоподъемность современных АСА может достигать 3000 т и их эксплуатация возможна при температурах от +60 до -60°С, ветровых нагрузках до 30 м/с (транспорт) и 45-47 м/с (в условиях наземного базирования). Аэростатные оболочки, выполненные на основе синтетических материалов, характеризуются высокой прочностью и низким удельным весом (0,05-0,1 кг/м2) и газопроницаемостью не более 0,1 л/м2 в сутки.

Применительно к транспортным процессам ОГР, насколько нам известно, привязные аэростаты не получили практического применения, что связано, в первую очередь, с эпизодическим'и несистематизированным характером технико-технологических предложений в данной области, не .подкрепленных углубленными исследованиями по .определению наиболее целесообразных конструктивно-технологических схем карьерных АКТО, которые обеспечили бы наибольшую эффективность применения привязных АСА в конкретных условиях ОГР.

Сист8матиза^я_схем_поствдещ сцортщх_систем_ВМ_испдльзовага^ Критический анализ

разнообразных факторов, влиямцюс на процесс транспортирования горной массы (климат, геология и геометрия карьера, интенсивность и направление-грузопотоков, расстояние доставки и т.д.), позволяет выдвинуть предположение, что в силу строго вертикрльной направленности подъемной силы аэростата, источником которой'является грави-

Рис. I. Основные технологические преимущества карьерного транспорта с использованием летательных аппаратов (ЛА)

тациднше .поле Зешш, основным фактором, определяющим целесообразность- той или иной конструктивно-технологической'схемы ¿КТО, может быть наличие или отсутствие вертикальной составляющей пути между пунктами погрузки и разгрузки, другими словами, направление грузопотока относительно горизонтали.

С учетом степени использования сил гравитации конструктивно-технологические схемы АКТС условно можно разделить на две группы.

В группу "активный аэростат" входят АКТС, при работе которых аэростат, перемещается совместно о грузовой кареткой (транспортной емкостью) от пункта погрузки к пункту разгрузки и обратно, выполняя в транспортном процессе "активную" функцию.

Группа "пассивный аэростат" объединяет конструктивно-технологические схемы со статическим, "пассивным" положением аэростата, выполняющим роль аэроопоры для элементов конструкции транспортной системы. г

Системы данных групп были подвергнуты сравнительному анализу.

В условиях работы на наклонном грузопотоке "снизу вверх" рассмотрены АКТС, изображенные на рис.2 и 3.

В результате произведенных оценок было установлено, что система группы "активный аэростат" (рис.2) характеризуется меньшими удельными энергозатратами и материалоемкостью, и, в целом, более рациональна. Сделанный вывод о рациональности' применения систем группы "активный взрсстат" при подъеме горной массы из карьера, косвенно шкет быть подтвержден данными об оценках, выполненных специалистами ВМС США, применительно к вариантам разгрузки кораблей на возвышенный скалистый берег, в результате которых, были признаны наиболее экономичными, а позднее построены и применены АКТС грузоподъемностью 11-30 т, конструктивное исполнение которых полностью идентично схеме, помещенной на рис.2.

При горизонтальном направлении грузопотока использование систем группы "активный аэростат" не всегда представляется целесообразным, в виду отсутствия вертикальной составляющей пути. В этом случае "активный аэростат" выступает лишь как средство дла уравновешивания силы тяжести груза, что может быть явно недостаточным как в силу больших размеров и стоимости АСА, так и с учетом тех дополнительных энергозатрат, которые потребуются на преодоление силы воздушного сопротивления, а также подъемной силы АСА при возврате последнего в порокнем режиме.

Наибольший практический интерес при горизонтальном направле-

Рис. 2. Аэростатно-канатный подъемник (предложено Ю.С.Бойко):

I - направляющие ролики; 2 - основной канат; 3 - вертлюг; 4 - шкив; 5 -'возвращающий канат

Рис. 3. Лэроопорный нанатшй подъёмник:

I - аэростат^ 2 - крепёжные канаты; 3 - якорные лебёдки; 4 - транспортная ёмкость; 5 - отклоняющий шкив; 6 - лебёдка подтягивания; 7 - лебёдка подъёма; 8 - разгрузочный бункер

нш грузопотока представляют АКГС группы "пассивный аэростат" (рис. 4 и 5), позволяющие эффективно использовать , силы гравитации в процессе транспортирования.

В работе транспортной системы, представленной на рис.4, при фиксированном размещений в тропосфере над зоной ОГР аэростатического аппарата и'подвеске к нему на канатах грузовмещающей емкости,, заложен принцип простых гармонических движений маятника с грузом, период колебания которого, при углах отклонения от вертикали <п = = 15-25°, приближенно равен

J? » 2-х-/l/g , (I)

где Т - период колебания, с; i - еысотэ подвеса емкости к аэроопоре, м; g = 9,81 м/с2 - ускорение сводного падения.

Как следует из (I), период колебания не зависит от его амплитуды (при малых углах отклонения) и массы груза ("изохронность"). В этом видятся перспективы го созданию АКГС большой производитель-' ности, сопоставимой с производительностью мощных конвейеров.

Аэростатно-канатный перегружатель, изображенный на рис1.5, обеспечивает перемещение горной массы в грузовой каретке 7 и возврат после^ей в порожнем режиме под действием, силы тяжести, за счеч наклона канатной магистрали 6 в нукном направлении изменением высоты расположения аэростатов (АСА) I и 2. Необходимое натяжение канатных связей обеспечивается подъемной силой АСА, а также натяжными шкивами 12, 14, 15, 16 и 17. Два дополнительных канатных контура 18-19-20 и 21-22-23 придают системе большую устойчивость боковым ветровым нагрузкам. Оба аэростата и га канатные привязные системы взаимоурэвновешены, энергия при транспортном цикле затрачивается на поде4м грузовой каретки на нукнув высоту е начальной момент движения,'а также на преодоление сопротивлений в шкивах и механизмах лебедки и сопротивления воздушная среда тремэтзешм АСА в процессе разгона и торможения грузовой каретки.

При наклонных нисходящих грузопотоках более рациональными могут являться конструктивно-технологические схемы, в которых яэро- • стат выполняет "активную" функцию при возврате порошей транспортной емкости "снизу вверх".

В ряде случаев на карьерах эффективны системы разработки с перевалкой вскрыши в отвалы'по бестранспортной схеме. Для дачных условий интерес представляет рассмотрение возможностей . построения рационального ■ аэростатного Екемочнп-траиспортного комплекса. При

I - аэростат (аэроопора); 2 - крепёжные канаты; 3 - якорные лебёдки; 4 - рабочая площадка карьера; 5 - рабочая площадка отвала-! 6 - отвал; 7 - нижняя подвеска аэростата; 6 - блок; 9 - грузонесущий канат; 10 - подъёмная лебёдка; II - вертикальное коромысло; 12 - транспортная ёмкость; 13 - горизонтальное коромысло; 14 - тяговый канат: 15 - тяговая леоёдка; 16 - возвратный канат; 17 - возвратная лебёдка; 16 - погрузочная площадка; 19 - экскаватор; 20 - забой; 21 - пункт разгрузки; 22, 23 - промежуточные положения, соответственно, канатов возврата и тяги

Рис. 5. Аэростатно-канатный

перегружатель:

аэростаты; 3 - рамная.подвеска; 4, 5 -

I, 2

V -грузовая каретка; ГГ^анспортная ^^ 6 ~ «

лебедка; 12 - центральной натяжной шкив Лз I цен' 1:а^ИВЯЗНЫе КШ1аТЫ; 11 ~ ™™ая ' ' боковые натяжные шкивьг; 18, 19, 20 21 2? "6®рг?льная канатная ветвь; 14, 15, 16, 17 площадка карьера ' ' ' 0 ~ Сокоше канатные ветви; 24 - рабочая

обосновании его конструктивно-технологической схемы, с учетом того, что транспортная емкость цри экскавации должна обладать достаточным для внедрения в породный массив васоы, и непосредственное сочленение, ее с АСА затруднено шш невозможно, необходимо ориентироваться на системы группы."пассивный аэростат".

Сделанный анализ позволяет систематизировать варианты рационального применения АКТС на карьерах'(табл.1) и осуществлять поиск военх конструкций АКТС по следующей схеме: определение направления грузопотока по исходным данным - выбор группы аэростатных систем -перебор возможных -вариантов конструкций данной группы и выделение наиболее рациональных. .

Таблица I

Систематизация вариантов рационального применения

аэростатно-канатных транспортных систем (АКТС) на карьерах

Назначение Направление грузопотока ГрУша Пример рациональной систем!?

Транспортное Горизонтальное "Пассивный аэростат" 1. Система "маятник"(рис.4) 2. Аэростатно-канатныи перегружатель (рис.5)

Наклонное "снизу вверх" "Активный аэростат" I. Аэростатно-канатный подъемник (рис.2)

Наклонное "сверху вниз" "Активный аэростат" Не предложено

Выемочно- .транспорт- ноо Преимущественно горизонтальное "Пассивный аэростат"* Не предложено

И°с£§Д2ёа1Ш§_и^а^абдтеа_аэростатногк В ре-

зультате системного подхода к проблеме поиска новых технико-технологических решений вопроса транспортирования горной массы при нисходящих грузопотокях с использованием привязных АСА был предложен новый способ транспортирования.

На рис.6 изображена типовая схема аэросгатно-канатного спуска (АКС), реализующая данный способ.

Транспортная магистраль АКС образована направляющим канатом I, растянутым мевду опорами 2, расположенными на верхнем (погрузочном) и нижнем (разгрузочном) горизонтах, с помзщьи противовеса 3. К на-

о

к

о >»

с о

s

ж й к I

о я

H ей н о о а. и

о

сС

прашшщему канату подвешена' емкость 4, соединенная с аэростатом 5. Свободную грузоподъемность аэростата Р0 (кг), определяемую, как

. . - Р0 = Р - Мо - Ис - Иг = Р (к' -Е + Мо) , (2)

где Р- полная грузоподъемность авростата, определяемая из классического уравнения закона Архимеда, кг; Мо - масса оболочки аэростата, кг; Мо,- масса силового оборудования аэростата, кг; Мг -масса порожней грузовой каретки (транспортной емкости) с крепеашым устройством, кг; = (Мс + Нг)/Е - коэффициент тары; Е - масса перевозимого грузй, кг,

устанавливают так, чтобы она была меньше массы перевозимого груза Е. Спуск груженой емкости осуществляется под действием силы (Е - Р0), а возврат порожней емкости на верхний горизонт погрузки - под действием свободной подъемной силы авростата Р0. Опоры 2 в зависимости от технологических потребностей мог^т быть передвижными, полустационаршши и стационарными.

Для экспериментальной проверки работоспособности АКС по эскизной документации была создана и испытана лабораторная модель, работавшая в автоматическом рекима. Конструктивные параметры экспериментальной лабораторной модели (ЭЛМ) щцшедены в табл.2.

Таблица 2

Конструктивные параметры ЗЛЫ

Параметры Значения

Свободная грузоподъемность АСА, г 8-12

Диаметр несущего каната, мм 0.7

Вес одного метра каната, г 0,42

Коэффициент трения ползуна о канат 0,38

Натяжение несущего каната, гс 300

Горизонтальное расстояние между опорами (длина

пролета), мм 1750 .

Угол наклона канатной магистрали, град. ' 40

Масса перевозимого груза (металлический шарик), г 28

С целью получения более полного представления о процессе транспортирования по АКС были изучены возможные режимы движения грузовой каретки и установлены' их особенности и закономерности.

£

При определении максимально развиваемой скорости движения по АКЦ г»шах (м/с) и времени разгона (с) использовались следующие выражения , •

= /г/а. (1 - в_г,а,1,1) + v •е~2'а'^1 ,

t =- .in

' О .-Ja . г»

+ Vz

max

Уа-v - Vz max

VS.V0 - Уг ■

Уа.г>0 + Vz

(3)

(4)

где z = g-(sin a - cos a.f); a - угол наклона хорда пролета, град.; 1 - коэффициент трения; Ь, - длина разгона, и; г>0 - начальная скорость движения, м/с; а - показатель сопротивления воздушной среды,

м"1,

а = C.pQ.S/P , (5)

здесь С - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления аэростата воздушной среде; Б - площадь сечения аэростата, перпендикулярная направлению воздушного потока, мг; рв = 1,29 кг/м3 -плотность воздуха; Р - движущая нагрузка со стороны груэовсй каретки -о АСА, кгс, Р = (Е - - при спуске, Р = Р0 - при подъеме.

Для определения величины 11 была составлена программа циклического расчета по формуле (3) в интервале 1у = (10, Ь) (Ь - длина канатной магистрали АКС) с шагом изменения 1 = лЬ = I м. Значение 11 присваивалось с достаточной достоверностью по следующему условию: если VI - < 0,0001 м/с, тогда = Ь^,.

В результате математического моделирования режимов движения грузовой каретки по АКС с различными параметрами было установлено следующее:

- длина I и время разгона грузовой каретки в большинстве случаев составляют на болао 10-15% от общей длины кан~тной магистрали I и времени движения г по ней при Ь > 1000 м, 15-25% - при Ь = 750-1000 м и более 25% при I < 750 м;

- рззгон грузовой карелки можно разбить на три стадии (рис.7): первая, составляющая не Лолее 10% от ц характеризуется быстрым набором скорости (до 70% от Утят) и ростом силы сопротивления воздуха, действующей на аСА, вторая стадия составляет около 25-35% от Ь1 и 1;., и характеризуется плавным уменьшением ускорения движе- . ния в результате тормозящего действия воздушной среды на аэростат,

Рис. 7. Начальные стадии (I, II, III) движения-грузовой каретки по АКС .

и, наконец, заключительная, третья стадия характеризуется полной стабилизацией скорости движения. . •

Расчетные значения величины упят были определены' в пределах

з,1-19,6 м/с для Р = 1,25-90 тс при а = 6,5-60°. ''.,'■

Следует отметить, что такое беззатратное, автоматическое' ог- ,

раничение величины максимально развиваемой скорости vmax и плавность перехода от ускоренного к равномерному движению по канатной магистрали в широком диапазоне изменения угла наклона хорды пролета (а = 6,5-60°) является вакной специфической особенностью АКС по сравнению с существующими маятниковыми подвесными канатными дорогами с тяговой лебедкой.

При рассмотрении наиболее целесообразных способов торможения грузовой каретки были выделены следующие: изменением величины натяжения несущих канатов; путем "разгрузки-загрузки на ходу" (этот способ был реализован в ЭЛЛ АКС); с помощью приводной тормозной системы с использованием аккумулированной во время разгона и равномерного движения кинетической энергии грузовой каретки; принуда-тельным увеличением площади сечения транспортной системы, перпендикулярной направлению воздушного потока; гашением кинетической анергии движения грузовой каретки с помощью демпферных устройств или специальных захватов и упоров.

Анализ параметров канатной магистрали АКС позволил установить ' ряд закономерностей:

1. Используемые в настоящее время стальные канаты обладают значительным удельным весом q (кг/м), что определяет для АКС в большинстве случаев соблюдение неравенства

(Е - F0) q.L > Fq - q-L , (6)

и, соответственно, целесообразность расчета параметров канатной магистрали по традиционной для канатных подвесных дорог методике при Р = (5 - PQ) с учетом возрастающих ветровых нагрузок на аэростат с аэродинамической характеристикой C-S.

2. Увеличение соотношения PQ/E (при Е = const) приводит к уменьшению веж-олш сосредоточенной нагрузки Р на канатную магистраль и, следователыю, величины ее натяжения Го, что является важным отличием и преимуществом АКС по сраЕгетш с традиционный ка-нагтшми транспортными установками, где отсутствует компенсация силы тяжести груза со стороны подъемной силы АСА (на ряс.8 данному случаю соответствую^ точки пересечения прямых с вертикальной осью при Р0 = G).

То,

тс

60

I

40

20

О

Рис. 8. График зависимости То = Ц?0Г&) для АКС с параметрами: Ь = 1000 м, а = 20°, при Е = 2,5 т (1); Е = 5 т (г); Е = 10 т (3)

- область наиболее вероятного применения

3. Зависимости То = /fE/PQj (рис.8) могут иметь иной характер . в области PQ/E > 0,5 в результате использования синтетических канатов с малым удельным весом q или при длине канатной . магистрали 1 < 100-200 м. В этом случае влияние величины (q-L) в неравенстве (6) ослабевает, и оно мсжет быть невыполнимым, а расчет величины натяжения То должен производиться при Р =(-PQ).

С учетом результатов проведенных исследований, а также основополагающих закономерностей, принятых при проектировании грузовых канатных подвесных дорог в работах А.И.Дукельского, Н.М.Белой, А.Г.Прохоренко и др., была составлена методика расчета конструктивных параметров и показателей применения АКС, которая легла в основу программы, предназначенной для работы с ПЭВМ типа.IBM PC и реализованной на языке TURB0PASCAL-5.0.

Полученный в результате работы на ПЭВМ большой объем расчетных данных, позволил выделить' область оптимальных значений устанавливаемой свободной грузоподъемности аэростата F0 = (0,2-0,6)-Е, обеспечивающих максимальную производительность АКО QT.

Асимметричность кривой зависимости QT = fC!Q/t), характеризующейся смещением максимума в область PQ/E < 0,5 (рис.9), связана о фактором роста сопротивления воздушной среда на всем протяжении интервала PQ/E = 0-1 (при Е = const) при пропорциональном уменьшении величины соотношения значений движущих сил при спуске й подъеме (Е - Р0)/Р0 В интервале PQ/E = 0-0,5 до 1,0 и в интервале PQ/E = = 0,5-1 с 1,0 до 0.

В общем случае установление наиболее рациональной величины свободной грузоподъемности аэростата в пределах интервала 0,2-Е < í ?0 í 0,6'Е в большую сторону осуществляется при выполнении условия

3t - 30 > 0 , (7)

где 3t - затраты, связанные с разницей в изготовлении, монтаже, эксплуатации и перемещениях конструкции АКС больше.; массы; 3Q - затраты, связанные с разницей в изготовлении, монтаже и эксплуатации ааростЕта большего объема (при сравнении вариантов с разной производительностью рассматриваются удельные затраты, отнесенные к I т перемещаемой горной массы).

Для карьеров с большей скоростью подвигания фронта работ целесообразно установление величины FQ в пределах PQ = (0,5-0,6)«Е.

На практика нр^избеига колебания величины подъемной силы аэростата в силу изменения погодных условий или дга$фуеии аэростатного

23

Рис.' 9- Зависимости основных параметров п показателей АКС (масса конструкции Н, объем АСА V и теоретическая производительность 0Т) ст величины соотношения 10/Е при Е = 10 Ъ 1ГО0 м, а - 20°, 1= ■= 0,02, гп = зо с, о,4о: 1 - м = /а0/ю; 2 - V = ЯТ0/Ю; 3 -

- о„ = Г(?йя) .

газа через стенки газового баллона. В этом случае необходимы меры по пода иканию заданного соотношения с помощью балласта или изменением массн насыпного груза Е.

■ Анализ современных нагорных и глубоких карьеров показал, что наибольшее распространила АКС могут иметь в комбинации с автомобильным транспортом. Основным недостатком любого комбинированного транспорта является необходимость дополнительной перегрузки горной массы. Время, затрачиваемое на перегрузку,- должно компенсироваться сокращением расстояния транспортирования и более высокой скоростью прохождения трассы. Для того, чтобы эти факторы при использовании автомобильно-аэростатного транспорта стали значимыми, необходимо ограничение минимально целесообразного расстояния транспортирования по АКС в пределах 300-400 м.

Параметры существующих АСА позволяют перемещать по АКС грузы массой до 6-15 тыс.т, однако, построение транспортных систем такой грузоподъемности станет технически возможным и экономически целесообразным при условии появления дешевых синтетических канатов с низким удельным весом q и высокой прочностью на разрыв Sp и смятие SCM. Исходя из ограниченных прочностных характеристик стальных несущих канатов и параметров современного карьерного автотранспорта, для расчетов был принят следующий' ряд величин грузоподъемности транспортной емкости АКС: ' 2,5; 5; 10; 27; 40; 75; 110 и 180 т. Расчетная теоретическая производительность данного семейства АКС изменяется в пределах QT = 12,4-7600 т/ч при длине кацатной магистрали I = 350-2500 м и угла наклона хорды пролета а = 6,5-60°.

Разрэботка^шцшиалш^

ав]юстатадгд^ы9мдчн^^__и__®иентардвочтше

оценки. Для ведения открытых горных работ по бистрансшртной технологической схеме переработки горной массы интерес представляет применение нового вида техники - ЭАКК (экскаватор аэростатический канатный ковшовый) - 20/350 (рис.10) с часовой тео^ тической производительностью 1200 м3/ч.при радиуса действия 350 м, установленной мощности двигателей П600 кВт и массе 430,3 (при синтетических кьнитах) - 557,5 (при стальных канатах) т.

Заполнение ковша горной массой и ее транспортирование на отвал осуществляется при работе ЭАКК, аналогично с работой драглайна, совместным действием лебедок тяги 4 и подъема Б.

Можно предположить, что ЭАКК с большим радиусом действия позволят шире применять эффективные системы разработки "экскаватор-

25

Рис. 10. Конструктивно-технологическая схема аэростатного выемочно-транспортного комплекса ЭАКК-20/350;

I - ковш с упряжью; 2 - тяговый канат; 3 - подъёмный канат; 4 - тяговая лебёдка; 5 - подъемна) лебёдка; 6 - головной блок; 7 - аэростат (аэроопора); 8 - зона разгрузки; 9 - крепёжные канаты; 10 - якорные лебёдки .

карьер" (предложенные акад. Н.В.Мельниковым), но без тех ограничений параметров технологических схем, которые характерны для традиционной выемочно-транспортной техники.

Оцежа_показателей_з5^к^носта_использо^ натных транспортных 'систем (АКТС) в условиях ОГР. Для установления экономической целесообразности использования рассмотренных /КТО на карьерах выполнена оценка показателей эффективности их применения в сравнении с традиционными видами транспорта.

При оценке эффективности транспортных технологий, обеспечивающих подъем горной массы из карьера, рядом исследователей рекомендуется рассмотрение коэффициента полезного использования энергии т)т, определяемого из выракения

т]т = Ео/е , (8)

где ео - теоретически необходимая величина расхода энергий для подъема I т груза на высоту I м, равная 9,8 кДж или примерно 0,01 МДж; е - фактические энергозатраты на подаем I т груза на высоту I м при работе анализируемого вида транспорта, МДк/т•м.

Данные, приводимые в габл.З, свидетельствуют об очевидных энергетических преимуществах АКТС (рис.2) по сравнению с автомобильным, дизель-троллейвозным, железнодорожным и конвейерным видами транспорта.

Таблица 3

Расчетные значения коэффициента полезного использования энергии 1) при подьеме горной массы различными видами транспорта

Вид транспорта Преодолеваемый усредненный уклон, 1,°/оо, (а, град.) Расстоя-доставки груза, Ь, м Высота подъема, Н, м Расход энергии, е,МДж/т-м V %

Автомобильный 80 1000 80 0,070 14

Дизель-троллейвозный 100 1000 100 0,059 17

Келозеодорожный 25 1000 25 0,055 18

Кон зейерный 16° 1000 270 0,022 45

Аэрэстатный 45° 1000 до 1000 0,014 71

и более и менее и боль

Технико-экономическими расчетами установлено, что применение автомобильно-аэростатной технологии транспортирования в условиях карьера глубиной 120-240 м с годовой производительностью I,5-

27

7 млн.т позволяет снизить затрата ад перемещение горной массы в 1,75-3 раза по сравнению, с автомобильным и в 1,3-1,4 раза по сравнению с автомобильно-конвейерным (дробилка в карьере) видами транспорта.

Произведенная оценка удельной трудоемкости процесса транспортирования позволила установить, что этот показатель у автомобильно-аэростатного транспорта находится на уровне автомобильно-кон-вейерього (дробилка в карьере) и автомобильно-скипового и составляет 2,5-3 человеко-смен на транспортирование 1000 т горной массы, что значительно меньше, например, чем у железнодорожного транспорта, у которого данный показатель с ростом глубины разработки с 60 до 300 м изменяется в пределах 7,6-15,5 челов'еко-смен/1000 т груза.

В условиях нагорного карьера были проанализированы варианты использования аэростатно-канатных спусков совместно со сборочным автомобильным транспортом. Установлено, что АКС имеют высокую эффективность применения при разработке месторовдений полезных ископаемых' с годовой производительностью до 15 млн.т в районах, характеризующихся ограниченными энергетическими ресурсами и сложными топографическими условиями, по сравнению с наиболее распространенными на нагорных карьерах автомобильным и традиционным канатно-по-двесшм видами транспорта.

Показано, что при использовании на АКС специальных электрогенераторов, преобразующих кинетическую энергию поступательного движения грузовой каретки с аэростатом в электрическую, с накоплением последней и последующей передачей в карьерную энергосеть, баланс годовой выработки и расхода электроэнергии при работе АКС в большинстве случаев положителен, чем достигается ее полная энергетическая автономность. Оптимальным, с точки зрения качества получаемой электроэнергии, является установление транспортного режима при соотношении Г0/Е = 0,5, позволяющем получать энергию с одинаковыми параметрами как при спуске грузовой каретки под действием силы (Е - Р0), так и при ее подъема под действием силы Р0, что хорошо согласуется с результатами ранее выполненных исследований.

Кроме этого, показана высокая эффективность использования предложенного аэростатного выемочно-трансгортного комплекса ЭАКК-20/350 (рис.10) при системах разработки "экскаватор-карьер". При технико-экономическом сравнении за базовый вариант была принята известная бестранспортная' технологическая схема с переэкскавацией горной мяссн и ее отсыпкой в выработанное пространство карьера с

помощью двух драглайнов ЭШ-20/90 (вскрышной и отвальный). Установлено, что при годовой производительное .ти по вскрыше 4,0 млн.м3 аэростатный комплекс характеризуется меньшей массой (на 2922 т) и установленной мощностью двигателей (на 1600 кВт), а также более низкой стоимостью (в ценах 1990 г. - на 2,88 млн.руб.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - повышение эффективности процесса транспортирования горной массы в условиях ОГР на основа применения ■ привязных аэростатических аппаратов.

Основные научные и -практические результата, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Применение привязных аэростатов позволяет использовать новые способы перемещения горной массы на карьерах, -отличающиеся от традиционных способов доставки горной массн отсутствием дорожных коммуникаций, меньшим сопротивлением движению, малым влиянием на окружающую среду, меньшей трудоемкостью, а по сравнению с вертолетным и дирижабельным - большей полезной нагрузкой, меньшей зависимостью от погодных условий и энергоемкостью, при возможности работы в режиме рекуперации энергии.

2. Целесообразные конструктивно-технологические схемы карьер-' них транспортных систем с использованием привязных аэростатов определяются направлением грузопотоков, на которых осуществляется их работа. На наклонных грузопотоках "сверху вниз" или "снизу вверх" рациональными являются транспортные системы, при работе которых аэростат перемещается с грузовой кареткой (транспортной емкостью) от пункта погрузки к пункту разгрузки и обратно, выполняя в транспортном процессе "активную" функцию. При работе на горизонтальных грузопотоках целесообразны конструктивно-гехнолог;г. „-скио схемы со статическим, "пассивным" положением аэростата, виполняющйм роль аэрс-опоры для эламэнтов конструкции транспортной системы. -

3. При подъемо горной массы из карьера аэростатно-канатные транспортинэ системы (АКТС) обеспечивают более высокий коэффициент полезного использования энергии (0,71-0,77) по сравнению с автомобильным (0,14), днзель-троллвйБОЗним (0,17), Еелвзкодорокныы (0,18) и конвейерным (0,45) видами транспорта, что определяет снижение затрат при автомобильно-аэростатном транспортировашш по

29

сравнению с автомобильным (в 1,75-3 раза) и автомобильно-конвейер-шм (в 1,3-1,4 раза).

4. Выполнена систематизация рациональных конструктивно-технологических схем АНТС по признакам направленности грузопотоков и степени использования сил гравитации, позволяющая осуществлять разработку новых целесообразных конструктивно-технологических схем АКТС.

5. Разработан ряд новых способов и комплексов, обеспечивающих перемещение горной массы в карьерах при экологизации транспортного процесса и значительном энерго- и ресурсосбережении.

в. При открытой разработке месторождений полезных ископаемых в районах, характеризующихся ограниченными энергетическими ресурсами и' сложными топографическими условиями, высокую эффективность по сравнению с автомобильным и традиционным канатно-подвесным видами транспорта имеет предложенный способ транспортирования горной массы по аэростатно-канатным спускам (АКС). Специфическими особенностями технологического процесса АКС являются энергетическая автономность, Оеззэтратное, автоматическое ограничение величины максимально развиваемой скорости и плавность перехода от ускоренного к равномерному движению по канатной магистрали в широком диапазоне изменения угла наклона хорда пролета.

7. Разработан метод расчета параметров и показателей применения АКС, реализованный в виде комплекса программ для ЭВМ. Составленная методика позволяет проектировать создание АКС для заданных условий ОГР.

8. Установлены отличительные особенности и закономерности изменения параметров и показателей применения .аэростатно-канатных спусков (АКС). Основными факторами, влияющими на теоретическую производительность АКС 0т, наряду с характерными для традиционных маятниковых канатно-подвесных дорог, являются свободная грузоподъемность аэростата Р0 и его аэродинамическая характеристика С-Б, а также величина соотношения свободной грузоподъемности аэростата к массе. перевозимого, груза Р0/Е. Зависимость <3Т = имеет асимметричный характер, при этом максимальные значения производительности достигаются при установлении величины Р = (0,2-0,6)-Е.

9. Определены параметры семейства АКС в диапазоне изменения производительности О = 12,4-7600 т/ч, длины канатной магистрали Ь » 350-2500 м, угла наклона хорды пролета а = 6,5-60°.

10. Техническое предложение на выемочно-транспортный комплекс'

ЭАКК-20/350 принято ПО (ГП) "Крастяжмаш" для разработки перспективной программы создания новой техники.

Настоящее исследование является одной из первых попыток научного обоснования возможности эффективного использования привязных аэростатов в транспортных процессах ОГР. Его результаты позволяют намечать и выполнять дальнейшие исследования и инженерные работы по созданию принципиально новых аэростатных карьерно-транспортных систем. К числу дальнейших задач можно отнести: разработку систем автоматического управления работой аэростатно-канатных спусков (AKG); разработку и создание опытного образца АКС для исследования аэродинамических характеристик, отработки эксплуатационных режимов и т.д. в натурных условиях; исследования по применению в новых аэростатных транспортных системах композитных материалов и синтетических канатов.

Выполненная работа явилась базой для дальнейших исследований, которые продолжаются нами с учетом указанных направлений в рамках госбюджетной тематики, проводимой в Красноярском институте цветных металлов по государственной программе 03.2 "Экологически чистое горное производство".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Буткин В.Д., Морин A.C., Точшвш В.М. Об аэрогеотехнологии на карьерах // В кн.: Проблемы открытой добычи угля в Кузбасса. -Кемерово: Изд. "Родник", 1990. - С.81-83.

2. Буткин В.Д., Морш A.C. Энерго- и ресурсосберегающие нетрадиционные аэрогеотехнические средства открытых горных работ // В сб. трудов Всесоюзного семинара "Прикладные и теоретические вопросы нетрадиционной внергетики". - Л.: о-во "Знашм" РСФСР. Ленинградская организация, .ЩНТП, 1990. с.39-42.

3. Морин A.C. Оценка параметров и показателей применения аэрогеотехнических транспортных средств на глубоких карьерах // 3 со. трудов Международного симпозиума "Иирный-ЭГ' "Проблемы открытой разработки глубоких карьеров". - Удачный: Изд. НИЦ "Мастер", 1991. - с.457-463.

4. Авторское свидетельство й.1723323 Е 21 С 41/00 (СССР). Транспортный комплекс карьера / А.С.Морин и В.Д.Буткин (СССР). -

5. Авторское свидетельство J» 173Э035 Е 21 О 41/26 (СССР). Устройство для транспортирования горной массы / В.Д.Буткин, >А.С. Морин, А.В.Пичугин и А.Я.Бартель (СССР). - А 4833484/03; Заявлено 04.06.90; Опубликовано 07.06.92; Бш. * 21.

6. Авторское свидетельство № I75I325 Е 21 С 41/00 (СССР). Устройство для перемещения горных пород в карьере / А.С.Морин и В.Д.Буткин (СССР). - № 4852521/03; Заявлено 19.07.90; Опубликовано 30.07.92; Бил. Л 28. .

7. Авторское свидетельство * 1776795 Е 21 .С 41/26 (СССР). Способ транспортирования горной массы / В.Д.Буткин и А.С.Морин (СССР). - * 4815023/03; Заявлено 18.04.90; Опубликовано 22.11.92; Бш. # 43.

. 8. Ыорин A.C., Шамов A.C. и Буткин В.Д. Устройство для транспортирования горной массы с глубоких горизонтов карьера. Заявка Л 4846646/03 (061973),от 04.06.90. Положительное решение от 25.09.91. .

9.' Ыорин A.C. и Буткин В.Д. Транспортный комплекс карьера. Заявка J6 4916651/03 (201р6) от 05.03.91. Положительное решение от II.11.91.

10. Морин A.C. и Буткин В.Д. Способ открытой разработки мес-■ торождений полезных ископаемых. Заявка Л 4880995/03, (109034) от

II.11.90. Положительное решение от 17.02.92.

11. Буткин В.Д., Морин A.C. и Бартель А.Я. Транспортный комплекс карьера. Заявка J6 4946849/03 (051288) от 18.06.91. Положительное решение от 10.04.92.

12. Буткин В.Д., Морин A.C., Точилин В.И. и Утехин С.А. Устройство для экскавации горных пород в карьере. Заявка Я 4849396/03 (076125) от 09.07.90. Положительное решение от 17.06.92.

ЗакЛ836,тирл00,п"о"Сибирь"

32